基于單片機的鋰電池智能充電監控設計

吳桂才，黃 鷺

（中國船舶集團有限公司第八研究院，江蘇揚州 225001）

0 引言

隨著社會的高速發展，各類移動手持設備的大量涌現[1]，以智能手機為代表的數碼通訊產品的性能不斷提高，因而對電池的使用要求越來越高，電池的使用壽命是影響手機性能的一個重要標準[2]。鋰電池的充電方式對電池的壽命有著很大的影響[3]，目前主流的鋰電池充電方式有恒壓恒流充電、脈沖充電、智能控制充電[4]等。圖1 所示為市面上一種電池座充，目前國內外對鋰電池充電的研究有很多，例如Hussein A H[5]對鋰電池脈沖充電的研究；李冶[6]對鋰電池恒壓恒流充電的研究。本文針對國內外的研究，提出了一種基于智能控制的鋰電池充電監控方案設計，系統采用以單片機為核心，功能模塊電路作為控制器的外圍電路的硬件設計，再進行軟件編程，實現鋰電池的智能充電和監控設計，使系統具備鋰電池斷電，檢測，指示，報警等相關功能。本文首先對鋰電池的充電原理進行概述，其次對系統進行總體方案設計，再次對系統進行硬件電路設計和軟件設計，最后得出結論。測試結果表明，該方案相對于其他充電方案，可以更好地滿足充電要求，并極大地提高了鋰電池壽命，可用于鋰電池充電推廣。

圖1 電池座充

1 充電原理和電路

1.1 充電原理

本文采用的智能控制充電，主要是在鋰電池的恒流-恒壓充電的基礎上進行精確控制。恒流-恒壓充電模式包括了預充、激活、恒流和恒壓[7]階段。如圖2 所示，充電開始為預充階段，以檢查電池狀況是否可用。在此階段中，一般給電池充入少量的電流，俗稱預充電，這時在檢測鋰電池電壓，若電池電壓逐步上升到3.2 V，則判斷電池可用，此時便進入激活模式。在激活模式中，給電池提供預充階段相同的電流，當監測到電池電壓上升到3.6 V時，則進入恒流模式，即快速充電模式。此階段，會給電池提供一個小于或等于電池容量的恒定電流進行快充；當檢測到電池電壓上升到4.15 V 時，此電壓值接近電池的額定電壓，恒流模式階段結束。此時充電進入最后一個階段，恒壓模式階段；此時保持鋰電池兩端的充電電壓4.2 V不變，如果此時還是保持充電電流不變的話，電池的電壓會超過4.2 V，從而對電池造成損傷。所以，當恒壓階段，保持鋰電池兩端的充電電壓為4.2 V 時，充電的電流隨著時間的推移會慢慢降低，當檢測到電池電壓為4.2 V 時，充電電流減小到某一規定的值，則認為電池電量充滿，整個充電過程結束[8]。所采用的智能充電，在此基礎上檢測充電處于什么狀態，然后軟件調整充電觸發引腳的PWM占空比，實現在不同狀態下高精度控制充電。

圖2 電池正常的充電曲線

1.2 充電電路

鋰電池充電電路的核心是電流電壓控制電路，采用電壓源和電流反饋技術進行構建設計。如圖3 所示，其工作原理是典型的負反饋控制系統[9]。當充電時，充電電流通過檢測電阻Rs，可獲得檢測電阻Rs兩端電壓，使用單片機監測該電壓，可實時監測充電電流。鋰電池兩端并聯電阻R1 和R2，通過調整R1 和R2 的阻值，使得R2端的電壓值在單片機可測量的適當范圍，即可計算出鋰電池電池的電壓，從而判斷充電所處的狀態。R5的前端接單片機引腳，通過軟件編程，使單片機引腳產生脈寬調制器（PWM）信號，可控制晶體管Q2 的導通，從而控制晶體管Q1 的導通。Q1 的導通與否即決定了電池的充電方式。

圖3 電流控制電路

2 總體方案設計

根據電池的充電原理和單片機相關組成知識，對方案進行總體設計。系統整體結構如圖4 所示，系統主要由電源、單片機、充電電路、檢測保護電路和狀態指示組成。其中，電源主要是用于單片機系統供電和給充電電路提供充電電壓；單片機是本系統的核心，主要做控制充電電路，運算處理，輸出反饋信號作用；充電電路用于鋰電池的充電；保護監測電路用于保護鋰電池不過沖和監測鋰電池電壓；狀態指示主要配合單片機進行配合，顯示當前的充電狀態。

圖4 系統整體結構

3 硬件設計

3.1 系統電路設計

本文研究的系統電路，其核心電路如圖5 所示，使用的核心器件是ABOV80F0504 單片機，它是一款擁有4k 字節的FLASH 程序存儲器的CMOS 8 位單片機。該芯片具有以下特點：4k 字節FLASH，256 字節的RAM，8位定時/計數器，看門狗定時器，片內上電復位，10位A/D轉換，蜂鳴器驅動口，10位PWM 輸出和片內晶振和時鐘電路，另外，可以支持節電模式以降低功耗[10]。通過單片機和其外圍的充電電路、檢測保護電路、狀態顯示電路及電源等進行一系列設計，完成功能設計，下面對各個模塊電路進行詳細設計。

3.2 充電電路

如圖5 所示，通過U1 TL431，使運算放大器AS358的5 端固定在2.5 V，6 端接單片機16 引腳，單片機16 引腳輸出PWM 信號，7端為輸出。經過運放輸出到7端，7端控制MOS 管Q20 和PNP 三極管Q21 組成的復合管進行對電池充電進行控制。充電狀態控制開關控制MOS 管Q22，當單片機引腳13 高電平時，Q22 閉合；低電平時，Q22斷開。

圖5 系統電路原理

對于涓流和恒壓狀態，13 引腳低電平，Q22 斷開，運放反饋只有一個電容C20 串聯電阻R22，類似于一個快速積分電路[11]。對于恒流狀態，13 引腳高電平，Q22閉合，運放反饋是C20 和C21 的并聯，可以等效于一個慢速積分電路。通過單片機15引腳檢測電池電壓，通過單片機內部子程序處理，使16 引腳進行不同占空比的PWM輸出，從而通過運放輸出控制充電電流。

當電池的電壓達到4.2 V 時，電池兩端并聯2 個電阻，R20 為82 kΩ，R21 為120 kΩ，2 個電阻的交點與運算放大器6端相連。根據運算放大器虛短虛斷，6點電壓約為2.5 V，所以把電池的電壓鉗住為4.2 V。此時通過16 引腳的PWM 程序使充電電流不斷減小，當電流減小到程序設定的規定值時，單片機檢測到此電流的通過取樣電阻進行放大的電壓信號，當電壓信號大于設定值時，單片機的16引腳置高，運放輸出為低電平，充電結束。

3.3 檢測保護電路

（1）電池溫度檢測及靜電保護

圖5 中電池的熱敏電阻在電池內部，為NTC，當電池溫度發生變化時，V/F 點的電壓發生變化，從而單片機的14引腳接收電壓的數值發生變化，從而對溫度進行監控和檢測。與NTC 并聯的為一個壓敏電阻VR，此為靜電保護，當V/F 點有靜電時，VR 壓敏電阻擊穿，從而消除靜電，保護單片機的I/O引腳。

（2）PCB板溫度監控

此監控如圖5 所示，R11=TH1，R26=R27；可以等效為一個惠斯通電橋，R11、TH1、R26、R27 分別構成4 個橋臂，當熱敏電阻TH1 阻值發生變化時引起單片機1、3引腳的電壓值的不同，從而對PCB板溫度進行監控。

（3）電池電壓監控

如圖5 所示，電池通過電阻R14 直接與單片機15 引腳相連，對電池電壓進行監控。

（4）充電截止電流檢測

如圖5 所示，充電的電流通過一個取樣電阻SR11（阻值大小約為0.2 Ω），在電阻SR11 上電壓經過AS358的另外一個運算放大器對其電壓進行放大，此時運算放大器構成一個同相比例放大器，把3點電壓進行放大到1點，再與單片機2引腳進行連接，通過監控1點電壓，檢測充電截止電流大小，并進行相應的控制。

3.4 狀態指示電路

LED 分別連著單片機的9、10 引腳，單片機根據不同的狀態和檢測判斷，對9、10 引腳的輸出進行控制，從而發出紅光（正在充電），綠光（充電完成），黃光（警告，未充電）。

4 軟件設計

控制系統實現的功能包括：（1）電池檢測子程序。系統首先要檢查電池是否有電池接入，準備充電，同時還必須檢測電池是否可用。（2）數據采樣子程序。采集的模擬量有電池的電壓，充電電流，PCB 溫度，BAT 溫度，并完成A/D 轉換和采樣。（3）數據量化子程序。將采樣的數據同系統的設定值進行比較，量化得出PWM脈寬值。（4）脈寬調制輸出程序。實現對控制系統的控制，即根據電池的充電曲線，由單片機PWM脈寬調制輸出不同的脈寬的信號，從而控制電路和開關，來實現對電池的合理充電。（5）顯示子程序。包括：故障報警，當系統出現故障時報警，閃黃燈；正常充電顯示，當系統正在給手機電池充電時的顯示，閃紅燈；充電完成顯示，當電池充電完成時顯示，閃綠燈。軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程

5 結束語

本文設計的基于單片機的鋰電池智能充電和監控系統，能適應與不用狀態下鋰電池的充電控制。鋰電池的充電不同于一般電源控制，由于其電化學特性導致充電速度較為緩慢[12]，除了鋰電池本身的一些保護以外，其他控制無須在幾百毫秒甚至幾秒之內發送，所以利用單片機進行PWM智能控制充電切實可靠和可行，且比傳統恒壓恒流充電更為高效，不僅能有效對鋰電池進行充電，而且能更大限度地保養電池，延長電池壽命，提高電池的使用率。