智能鋰電池充電器研究與設計

馬銀山

(成都工貿職業技術學院，四川成都,611732)

1 鋰電池的介紹

1.1 鋰電池的發展史

首塊鋰電池是采用硫化鈦作為電池正極，金屬鋰作為電池負極制作而成[1]。在此基礎上鋰電之父——J.Goodenough用鈷酸鋰將電池正極部分進行了改善，但在當時電池因充電設備的不完備，經常出現自燃、爆炸的危險，因此并未普及。直至1983年研究員使用錳尖晶石作為電池正極，比利用鈷酸鋰作為正極來講，前者更加穩定，導電性、導鋰性更加優秀，且氧化性也遠低于鈷酸鋰，即使出現了過充、短路情況，也可以避免電池自燃、爆炸的危險，至此鋰電池正式登上了電子產品界的舞臺。

1.1.1 鋰電池的優勢

鋰電池擁有高存儲能量密度的特點，與鉛酸電池比較，重量較輕，使用的壽命長，具備高功率承受力[1]，無記憶效應，鋰電池對溫度的適應性也非常的強，且環保，在電池生產、使用乃至報廢，都不會產生任何鉛、汞、鎘等 有毒有害污染嚴重的重金屬元素與物質。

1.1.2 鋰電池充電特性

鋰電池經過一段不使用的時間，就會自動進入休眠的狀態，此時的電池內部容量低于正常值，電量的持續時間也隨之縮短。電池正常工作時較易激活，只需要正常地進行一次充電和放電就可以讓電池恢復，內部也會還原到正常的容量。由于鋰電池自身的特點，決定了它沒有記憶效應。

1.1.3 鋰電池充電影響因素

我們在給鋰電池充電時需要注意，電池需根據充電順序對充電的電流和充電的電壓進行管控，禁止濫充，否則就極容易損壞電池。電壓、電流和溫度是影響鋰電池效能的主要因素。

電壓方面，在電池充電的這個過程當中，若電壓太高，將會發生十分大量的熱量，這會使得鋰電池正極結構破壞乃至出現短路。

電流方面，充電電流必須要根據電池的具體狀態分析并進行相應有效的控制。

最后是溫度，過低或者過高都會影響到電池，溫度過低使內部物質的活性反應不充分，溫度過高則會破壞內部物質的結構。

1.2 鋰電池充電電源原理

鋰電池充電電路用于各類數碼產品中。電池的負極一般為石墨晶體組成，正極多數是二氧化鋰組成。充電時，鋰離子從正極向負極運動進入石墨層中[1]。

1.3 鋰電池充電優化辦法

1.3.1 三端穩壓集成電路穩壓（LM78XX系列）

三端穩壓電源是我們最常見的穩壓電源，它有固定的輸出電壓，其名字的最后兩位就是其電壓值，比如7805、7809代表了輸出電壓為正5V、9V。同時也有負電壓穩壓塊79XX系。這類穩壓器結構相對簡單，外圍電路不多，使用起來方便，且內部有保護電路，所以經常在電源電路中使用。電壓經過變壓之后經整流橋整流，輸出再接濾波電容后輸入三端穩壓器，穩壓器輸出再接一個濾波電容。具體電路圖如圖1所示。

圖1 三端穩壓電路圖

1.3.2 三端可調穩壓集成電路穩壓

相對于方案A的三端穩壓器來說，方案B具有對電壓可調的功能，在這里我們就舉LM317為例說明，LM317它不僅具備三端穩壓器特點，還可對輸出電壓可調。簡單來說LM317分三端分別為電壓調節端、輸入端和輸出端，在電壓調節端兩端連接電阻R1、R2，他們的關系式為：V0=1.25（1+R2/R1）,所以只需要調節R2與R1的比值即可調節輸出電壓。

圖2 可調三端穩壓電路圖

1.3.3 運放串聯型穩壓電源

方案B雖然能夠實現電壓可調，但是實際電路中不可能經常更換電阻來達到調節的目的，也就是說電路不能實現進可調的目的。解決此問題，可加入運放，通過單片機來控制電壓的輸出，經過數模轉換輸出到運放進而達到調節輸出電壓的目的，這種電源雖然結構上來說比前兩種更為復雜，但是它應用的場合更多，使用起來更加智能。它的電路圖如下圖所示：

圖3 串聯型穩壓電路圖

綜上所述，考慮到成本和實用性，本設計采用A方案，三端穩壓方式。

2 主控芯片

2.1 單片機的認識

在科技大爆炸的當代社會中，單片機儼然身居于領導者的地位，無論是以前各類半智能家電，還是現今的物聯網技術，都離不開單片機的身影，在這些產品中，單片機就像是一位領導，按照程序員的要求，帶領著各種外擴設備，執行著各種不同的功能，讓每個設備發揮其應有的價值[2]。

舉個例子，有一戶小區住戶想給自己的家庭安裝一套智能家居系統。最基本的可以實現指紋識別開門、24小時環境監控、非法入侵報警三種功能，而想要實現這三種功能，單片機就是必不可少，住戶可利用不同的傳感器來實現不同數據的檢測，通過各類傳感器與單片機相連接，各個傳感器實時采集環境數值并將數值發送給單片機，單片機通過程序算法依次處理各個傳感器數值，并最終在外接的顯示屏上顯示出來。因此單片機就好比是各種功能電路的領導者，井井有條地管理著各種不同的功能電路。

2.2 STM32F103RDT6單片機最小系統

本設計選用STM32F103系列單片機作為主控芯片[2]。其擁有低的價格以及大量的學習教程，因此用來制作小型智能產品也是非常合適的選擇。STM32F103RDT6單片機有64個引腳，需要搭設專用的最小系統才能正常工作，最小系統一般包含時鐘振蕩電路、供電電路、片內復位電路。如下圖所示。

3 硬件電路

3.1 電源電路設計

電源電路的設計主要有STM32供電電源部分、充電電源部分、充電電源管理部分、12864 LCD顯示部分和USB保護電路部分，為了更好地為各元器件提供穩定的工作電壓，同時也為了保證STM32F103電路不影響電池充電電路工作電壓，選用雙通路供電，首先利用經典的7805輸出5V工作電壓，其次后級的AMS1117穩壓芯片就可以將5V電壓轉換成3.3V電壓并提供給STM32F103RDT6芯片使用。

圖4 STM32F103RDT6單片機最小系統電路圖

3.1.1 電源整流濾波及穩壓電路

該電路是由220V民用流電轉直流電的關鍵電路，同時也是充電電源部分的整流電路，這個電路是整個電源電路中最簡單的部分，主要包括了電源電路中最基本的整流、濾波和穩壓三部曲，STM32F103后級接AMS1117芯片進行穩壓。電路圖如圖5所示。

圖5 電源處理電路圖

3.1.2 充電電路電源穩壓電路

前面僅僅是主控部分的穩壓電路，為了確保充電回路不受主控部分影響，我在這里采用了雙通道電源供電方法，利用的是SM8502作為充電電路的主要供電芯片，SM8502是一個專門應用在小功率AC/DC電源電路的穩壓塊，輸入電影的精度高。

3.2 充電管理電路設計

我們都希望在手機或其他數碼產品在充電過程中能夠獲得電池保護，讓電池損傷降低到最小，但是其實大部分數碼產品配備的充電器內部都不會設計有電池管理電路，而是直接采用數碼產品內部自帶的充電管理電路，而數碼產品內部自帶充電管理電路一旦損壞，整個用電設備就無法充電了，因此我們現在需要在充電器內部設計一個良好的充電管理電路，包含有涓流充電、恒流充電、恒壓充電以及再充電功能，以此最大化減少數碼產品的充電電路及電池的充電損傷。

恒流充電功能主要用于鋰電池初充電狀態，鋰電池充電快慢受充電設備電壓電流影響，電壓就好比是速度，而電流就好比是量，電池初始充電時通過將電流維持在恒定值，可以快速地獲得鋰電池內部容量，依電池容量來獲得充電需要的能量，接下來就可以算出總充電量而且可以取得充電需要耗時多久。

恒壓充電功能主要給電池級間提供電壓恒定的充電方法，恒壓充電后電路就可以隨著電荷狀態的變化而自動調節充電電流大小，能夠防止電池析氣和失水現象發生。

涓流充電功能主要是為鋰電池提供滿電維護充電，主要目的是防止電池充滿電后自放電導致容量損失，盡可能延長數碼產品電池使用時間。

3.2.1 FS4059介紹

FS4059是一款電池充電管理芯片，屬于8-Pin系列的IC芯片。FS4059的充電電流大小需要借助外部SEN以及BAT兩個引腳上的檢測電阻設定，通過對電池進行恒流充電，使BAT引腳上的檢測電阻獲得最佳充電電流值。

3.2.2 FS4059工作原理

FS4059工作方式主要分為涓流充電模式、恒流充電模式、浮充充電模式。內部設計了參考電壓、電壓放大以及電阻分壓，可在充電時對電壓進行高精度調整。在輸入電壓被電池電壓大于100mv以上時，主動開啟新的充電進程，此刻若電池電壓小于芯片內部小電流充電閾值，FS4059將進入小電流充電模式，在電池高出涓流電壓閾值后，FS4059就進入恒流模式，在電池電壓接近于浮充電壓后，FS4059開始減小充電電流，此時若是外部電池的電壓下降到滿電再充電閾值電壓之下時，FS4059便開啟新一輪的充電周期，進行電池的續充，直至電池充滿。

3.2.3 FS4059充電管理電路

FS4059充電管理電是本次設計中的核心電路，為外部電池提供智能化充電解決方案，主要作用是讓電池開啟自我保護模式。通過外接元器件，讓FS4059得以在電池充電過程中提供涓流充電、恒流充電、浮充充電、再充電的智能化充電模式，電路圖如圖6所示。

圖6 S4059充電管理電路圖

電路采用DC5V供電，通過SEN腳確定充電電流，CHRG腳負責停止充電周期，避免電池滿電狀態繼續充電，TEMP腳外接一只熱敏電阻，防止充電溫度過高導致電池損壞情況發生。工作流程圖如圖7所示。

圖7 FS4059工作流程圖

3.3 顯示電路

在整個充電過程中需要對充電狀態、充電瞬時電壓的顯示，由于顯示內容中包含有漢字，LED數碼管無法滿足本設計要求，因此應當選用LCD液晶顯示屏。

3.3.1 12864 LCD介紹

12864LCD屏，滿屏可顯示4行8列總共32個漢字，通過將字符顯示編碼放入屏幕內部的顯示RAM區實現文字顯示[3]，同時LCD顯示屏包含三種顯示格式，分別為CGROM、HCGROM以及CGRAM，三種格式與32個字符的對應關系表如表1所示。

表1 CGROM、HCGROM、CGRAM與32字符關系表

3.3.2 12864 LCD顯示電路

圖8 顯示電路原理圖

基于STM32F103的鋰電池充電器通過主控輸入，獲取充電電壓，并在程序內部寫出各階段電壓代表的充電狀態，經過STM32內部ADC轉換信號后最終得到我們想要的電壓值。

3.4 USB保護電路

USB充電保護電路，主要是防止因意外導致充電過程短路的發生，電池充電若長時間短路，后果會非常可怕，因此就不得不在充電接口上考慮短路保護電路。本設計采用P溝道MOS管，當電池出現短路現象，電阻與三極管將MOS管進行關斷，達到充電停止的功能[3]，USB保護電路原理圖如下圖所示。

圖9 USB保護電路原理圖

4 軟件設計

硬件電路作支撐，軟件設計則是整個系統運行的保障，如電源能夠將民用220V交流電轉換為直流電，提供給STM32芯片及充電管理芯片進行工作，但是具體該如何提供供電，每一部分電路想要得到多少V的電壓，FS4059需要怎樣工作，充電管理電路怎樣實現電壓檢測等等一系列工作都需要軟硬件結合來實現，硬件是基礎，軟件是橋梁[5]。

4.1 軟件流程

首先進行系統初始化，初始電壓設置為3.3V，單片機開始查詢是否有電池插入，若此時沒有電池插入充電，則自動跳轉至顯示電路提示用戶未監測充電設備[5]。若此時有充電設備，則利用STM32F103內部自帶的ADC功能進行充電管理器發出的充電電壓采樣，并通過算法判斷出目前充電設備是處于什么充電狀態，電池還需要多少就可以完成充電等，然后將計算結果發送至12864LCD顯示屏進行顯示。軟件流程如圖10所示。

圖10 軟件流程圖