基于HT66F004 單片機的電池保護電路設計

尹百通，龔元明

（201620 上海市 上海工程技術大學）

0 引言

鋰離子電池（簡稱鋰電池）作為當前最常用的新型電池，具有比能量高、存儲能量密度高、使用壽命長、便攜性好、綠色環保等優點[1]。鋰電池如果充電和放電電流過大，有可能會損傷電池的內部結構，造成電池蓄電能力下降，保護電路能對電池充放電電流進行限制[2]。為防止電池出現過充、過放和過電流狀態，保證電池安全高效地工作，避免出現損壞現象，在鋰電池組中安裝保護電路顯得尤為重要[3-4]。陽瑞新[5]等人設計了一款采用7805穩壓管、LM2596 開關穩壓管和電壓比較器結構的保護電路。張洪濤[6-7]等人設計了一款基于STM32處理器的電池保護電路，主要使用STM32 處理器和X3100 電池保護芯片；孔少挺[8]等人設計了一款基于HT45F4M 單片機的移動電源，主要運用脈沖寬度調制技術，具有自動充放電功能。

本文提出了一款基于HT66F004 單片機的電池保護電路設計，采用新型HT66F004 單片機為控制核心，具有多個通道的12 位A/D 轉換器以及優秀的抗干擾和ESD 保護性能，確保單片機能在惡劣的電磁環境下可靠運行。

1 保護電路總體設計

電池保護電路總體設計如圖1 所示。以HT66F004 單片機為主控制器，通過采集電壓信號，判斷電池的運作狀態，并控制MOS 管的開閉，保護電池過充或過放。

圖1 保護電路總體設計Fig.1 Overall design of protection circuit

電壓檢測主要采集充電時的充電電壓、單體電池電壓和電池組電壓；電流檢測主要檢測放電回路中是否存在短路的情況，避免因回路中電流過大而造成電池損壞；溫度檢測主要檢測電池組所在的環境溫度，過高或過低都不能充分發揮電池的功效。

2 保護電路硬件設計

保護電路分為電源供電電路、過充電保護電路、過放電保護電路、過電流保護電路和溫度保護電路。整個保護電路如圖2 所示。

圖2 保護電路硬件設計Fig.2 Protection circuit hardware design

2.1 電源供電電路設計

電源供電電路如圖3 所示。電源供電來源有2 個，一是充電時充電電壓，二是電池組電壓。電源芯片選用合泰系列芯片HT7550，輸入電壓范圍為-0.3～26.0 V，輸出為5 V，精度為±5%，受溫度影響小，為單片機提供穩定電源，電容起濾波作用。

圖3 電源供電電路Fig.3 Power supply circuit

2.2 過充電保護電路設計

過充電保護電路如圖4 所示。當電池組檢測到電池電壓低于規定上限值時，說明電池組可以進行充電。充電保護電路工作原理為：當電池組電壓低時，單片機的NET-3 引腳輸出高電平，三極管Q6 導通，由于穩壓管ZD1 的存在，電阻R20 兩端有電壓差，從而使PMOS 管Q5 導通，電池組充電；同理，當電池組電壓達到上限值時，單片機采集到電池組達到規定電壓的上限值，引腳NET-3 輸出低電平，三極管Q6 截止，電阻兩端不存在壓差，MOS 管Q5 截止，停止對電池組充電。引腳NET-8和引腳Net-10 用于檢測充電電壓，LED1 用于放電過程顯示，LED2 用于充電過程顯示。

圖4 過充電保護電路Fig.4 Overcharge protection circuit

2.3 過放電保護電路設計

電池開關電路如圖5 所示，放電保護電路如圖6 所示。開關電路原理為：當按鍵S1 按下的瞬間，單片機引腳NET-1 檢測到低電平，計數器加1，同時NET-2 引腳從低電平轉變為高電平，三極管Q1 導通，器件引腳5 處為低電平，滿足三極管Q2導通條件，三極管Q2 導通，電池為整個電路供電。單片機引腳Net-6 檢測開關閉合后電池組的整體電壓，引腳Net-7 檢測電池組單體電池電壓，MOS管的柵極與電源相連接，也即一上電，MOS 管Q3就會導通。

圖5 開關電路Fig.5 Switch circuit

圖6 放電保護電路Fig.6 Discharge protection circuit

在開關導通的同時，單片機引腳9 輸出高電平，使MOS 管Q7 導通，外在回路閉合。MOS 管Q7 采用的是低邊驅動，可以很大程度上減少導通損耗和開關損耗。放電保護回路原理為：當單片機引腳Net-6 和Net-7 檢測到電池組電壓小于規定下限值時，單片機引腳9 會輸出低電平，斷開外在回路，減少電池組的損壞。

2.4 過電流保護電路設計

過電流保護電路如圖7 所示。該電路和放電保護電路類似，共用開關MOS 管Q7，減少電路的復雜性，提高電路的實用性。過電流保護電路原理為：在外在回路中加一個0.15 mΩ 的采樣電阻，單片機引腳10 采集采樣電阻上的電壓值。當回路中電流變大時，相應回路中采樣電阻的電壓也會變大，單片機引腳9 輸出低電平，使MOS 管Q7 斷開，從而起到保護電池組的作用。

圖7 過電流保護電路Fig.7 Overcurrent protection circuit

2.5 溫度保護電路設計

溫度保護電路如圖8 所示。該電路是溫度采集電路，控制電路與上述放電保護控制電路類似。溫度保護電路原理為：RT1 為熱敏電阻，用于采集電池組所在的環境溫度，輸入到單片機引腳15 A/D 轉換口，電阻和電容起濾波作用。放電過程中，當檢測到溫度超過一定數值時，單片機引腳9 同樣會輸出低電平，使MOS 管Q7 斷開；充電過程中，當溫度超過一定數值時，單片機引腳4 會輸出低電平，使MOS 管Q5 斷開。

圖8 溫度電路保護設計Fig.8 Temperature circuit protection design

3 保護電路軟件設計

3.1 充電程序設計

充電流程圖如圖9 所示。當電池組電壓＜6 V時，進行100 mA 的涓流充電；當電池組電壓＞6 V且＜8 V 時，進行恒流充電；當電池電壓＞8 V 時，進行恒壓充電。當充電電流＜50 mA 時，表明電池組充滿，斷開充電。

圖9 充電流程圖Fig.9 Charging flow chart

3.2 放電程序設計

放電流程圖如圖10 所示。放電程序檢測電池組電壓、回路電流和環境溫度指標，優先級由高到低。當電池組檢測到電壓＜6 V，斷開開關，停止放電；當回路中電流檢測到過高（＞2A）或過低（＜50 mA）時，停止放電；當檢測到環境溫度超過60℃時，不利于電池組安全高效地放電，應停止放電，待溫度降下去后，再重新放電。

圖10 放電流程圖Fig.10 Discharge flow chart

4 試驗結果

充放電試驗如圖11 所示。經過軟硬件調試，最終制作出實物電路進行測試，該電路在電池組充放電過程中均很好完成電池保護。充電試驗中，觀察到當電池組充到8 V 之后，電流開始逐漸減小，當充電電流＜50 mA 時，停止充電；放電試驗中，改變電壓、電流和溫度指標后，均能實現自動斷開放電。試驗表明，該電路可以實現對電池組的電路保護功能。

圖11 充放電試驗圖Fig.11 Charge and discharge test diagram

5 結語

本文詳細介紹了基于HT66F004 單片機的電池保護電路設計，與以往保護電路相比，該電路具有簡捷實用的特點。采用軟硬件結合的開關電路保護，大大提高電池組的安全性能。主芯片采用合泰系列的單片機，具有低功耗、高性能特點。試驗驗證了該保護電路對電池組過充、過放和溫度的保護，具有體積小、便攜等特點，符合當代電子化趨勢。