鑒于市場(chǎng)上鎳鎘電池和鋰離子電池共存的局面，本文設(shè)計(jì)的充電器可以對(duì)這兩種電池進(jìn)行充電，對(duì)鎳鎘電池包采用脈沖充電方式，對(duì)鋰離子電池包采用恒流充電方式，這是根據(jù)電池的不同機(jī)理而設(shè)計(jì)的，真正做到了一機(jī)兩用，此為該充電器的創(chuàng)新點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。充電器的寬屏LCD可以同時(shí)顯示4組充電器的充電狀態(tài)，也可單獨(dú)顯示一組充電器上電池的各項(xiàng)參數(shù)，做到了對(duì)電池充電過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是：

1.可同時(shí)對(duì)4組8.4V的鋰離子電池或9.2V的鎳鎘電池進(jìn)行充放電。

2.可與電池包中的芯片通信，判斷電池的化學(xué)性質(zhì)。

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

點(diǎn)擊詳情

3.有關(guān)不同化學(xué)性質(zhì)的電池，將采用相應(yīng)的充電方式。

4.可與電池包中的芯片通信，得到該電池包的電壓、充電電流、容量等參數(shù)。

5.充電器帶有LCD,可顯示電池的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

該充電器的功能框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖

無(wú)人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

點(diǎn)擊詳情

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1總控單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

總控單元是由微控制器pIC16F873和鍵盤控制芯片ZLG7289A構(gòu)成的。緊要任務(wù)是負(fù)責(zé)與各個(gè)充電單元通信，并解決用戶輸入與LCD顯示信息。鍵盤控制芯片在這里負(fù)責(zé)6個(gè)按鍵和12個(gè)LED的控制。

ZLG7289A與微控制器之間通過(guò)SpI總線進(jìn)行雙向通信。主控單元每秒查詢一次各個(gè)充電單元，獲取當(dāng)前充電單元的信息，如有無(wú)電池、電池性質(zhì)、電池電壓等。之后由LCD模塊向用戶顯示。

2.2充電單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Tp8002鋰離子電池

充電控制芯片

Tp8002是一款高效獨(dú)立開關(guān)模式鋰離子電池充電控制器。該控制器有4.2V和8.4V兩個(gè)版本。

Tp8002-8.4具有500kHz開關(guān)頻率，是高效電流模式的pWM控制器。通過(guò)驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部p溝道MOSFET,它可以供應(yīng)4A的充電電流，而效率可高達(dá)90%.輸出電壓設(shè)置為8.4V,最終浮動(dòng)電壓并具1%的精度，而充電準(zhǔn)確度為5%.此外，該器件可在9V~22V范圍內(nèi)的多種墻上適配器上運(yùn)行。與遲滯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)充電器相比，Tp8002-8.4的快速運(yùn)行頻率與電流模式架構(gòu)使之能夠使用小型電感器和電容器。

2.3鋰離子/鎳鎘電池兩用

充電單元的總體設(shè)計(jì)

從前面對(duì)Tp8002的分解可知，該芯片是針對(duì)鋰離子電池的充電控制器，要實(shí)現(xiàn)對(duì)鎳鎘電池充電要處理以下問(wèn)題：首先，Tp8002對(duì)電池電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證電池電壓不超過(guò)8.4V.但有關(guān)鎳鎘電池包，充電截止電壓可以達(dá)到9.2V.其次，鎳鎘電池充電即將結(jié)束時(shí)，要對(duì)電池進(jìn)行以正常電流30%和10%的涓流充電。所以，第二個(gè)要處理的問(wèn)題是要怎么樣控制恒流充電的電流大小。此外，對(duì)鎳鎘電池充電應(yīng)使用脈沖充電方式。即以1s為周期，95%的時(shí)間用來(lái)充電，1%的時(shí)間用來(lái)放電，其余時(shí)間不充電也不放電。最后，要怎么樣判斷某一個(gè)電池是鋰離子電池還是鎳鎘電池，因?yàn)槿舭唁囯x子電池誤判為鎳鎘電池，會(huì)使充電電壓高于8.4V,這對(duì)鋰離子電池是十分危險(xiǎn)的，而將鎳鎘電池誤判為鋰離子電池，則可能造成電池充電不足。因此，非得保證極低的誤判率。

本部分依據(jù)Tp8002的工作原理，設(shè)計(jì)了既可以對(duì)鋰離子電池進(jìn)行恒流-恒壓充電，又可以對(duì)鎳鎘電池進(jìn)行脈沖式充電的電路。充電單元的總體功能框圖如圖2所示。其中，信號(hào)調(diào)理電路使充電器既可以對(duì)8.4V的鋰離子電池充電，又可以對(duì)9.2V的鎳鎘電池充電，同時(shí)也起到控制充電電流大小的用途。

圖2充電單元的總體功能框圖

利用微控制器控制Tp8002的工作狀態(tài)，配合放電電路使充電器可以對(duì)鎳鎘電池進(jìn)行脈沖方式充電。

微控制器通過(guò)一定的通信協(xié)議(HDQ16)與智能電池通信，確定其容量、化學(xué)性質(zhì)等關(guān)鍵參數(shù)。

2.5信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

為了使Tp8002可對(duì)高于8.4V的電池進(jìn)行恒流充電，并可調(diào)節(jié)充電電流，在Tp8002的bAT和SENSE端與采樣電阻之間加入一級(jí)信號(hào)調(diào)理電路。該電路的緊要功能是對(duì)采樣電阻兩端的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，針對(duì)不同化學(xué)性質(zhì)的電池，將相應(yīng)的信號(hào)送給Tp8002.該信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

圖3信號(hào)調(diào)理電路的功能圖

這里含義采樣電阻兩端的電壓值是VbAT和Vsense,那么充電電流在采樣電阻上的壓降VRS為：VRS=Vsense-VbAT,該信號(hào)為減法器的輸出。設(shè)乘法器的乘系數(shù)為K,那么乘法器的輸出為KVRS.有關(guān)鋰子電池，二選一開關(guān)將選通電池電壓VbAT;有關(guān)鎳鎘電池，二選一開關(guān)將選通7V恒定電壓。這里設(shè)二選一模擬開關(guān)的輸出為V1,那么加法器的輸出Vs應(yīng)為：Vs=KVRS+V1,這樣一來(lái)，送到Tp8002的bAT和SENSE兩端的電壓之差應(yīng)為KVRS.只要正確控制K值，就可以使充電電流為正常充電電流的1/K.因此，可以通過(guò)二選一開關(guān)控制電流為恒流充電時(shí)的10%或30%.

有關(guān)Tp8002的bAT端輸入值，當(dāng)開關(guān)選通鋰離子電池時(shí)，bAT的輸入即是電池電壓。此時(shí)，Tp8002可以控制整個(gè)鋰離子的充電過(guò)程。不需任何外界的干預(yù)。

當(dāng)開關(guān)選通了7V恒定電壓后，bAT端的輸入恒定為7V,此時(shí)，Tp8002無(wú)法了解電池的真切電壓，只認(rèn)為電池電壓為7V.所以，盡管電池電壓高于8.4V,仍會(huì)以恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電。在這種情況下，要微控制器的干預(yù)，否則，會(huì)造成電池的過(guò)充。由于微控制器內(nèi)部帶有ADC,可以監(jiān)測(cè)電池電壓的變化。當(dāng)電池電壓達(dá)到指定值時(shí)，減小充電電流，直至電池洋溢。這樣就可以對(duì)9.2V的鎳鎘電池進(jìn)行充電了。

2.5脈沖充放電電路的設(shè)計(jì)

由于Tp8002是恒流充電控制芯片，因此，非得使用微控制器控制其充電使能引腳COMp.當(dāng)要Tp8002輸出充電脈沖時(shí)，使控制COMp引腳的端口變?yōu)楦咦钁B(tài)，使COMp引腳自行升至360mV以上時(shí)，便有充電電流輸出。放電時(shí)，非得將COMp引腳拉低，使Tp8002關(guān)斷充電電流。之后，再打開放電電路。微控制器選用pIC16F873,它是一款基于Flash的8位微控制器。內(nèi)部有按時(shí)器、看門狗電路、10位ADC等模塊。微控制器以1s為周期對(duì)鎳鎘電池進(jìn)行脈沖充放電。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

充電單元中的微控制器緊要負(fù)責(zé)充電過(guò)程的控制和與總控板的通信，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序流程如圖4所示。充電單元首先判斷是不是有電池，倘若有電池放入，則判斷充放電狀態(tài)，默認(rèn)是充電狀態(tài)，該狀態(tài)可由總控單元改變。若充電單元處于充電狀態(tài)，則持續(xù)判斷電池的化學(xué)性質(zhì)，針對(duì)不同的電池采用不同的充電方式。若處于放電狀態(tài)，則對(duì)電池包進(jìn)行放電，直到電池電壓低于閾值電壓后，轉(zhuǎn)為充電狀態(tài)。

圖4充電單元主程序流程圖

除主程序外，總控單元與充電單元的通信是在中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)充電單元收到總控單元的指令后，進(jìn)入中斷。若指令是查詢數(shù)據(jù)指令，則向總控單元發(fā)送要的數(shù)據(jù)。若是充電狀態(tài)設(shè)置指令，則根據(jù)指令設(shè)置充電單元的充電狀態(tài)。

4通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)與電池包中電能計(jì)量芯片通信的辦法來(lái)判斷電池的性質(zhì)。本系統(tǒng)可以與遵循HDQ16接口協(xié)議的智能電池包進(jìn)行通信，除了電池包的化學(xué)性質(zhì)外，還可以將電池包的容量、電壓、充電電流、編號(hào)等數(shù)據(jù)一并讀取，供充電器顯示之用。

充電單元可以通過(guò)HDQ總線對(duì)智能電池進(jìn)行讀操作。HDQ16接口協(xié)議是基于指令的協(xié)議。一個(gè)解決器發(fā)送8位指令碼給智能電池，這個(gè)8位的指令碼由兩部分組成，7位HDQ16指令碼(位0~6)和1位讀/寫指令。讀/寫指令指示智能電池存儲(chǔ)接下來(lái)的16位數(shù)據(jù)到一個(gè)指定的寄存器，或者從指定的寄存器輸出16位數(shù)據(jù)。在HDQ16里，數(shù)據(jù)字節(jié)(指令)或者字(數(shù)據(jù))的最不緊要的位會(huì)優(yōu)先傳輸。

一個(gè)塊的傳輸包括三個(gè)不同的部分。第一部分經(jīng)由主機(jī)或者智能電池把HDQ16引腳置邏輯低狀態(tài)一個(gè)tSTRH:b時(shí)間后開始發(fā)送。接下來(lái)的部分是真正的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)位在tDSU:b時(shí)間間隔里是有效的，負(fù)邊界用來(lái)開始通信。數(shù)據(jù)位被保持一個(gè)tDH:DV時(shí)間間隔，以便準(zhǔn)許主機(jī)或智能電池采樣數(shù)據(jù)位。

在負(fù)邊界開始通信后，最后一部分通過(guò)返回給HDQ16引腳一個(gè)邏輯高狀態(tài)，至少保持tSSU:b時(shí)間間隔來(lái)停止傳輸。最后一個(gè)邏輯高狀態(tài)非得保持一個(gè)tCYCH:b時(shí)間間隔，以便有時(shí)間讓塊傳輸完全停止。

倘若發(fā)生通信錯(cuò)誤(e.g.,tCYCb250ms)，主機(jī)就發(fā)送給智能電池一個(gè)brEAK信號(hào)，讓其控制串行接口。當(dāng)HDQ16引腳在一個(gè)時(shí)間間隔，或者更長(zhǎng)時(shí)間里為邏輯低狀態(tài)時(shí)，智能電池就會(huì)偵測(cè)brEAK.然后，HDQ16引腳回到其正常預(yù)設(shè)高邏輯狀態(tài)一個(gè)tbr時(shí)間間隔。然后，智能電池就準(zhǔn)備從主機(jī)那里接收指令。

5結(jié)語(yǔ)

本辦法中解析的充電系統(tǒng)從技術(shù)上很好地處理了上述問(wèn)題，通過(guò)LCD顯示屏可以清晰便捷地讀出電源的剩余容量、已有充放電次數(shù)、充電及放電電流、電池電壓、容量統(tǒng)計(jì)和電池特性等緊要內(nèi)容，并且通過(guò)設(shè)定，可以判斷電源是不是達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)提醒操作者更新電源。相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)證，本辦法具有較強(qiáng)的實(shí)用性。