锂离子电池智能充电器硬件方案

锂离子电池智能充

电器硬件方案

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锂离子电池智能充电器硬件的设计

锂离子电池具有较高的能量重量和能量体积比，无记忆效应，可

重复充电次数多，使用寿命长，价格也越来越低。一个良好的充

电器可使电池具有较长的寿命。利用C8051F310单片机设计的智

能充电器，具有较高的测量精度，可很好的控制充电电流的大

小，适时的调整，并可根据充电的状态判断充电的时间，及时终

止充电，以避免电池的过充。

本文讨论使用C8051F310器件设计锂离子电池充电器的。利

用PWM脉宽调制产生可用软件控制的充电电源，以适应不同阶

段的充电电流的要求。温度传感器对电池温度进行监测，并经过

AD转换和相关计算检测电池充电电压和电流，以判断电池到达

哪个阶段。使电池具有更长的使用寿命，更有效的充电方法。

设计过程

1充电原理

电池的特性唯一地决定其安全性能和充电的效率。电池的最

佳充电方法是由电池的化学成分决定的〈锂离子、银氢、银镉还是

SLA电池等）。尽管如此，大多数充电方案都包含下面的三个阶

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段：

•低电流调节阶段

•恒流阶段

•恒压阶段/充电终止

所有电池都是经过向自身传输电能的方法进行充电的，一节

电池的最大充电电流取决于电池的额定容量＜C）例如，一节容量

为lOOOmAh的电池在充电电流为1000mA时,能够充电1C（电池

容量的1倍,也能够用l/50C（20mA＞或更低的电流给电池充电。尽

管如此，这只是一个普通的低电流充电方式，不适用于要求短充

电时间的快速充电方案。

现在使用的大多数充电器在给电池充电时都是既使用低电流

充电方式又使用额定充电电流的方法，即容积充电，低充电电流

一般使用在充电的初始阶段。在这一阶段，需要将会导致充电过

程终止的芯片初期的自热效应减小到最低程度，容积充电一般见

在充电的中级阶段，电池的大部分能量都是在这一阶段存储的。

在电池充电的最后阶段，一般充电时间的绝大部分都是消耗在这

一阶段，能够经过监测电流、电压或两者的值来决定何时结束充

电。同样，结束方案依赖于电池的化学特性，例如：大多数锂离

子电池充电器都是将电池电压保持在恒定值，同时检测最低电

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流。银镉、NiCd电池用电压或温度的变化率来决定充电的结束时

间。

充电时部分电能被转换成热能，直至电池充满。而充满后，

所有的电能将全部被转换成热能。如果此时不终止充电，电池就

会被损坏或烧毁。快速充电器电池〈完全充满的时间小于两小时的

充电器）则能够解决这个问题，因为这些充电器是使用高充电电

流来缩短充电时间的。因此，对于锂离子电池来说，监测它的温度

是至关重要的，因为电池在过充电时会发生爆裂，在所有的充电

阶段都应该随时监测温度的变化，而且在温度超过最大设定值时

立即停止充电。

2总体设计

充电电路由三部分：控制部分，检测部分及充电部分组成。

如图1所示，采用F310单片机进行充电控制，单片机本身具有脉

宽调制PWM型开关稳压电源所需的全部功能，具有10位A/D转

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换器。利用单片机A/D端口，构成电池电压，电流，温度检测电

路。

单片机经过电压反馈和电流反馈信号，直接利用PWM输出

将数字电压信号并转化成模拟电压信号，能够保证控制精度。

3控制部分电路设计

C8051F310单片机

①模拟外设

a.10位ADC：转换速度可达200ks/s,可多达21或17个外部

单端或差分输入，VREF可在外部引脚或VDD中选择，内置温度

传感器<±3℃),外部转换启动输入；

b.两个模拟比较器：可编程回差电压和响应时间，可配置为

中断或复位源，小电流v<0.5pA)o

②供电电压

a.典型工作电流：5mA、25MHz；

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b.典型停机电流：O.lgA；

c.温度范围：-40〜+85℃。

③高速8051微控制器内核

a.流水线指令结构：70%的指令的执行时间为一个或两个系统

时钟周期；

b.速度可达25MI/s＜时钟频率为25MHz时)；

c.扩展的中断系统。

④数字外设

a.29/25个端口I/O：所有的口线均耐5V电压；

b.4个通用16位计数器/定时器；

c.16位可编程计数器/定时器阵列＜PCA),有5个捕捉/比较

模块；

d.使用PCA或定时器和外部时钟源的实时时钟方式。

控制电路中如图2所示，PO.3rl提供充电电源，P0.6口检测

充电电压的大小，P0.5口检测充电电流的大小，P0.4口检测电池

的温度。

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充电电流由单片机脉宽调制PWM产生，充电电流由AD转

换再经过计算得出。

4充电部分及检测部分电路设计

图3为充电电路与检测电路图

①充电过程曲线

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如图4所示，充电过程由预充状态，恒流充电状态和恒压充

电状态组成。

②快速转换器

实现渐弱终止充电器的最经济的方法就是用一个快速转换

器。快速转换器是用一个电感和/或一个变压器〈需要隔离的时候

用变压器）作为能量存储单元以离散的能量包的形式将能量从输

入传输至输出的开关调节器反馈电路，经过晶体管来调节能量的

传输，同时也作为过滤开关，以确保电压或电流在负载时保持恒

定。

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开关打开

a开关闭合b开关打开

快速调节器的操作是经过控制一个晶体管开关的占空比来实

现的。占空比会自动增加以使电池流入更多的电流。当VBATT

③电感的确定

电感对交流电是有阻碍作用的。在交流电频率一定的情况

下，电感量越大，对交流电的阻碍能力越强??一定的情况下，交

流电的频率越高，电感对交流电的阻碍能力越大，频率越低，电

感对交流电的阻碍能力越小。也就是说，电感有阻止交流电经过

的特性。

其工作原理是这样的：当负载两端的电压要降低时，经过M

OSFET场效应管的开关作用，外部电源对电感进行充电并达到所

需的额定电压。当负载两端地电压升高时，经过MOSFET场效应

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管的开关作用，外部电源供电断开，电感释放出刚才充入的能

量，这时电感就变成了电源继续对负载供电。随着电感上存储的

能量地消耗。负载两端的电压开始逐渐降低，外部电源经过MOS

FET场效应管的开关作用又要充电。依次类推在不断的充电和放

电的过程中形成了一种稳定的电压，永远使负载两端地电压不会

升高也不会降低，这就是开关电源的最大优势。

要确定快速转换器中电感的大小首先应假定晶体管的占空比

为50%,因为此时的转换器操作操作效率最高。占空比由方程式

1给出：

（其中T是PWM的周期在程序示例中T=10.5s）

占空比=ton/T<l）

至此就能够选择一个PWM的转换频率<如方程式2所示）P

WM的转换频率越大，则电感的值越小，也越节约成本。

我的示例代码配置F310的8位硬件PWM是使用内部24.5M

Hz主时钟的256分频来产生一个95.7kHz的转换速率。

L=<Vi-Vsat-Voton)/2Iomax<2)

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