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一機兩用的鋰離子電池充電系統(tǒng)的設計辦法

鉅大LARGE  |  點擊量:942次  |  2021年08月08日  

鑒于市場上鎳鎘電池和鋰離子電池共存的局面,本文設計的充電器可以對這兩種電池進行充電,對鎳鎘電池包采用脈沖充電方式,對鋰離子電池包采用恒流充電方式,這是根據(jù)電池的不同機理而設計的,真正做到了一機兩用,此為該充電器的創(chuàng)新點,也是設計的難點。充電器的寬屏LCD可以同時顯示4組充電器的充電狀態(tài),也可單獨顯示一組充電器上電池的各項參數(shù),做到了對電池充電過程的實時監(jiān)測。


1系統(tǒng)整體設計


系統(tǒng)設計目標是:


1.可同時對4組8.4V的鋰離子電池或9.2V的鎳鎘電池進行充放電。


2.可與電池包中的芯片通信,判斷電池的化學性質(zhì)。

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符合Exic IIB T4 Gc防爆標準

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%

3.有關(guān)不同化學性質(zhì)的電池,將采用相應的充電方式。


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)總體設計的結(jié)構(gòu)圖

無人船智能鋰電池
IP67防水,充放電分口 安全可靠

標稱電壓:28.8V
標稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應用領域:勘探測繪、無人設備

2系統(tǒng)硬件設計


2.1總控單元的設計與實現(xiàn)


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


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


2.2充電單元的設計與實現(xiàn)


Tp8002鋰離子電池


充電控制芯片


Tp8002是一款高效獨立開關(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。通過驅(qū)動一個外部p溝道MOSFET,它可以供應4A的充電電流,而效率可高達90%.輸出電壓設置為8.4V,最終浮動電壓并具1%的精度,而充電準確度為5%.此外,該器件可在9V~22V范圍內(nèi)的多種墻上適配器上運行。與遲滯拓撲結(jié)構(gòu)充電器相比,Tp8002-8.4的快速運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


充電單元的總體設計


從前面對Tp8002的分解可知,該芯片是針對鋰離子電池的充電控制器,要實現(xiàn)對鎳鎘電池充電要處理以下問題:首先,Tp8002對電池電壓進行監(jiān)測,保證電池電壓不超過8.4V.但有關(guān)鎳鎘電池包,充電截止電壓可以達到9.2V.其次,鎳鎘電池充電即將結(jié)束時,要對電池進行以正常電流30%和10%的涓流充電。所以,第二個要處理的問題是要怎么樣控制恒流充電的電流大小。此外,對鎳鎘電池充電應使用脈沖充電方式。即以1s為周期,95%的時間用來充電,1%的時間用來放電,其余時間不充電也不放電。最后,要怎么樣判斷某一個電池是鋰離子電池還是鎳鎘電池,因為若把鋰離子電池誤判為鎳鎘電池,會使充電電壓高于8.4V,這對鋰離子電池是十分危險的,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,設計了既可以對鋰離子電池進行恒流-恒壓充電,又可以對鎳鎘電池進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,信號調(diào)理電路使充電器既可以對8.4V的鋰離子電池充電,又可以對9.2V的鎳鎘電池充電,同時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鎳鎘電池進行脈沖方式充電。


微控制器通過一定的通信協(xié)議(HDQ16)與智能電池通信,確定其容量、化學性質(zhì)等關(guān)鍵參數(shù)。


2.5信號調(diào)理電路的設計


為了使Tp8002可對高于8.4V的電池進行恒流充電,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信號調(diào)理電路。該電路的緊要功能是對采樣電阻兩端的信號進行運算,針對不同化學性質(zhì)的電池,將相應的信號送給Tp8002.該信號調(diào)理電路如圖3所示。


圖3信號調(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,該信號為減法器的輸出。設乘法器的乘系數(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。這里設二選一模擬開關(guān)的輸出為V1,那么加法器的輸出Vs應為:Vs=KVRS+V1,這樣一來,送到Tp8002的bAT和SENSE兩端的電壓之差應為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,可以通過二選一開關(guān)控制電流為恒流充電時的10%或30%.


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


當開關(guān)選通了7V恒定電壓后,bAT端的輸入恒定為7V,此時,Tp8002無法了解電池的真切電壓,只認為電池電壓為7V.所以,盡管電池電壓高于8.4V,仍會以恒定電流對電池進行充電。在這種情況下,要微控制器的干預,否則,會造成電池的過充。由于微控制器內(nèi)部帶有ADC,可以監(jiān)測電池電壓的變化。當電池電壓達到指定值時,減小充電電流,直至電池洋溢。這樣就可以對9.2V的鎳鎘電池進行充電了。


2.5脈沖充放電電路的設計


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.當要Tp8002輸出充電脈沖時,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,便有充電電流輸出。放電時,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)部有按時器、看門狗電路、10位ADC等模塊。微控制器以1s為周期對鎳鎘電池進行脈沖充放電。


3系統(tǒng)軟件設計


充電單元中的微控制器緊要負責充電過程的控制和與總控板的通信,系統(tǒng)軟件設計程序流程如圖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)判斷電池的化學性質(zhì),針對不同的電池采用不同的充電方式。若處于放電狀態(tài),則對電池包進行放電,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程序中實現(xiàn)的。當充電單元收到總控單元的指令后,進入中斷。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)設置指令,則根據(jù)指令設置充電單元的充電狀態(tài)。


4通信協(xié)議的實現(xiàn)


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


充電單元可以通過HDQ總線對智能電池進行讀操作。HDQ16接口協(xié)議是基于指令的協(xié)議。一個解決器發(fā)送8位指令碼給智能電池,這個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接下來的16位數(shù)據(jù)到一個指定的寄存器,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))的最不緊要的位會優(yōu)先傳輸。


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


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


倘若發(fā)生通信錯誤(e.g.,tCYCb250ms),主機就發(fā)送給智能電池一個brEAK信號,讓其控制串行接口。當HDQ16引腳在一個時間間隔,或者更長時間里為邏輯低狀態(tài)時,智能電池就會偵測brEAK.然后,HDQ16引腳回到其正常預設高邏輯狀態(tài)一個tbr時間間隔。然后,智能電池就準備從主機那里接收指令。


5結(jié)語


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題,通過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)計和電池特性等緊要內(nèi)容,并且通過設定,可以判斷電源是不是達到報廢標準,及時提醒操作者更新電源。相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗證,本辦法具有較強的實用性。


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