C8051F310锂电池智能控制方案

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锂离子电池智能充电器硬件的设计　技术分类：　电源技术　｜　２００８－０７－２８ 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，　并通过　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、镍氢、镍镉还是　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 所有电池都是通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　１０００ｍＡｈ　的电池在充电电流为　１０００ｍＡ　时，可以充电　１Ｃ（电池容量的　１　倍）也可以用　１／５０Ｃ（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，低充电电流通常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，　容积充电通常用在充电的中级阶　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，通常充电时间的绝　大部分都是消耗在这一阶段，可以通过监测电流、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，同时检测最低电流。

镍镉、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）　则可以解决这个问题，　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，　并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。

图　１　锂离子电池充电模块图　单片机通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　〈０．５　（　μＡ）。

　②供电电压　ａ．典型工作电流：５ｍＡ、２５ＭＨｚ；　ｂ．典型停机电流：０．１μＡ；　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，Ｐ０．３　口提供充电电源，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。

图　２　控制电路接线图 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。

　２　０ （请您对文章做出评价） 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。

图　３　充电电路与检测电路图　①充电过程曲线　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。

图　４　锂电池充电曲线　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，　通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。

　快速调节器的操作是通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＜ＶＲＥＦ　时，一个比较器会将开关闭合（参见图　５ａ），电流流　入电池和电容　Ｃ，这个电流同时也存储在电感　Ｌ　中。

ＶＢＡＴＴ　持续升高，直到超过　ＶＲＥＦ，调节　此时比较器将开关断开（参见图　５ｂ），存储在电感中的电流迅速下降直到二极管偏置，使得电　感电流以减速度流入电池，电容　Ｃ　在电感电流衰减后开始放电。

并且最后　ＶＢＡＴＴ　开始下降，　当　ＶＢＡＴＴ　低于　ＶＲＥＦ　时，比较器再次将开关闭合并开始另一次循环。

　在较大的范围内如果减小　占空缩短闭合的时间，平均电压就会下降，反之亦然。

因此可以通过控制占空比的方法调节　电压或电流至所需要的值。

ａ　开关闭合 ｂ　开关打开　图　５　快速转换器操作　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，电感量越小，其阻碍能力越小。

另外，在电感量一定的情况下，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，电感有阻止交流电通过的特性。

　其工作原理是这样的：　当负载两端的电压要降低时，　通过　ＭＯＳＦＥＴ　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，通过　ＭＯＳＦＥＴ　场效应管的开关作用，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　电源通过　ＭＯＳＦＥＴ　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　（１） 至此就可以选择一个　ＰＷＭ　的转换频率（如方程式　２　所示）ＰＷＭ　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　２４．５ＭＨｚ　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） 现在我们可以计算电感的大小了，假定充电电压　Ｖｉ　的值为　１５Ｖ，饱和电压　Ｖｓａｔ　的值为　０．５Ｖ，需要获得的输出电压值为　４．２Ｖ，并且最大输出电流　ＩＯＭＡＸ　为　１５００ｍＡ，那么，电感的　值至少应选为　１８Ｈ。

　需要注意的是：　在本电路中的电容仅仅是一个纹波衰减器，　因为纹波与电容的大小成反　比例关系，所以电容的值越大，衰减效果越好。

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，并通　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　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、镍氢、镍镉还是　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 所有电池都是通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　１０００ｍＡｈ　的电池在充电电流为　１０００ｍＡ　时，　可以充电　１Ｃ（电　池容量的　１　倍）也可以用　１／５０Ｃ（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，低充电电流通常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，容积充电通常用在充电的中级阶段，　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，　通常充电时间的绝大部　分都是消耗在这一阶段，可以通过监测电流、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，同时检测最低电流。