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单片机锂离子电池快速充电器设计.docx

发布时间：2022-06-25 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.28M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    基于 51 单片机的锂离子电池智能快速充电器设计 【摘要】 随着物联网的快速发展，各种终端设备被使用，大多终端的供电 采用轻便的锂离子电池进行供电，该设计针对锂离子电池，利用单片 机对充电全过程进行控制、监控，本文基于 C8051F000 单片机（silicon labs 公司生产的 51 单片机）设计，其他类型的单片机设计与此类似。 本设计使用单片机片上高速 ADC 监测充电电压、最大限度地提高充 电效率和电池寿命。利用单片机片内比较器和 PWM 输出来实现高速 变压。 【关键字】 单片机 C8051F、电压转换、智能、PWM、充电器、原理图、源 程序 1 / 12
    目录 一、设计分析............................................................................................................................ 3 二、硬件设计............................................................................................................................ 4 1、充电曲线...........................................................................................................................4 2、变压器设计.......................................................................................................................5 3、BUCK 变压器.....................................................................................................................5 4、BUCK 变压器电感选择.....................................................................................................6 5、快速充电器设计...............................................................................................................7 三、软件设计............................................................................................................................ 8 1、算法说明...........................................................................................................................8 2、温度监控...........................................................................................................................9 3、电流监控...........................................................................................................................9 4、电压检测.........................................................................................................................10 四、设计参数说明.................................................................................................................. 11 2 / 12
    一、设计分析 电池的最佳充电方法取决于电池本身的化学性质（锂离子、镍铬、 镍氢等），但是大多数智能充电平台都采用三段充电模式：  电流调节阶段  恒流阶段  恒压阶段/终止充电 V Pos (+) 8k FLASH, PWM, 温度传感器, LED V Neg (-) LDO 逆变器 PWM Out 8051F300 单片机 AIN1 - Voltage 电 阻 分 压 锂离子电池 AIN2 - Current Amplifier 采样电阻 图 1. 锂离子充电器模块图 所有的电池都是通过转移电能来充电的，电池的最大充电电流取 决于电池的额定电容(C)，例如，电池容量为 1000mAh 的电池，如果 充电电流为 1000mA，则称为以 1C(电池容量的 1 倍)充电，电池可以 在 1/50C(20 毫安)或更低充电，但这是一种常见的滴速充电率，在需 要短充电时间的快速充电方案中并不实用。 大多数现代充电器在给电池充电时同时使用滴充电和额定充电 （大容量充电），滴充电电流通常用于充电的初始阶段，以尽量减少 早期的自热导致充电终止；大容量充电通常用于电池能量恢复最多的 中间阶段。 3 / 12
    在电池充电的最后阶段(通常占充电时间的大部分)，要监测电流 或电压，或两者的结合，以确定何时充电完成。同样，终止的方式取 决于电池的化学性质。大多数锂离子电池充电器保持电池电压不变， 监测最小电流；镍镉电池使用电压或温度的变化率来决定何时终止。 充电时，部分电能转化为热能，电池充满电时，所有电能都转化 为热能。此时如果不停止充电，电池就会受损或彻底坏掉；快速充电 器(能在不到两小时内给电池充满电的充电器)加剧了这一问题，因为 这些充电器使用高充电电流来最小化充电时间。因此，监测电池的温 度是至关重要的，特别是对于锂离子电池，如果充电过量可能会爆炸。 在所有充电阶段都要监控温度，如果温度超过预设的最大限度，就要 立即停止充电。 二、硬件设计 1、充电曲线 锂离子电池具有较高的能量重量比、能量体积比，与其他化学材 料相比，锂离子电池目前是大多数应用场合最多的电池。大多数现代 线性锂离子充电器使用锥形充电 (见图 2)，以确保电池得到充分充电。 充电电压 充电电流 视情调节阶 段 Phase 4 / 12 电流调节阶段 电压调节阶段 时间 图2 锂离子电池充电图
    2、变压器设计 变压器最经济的方法是采用 BUCK 变压器，BUCK 变压器是一种 开关调节器，它使用电感器作为能量存储元件，将能量以离散包的形 式从输入端传输到输出端。反馈电路通过晶体管来调节能量传输，在 电路的负载范围内保持恒定电压或恒流。 图3 BUCK 变压器 3、BUCK 变压器 变压器通过控制晶体管开关的占空比来实现变压，充电占空比增 加，分配的充电电流增加。如图 3a 所示，比较器在 VBATT < VREF 时 闭合开关，电流流入电池和电容 C，同时也存储在电感器 L 中，VBATT 上升，直到超过 VREF，这时比较器打开开关(图 3b)，存储在电感器 中的电流迅速减小，直到二极管 D 正向偏置，导致电感器电流以减小 的速度流入电池，电容 C 在电感电流衰减后开始放电，最终 VBATT 开始下降。当 VBATT 低于 VREF 时，比较器再次打开开关，开始另一 个循环。在更大的范围内，如果占空比降低(更短的“接通”时间)， 平均电压就会降低，反之亦然。因此，通过控制占空比可使电压或电 5 / 12
    流恢复到所需的范围内。 4、BUCK 变压器电感选择 要确定变换器中电感的大小，首先要假设占空比为 50%，因为这 是变换器工作效率最高的地方。 占空比=on ，T 为 PWM 的周期，本文 T 设置为 10.5 S 在此基础上，选择 PWM 开关频率，如下面公式所示，PWM 开 关频率越大，电感器越小(且性价比更高)。后面的程序代码是使用 C8051F000 产生 510KHz 的开关频率。 L=（Vi−Vsat−Vo）ton 2max 按照公式来计算电感的大小，假设充电电压 Vi 为 15V，饱和电压 Vsat 为 0.5V，设计输出电压 Vo 为 4.2V，最大输出电流 Iomax 为 1500 mA，则电感 L 的值至少为 4 H。 这个电路中的电容只是一个滤波电容，可以选择大一点，因为纹 波与电容的大小成反比。 5、快速充电器设计 C8051F000 有 8 位的 PWM，可以产生 96KHz 的 PWM，该 PWM 输出可用于驱动变压器的开关通断，并给电池充电。96KHz 的频率需 要 BUCK 变压器接一个 18H 的大电感，为了降低电感的尺寸和成本， 就得增加 PWM 的频率。利用 C8051F300 的 PCA 功能，使用 PCA 的两 个模块，外加两个外置单级低通滤波器，以及片内比较器来生成 8 位 510kHz PWM(详见图 4)。通过将频率设置为 510KHz，电感可以减少到 4 H。 6 / 12
    VBAT IBAT TBAT CMP0 C8051F300 Module1 Module0 Comparator CEX1 CEX0 CMP+ CMP- High Speed PWM 图 4 高速充电器 直流控 制 l 伪 三 角 波 Buck Converter 为了产生一个 510kHz PWM，模块 0 的 PCA 配置为提供一个 510kHz 方波通过频率输出模式。然后这个方波通过一个低通滤波器 提供 500kHz 角频率，以提供约 2 伏峰峰值的伪三角波输入到单片机 内部比较器的正输入。对于比较器的负输入，模块 1 以 96kHz 的开关 速率配置为 8 位 PWM。这种 PWM 输出然后通过低通填充角频率约 为 15Hz，以创建一个简单的直流数模转换器。通过将伪三角波与直 流输入进行比较，比较器的输出变为 510kHz PWM。 通过改变 8 位 96kHz PWM 的占空比，比较器的负输入可以从 0 伏特到电源电压，通常是 3.3V。直流控制路径的精度受外部 RC 滤波 器的稳定时间的限制。 比较器输出的 510kHz PWM 的总体精度主要受到比较器伪三角 形路径的限制。假设直流路径是无误差的，要从比较器创建一个真正 的 8 位 510kHz PWM 输出，需要一个完美的线性全尺寸三角形波输入 到比较器的正输入。一个真正的全尺度三角形波是指一个三角形波从 7 / 12
    0 伏线性下降到正电源，然后以类似的方式返回负电源。然而，电容 器在低通态下的充放电曲线在时间常数之后不是线性的。此外，最好 不要让这个电容完全充电，因为伪三角波变得更加非线性。限制总的 充电时间/电压限制了 510kHz PWM 的总体精度，例如，如果我们将 一个峰值到峰值电压为直流控制路径电压的1/4 的三角形波进行比较， 我们可以产生一个 2 位 510kHz PWM 输出，在实际应用中，2 位 510kHz 的使用非常有限。要提高准确度，需要以下两项改变之一: 1)增加伪三角波电压 2)提高直流路径 PWM 控制的分辨率。 如前所述，通过调整伪三角波的低通滤波器分量，可以很容易地 提高伪三角波的峰值电压。本文是提供一个约 2 伏特峰至峰伪三角波。 与 8 位 PWM 直流控制路径相比，我们在 510kHz 开关速率下实现了 大约 7.5 位的性能。 通过将模块 1 配置为 16 位 PWM，可以很容易地提高高速 PWM 输出的整体分辨率。 三、软件设计 1、算法说明 下面后面软件是基于 C8051F300 的锂离子电池充电器，使用 C 语言编写。 为了保证精确的电压和电流测量，该算法采用两点系统校准方案。 在这种方案中，需要施加两个已知电压和两个已知电流，一个点接近 地，另一个点接近全量程。然后该算法利用这两个点，计算电流和电 8 / 12
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