一种小型移动机器人锂电池充电器设计

张 蓉，郑思仪，杨 玲

（武警北京指挥学院信息技术教研室，北京 100012）

锂离子电池具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应、体积小质量轻及无公害等优点，目前已基本替代铅酸、镉镍蓄电池，成为移动机器人的主要动力电池[1-5]。但另一方面锂离子电池对充放电要求很高，当过充电发生时，电解质会被分解，而使得电池内部的温度与压力上升，锂离子电池压力与热量的大量增加，容易产生火花、燃烧甚至爆炸，所以锂电池的充电器设计相对较为复杂[5-7]。

小型机器人由多个舵机组成，对电压和电流值要求较高，这就需要使用多节锂电池串联组成电池组以满足其要求，但由于单节锂电池内部特性的不一致，必然导致各节锂电充电不一致，这样就对多节锂电的充电器设计提出了更高的要求。

针对上述情况以及具体需求，本文设计了一种智能平衡充电器，可对两节或三节锂电池进行充电，电流设计了大小两档，可根据电池电量情况自动切换，电池充满时可自动停止充电，以防止电池过充出现危险。通过实验证明，该充电器取得了比较好的效果。

1 系统组成及原理

针对锂离子电池的特殊性，充电器设计的主要思路分为以下几个方面：

（1）采用平衡充电的方式，对锂电池组中的每一块锂电池进行单独充电；

（2）针对电池电量情况采用大小两档电流进行充电，以保证最大程度的将电池充满；

（3）使用微处理器对电池状态进行实时的监控，以保证电池状态发生变化时可及时进行相应的调整。

充电器系统主要由3个单元组成：(1)微处理器单元；(2)平衡充电单元；(3)恒流单元。微处理器作为数据处理和充电控制的核心要求既要具有一定的数字信号处理能力又要求体积小，因此选择了性价比较高的STC12C5410AD型微处理器，可使用其片内A/D转换口接收电池电压数据，经计算后可通过专用驱动输出口完成对充电电流和电源开关的控制[8]；平衡充电单元主要由TL431、DB136和电位器等组成，完成对锂离子电池组的各个电池的单独充电任务；恒流单元由LM317和电阻组成，实现充电电流恒定可调的作用。整个系统原理如图1所示。

2 充电器系统设计

2.1 平衡充电单元设计

为了降低成本、简化设计，平衡充电单元由三个充电子单元组成，每个单元都由TL431、DB136和电位器等元件组成，电路如图2所示。

三端可调分流基准源TL431在充电子单元中发挥了非常重要的作用。由于单节锂离子电池充满后电压大约在4.2 V,所以可以通过调节电位器W2将充电单元两端电压稳定在4.2 V。

当电池两端电压小于4.2 V时会将充电子单元两端电压拉低，为了稳定电压TL431会将端口1的电压值升高，这就导致三极管DB136进入截止状态，电流大部分流向电池，充电器进入充电状态；当电池两端电压等于或大于4.2 V时，充电子单元两端电压升高，同样为了稳定电压TL431会将端口1的电压值降低，此时DB136进入导通状态，大部分电流经过DB136进入二极管并以热量形式散发，充电状态结束。

2.2 恒流单元设计

恒流充电单元由主要由LM317、继电器和电阻组成，电路如图3所示。

LM317的管脚3为输入端、管脚2和1分别为输出端和调整端。由于输出端和调整端之间始终存在1.25 V的压差，所以可以针对LM317这个特性进行恒流充电设计[9]。

我们选用了7.4 Ω和2.5 Ω两个电阻作为充电电流的调整电阻接入到输出端和调整端之间。当继电器电流控制开关JP1断开时，电阻为7.4 Ω，充电器为小电流充电状态；当继电器JP1接通时，电阻小于2.5 Ω，充电器进入大电流充电状态。

JP2为充电器的电源控制开关，当有电池接入时，JP2接通，充电器向电池充电；当电池充满时，JP2断开，充电结束。

2.3 微处理器单元控制设计

2.3.1 控制策略

为了保证在不损坏锂电池的情况下尽可能地将电池充满，微处理器单元对锂电池组中的每块电池都进行了AD采样，以达到实时监控电池的充电状态。AD采样后的数据进行了中值滤波算法，以消除噪声对数据的干扰。当电池状态发生变化时，微处理器通过控制电源和电流控制开关做出相应的响应。

充电器的控制策略设计如下：

（1）当微处理器检测到有锂电池组接入时，打开电源控制开关，并切换到小电流充电状态；

（2）检测锂电池组中的各个电池的电量，当每块电池电压都低于4 V时，采用大电流充电，当其中任意一块电池电压大于4 V时，进入小电流充电状态；

（3）当锂电池组中任意一块电池的电量大于4.2 V时，为了保证锂电池组的充电安全，充电器断开电源控制开关，充电结束。整体的程序流程如图4所示。

由于小型移动机器人在使用过程中，每一块锂电池的放电程度各不相同，而智能充电器完成充电的标准是以其中一块锂电的电压到达4.2 V为结束信号，因此充电完成后三块锂电的电压必然各不相同。这里我们进行了7次充电实验，并且分别记录了充电完成后每一块锂电的电压，其结果如表1所示。

依据上表可以看到，充电完成后，三块锂电的电压有所区别，但最低电压值不低于3.9 V，平均电压达到了4.0 V以上，满足了小型移动机器人的电压使用条件。

2.3.2 软件功能及结构

系统软件集数据采集、状态切换于一体，按其功能和结构特点分为3个模块，即初始化模块、主模块、定时中断处理模块[4,10]。

这里初始化模块主要完成系统的初始化，包括片内外围的初始化，RAM、A/D初始化，串口的初始化，A/D测试及采集，状态信息采集，参数的设置等。

主模块主要完成系统状态的检测、锂电池电压数据的滤波去噪以及对电源控制开关和电流控制开关的实时响应等工作。

定时处理模块主要完成与时间有关的周期性任务，包括锂电子电池的电压数据采集，串口数据传输等。定时中断设计为每10 ms一次，中断处理程序内部设置一个软计数器，用于控制周期为20 ms的处理程序[11]。

3 结束语

本文设计的锂电池组充电器，在动力锂离子电池组能源管理中引入了智能化的控制及管理方法，通过内置的微处理器,对动力锂离子电池组提供了平衡保护，发挥锂离子电池的最大性能。电路设计简单,具有体积小、质量轻、充电节数可编程等优点，性能可靠、稳定,适用性强，并且具有充电电流可调节、保护功能齐全和使用方便等一系列优点。目前经过测试已经取得了较好的效果,具有推广价值和应用前景。

[1]ARMSTRONG T.锂电充电器IC应变便携式产品市场发展[J].电子设计技术，2003，12：22.

[2]王洪辉，庹先国，余小平，等.基于单芯片的锂电池/组充电器设计[J].电源技术，2009，33(2)：127-129.

[3]王松林，牟在鑫，来新泉，等.一种基于复合运放的线性锂离子电池充电器[J].微电子学，2008，38(1)：111-115.

[4]董文博,吴知非.数字化智能充电器的设计[J].电子技术应用，2006(1)：78-80.

[5]边延凯，田爽.一种便携式智能充电器的设计[J].电源技术，2006，30(8)：677-680.

[6]余丽敏，程恩，林耿超.全功能锂电池充电器的PIC设计[J].厦门大学学报(自然科学版)，2001，40(6):1217-1221.

[7]应建华，陈建兴，唐仙，等.锂电池充电器中恒流恒压控制电路的设计[J].微电子学，2008，38(3)：445-448.

[8]黄继昌.电子元器件应用手册[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[9]求是科技.单片机应用系统开发实例导航[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[10]求是科技.单片机典型模块设计实例导航[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[11]李凯，张斌.一种新型智能动力锂电池组能源管理模块[J].微计算机信息，2006，22(9)：150-151.