基于PIC单片机的锂电池智能充电机设计

张锦升，刘佳俊，吕 健，梅俊锋

（武汉龙安集团有限责任公司，湖北 武汉 430070）

0 引 言

自1972年Armand等科学家提出摇椅式电池的概念，到1989年西美绪等研究人员研究出适合的正负极材料和电解质材料，并于1991年正式商业化制造，才真正开启了锂离子电池作为重要储能容器的时代[1]。

目前，无论在军用领域还是民用消费类电子行业，锂电池的应用越来越广泛。与其他储能电池相比，锂离子电池具有更高的能量密度[2]。且锂电池技术日趋成熟，经过严格的环境应力测试后，能够很好地适应各种复杂的工作环境[3]。因此，设计开发一种能适配不同电压等级和不同容量的智能锂电池充电设备具有很重要的意义。

1 充电方案设计

充电机由控制单元、升/降压转换单元、电池规格识别单元、按键与显示单元及放电维护单元组成。其中，升/降压转换单元可将输入的直流电压（10～32 V）转换为1路独立的直流16.8 V/29.4 V输出，原理如图1所示。

图1 充电机总体连接框图

2 基于LT8390芯片的充电设计

本文采用凌力尔特公司LT8390芯片作为充电控制芯片，将输入的直流电压（10～32 V）转换为16.8 V/29.4 V输出。该控制器输入、输出电压范围宽（输入4～60 V，输出1～60 V），效率高达98%，提供输入输出电流监控。典型应用如图2所示。

图2 LT8390典型应用

2.1 充电过程

锂电池充电过程包含恒流充电和恒压充电两个阶段[4]。在充电前期，电池电压较低，将充电电流限定为最高充电电流，电池电压逐渐升高，当电池电压上升到最高充电电压时，维持输出电压不变，充电电流逐渐降低至充电完成。

LT8390芯片为Buck-Boost控制器，通过控制4个开关管的通断时序控制输出。其中功率开关的简化框图如图3所示。

图3 功率开关简化框图

2.1.1 降压区

当输入电压明显大于输出电压时，场管D始终接通，场管C始终截止，场管A、B交替通断，其波形如图4所示。

图4 降压区工作波形

2.1.2 降压-升压区

当VIN略大于VOUT时，在每个开关周期开始时，功率开关A、C打开，电感电流上升。经过15%个周期后，功率开关C关闭，功率开关D打开，流经电感电流持续上升。当电感电流达到降压电流峰值门限时，在该周期剩余的时间内功率开关A关闭、B打开，如图5所示。

图5 VIN略大于VOUT工作波形

当VIN略小于VOUT时，在每个开关周期开始时，功率开关A、C打开，电感电流上升。当电感电流达到升压电流峰值门限时，功率开关C关闭，功率开关D在该周期剩余的时间内始终打开。经过85%周期后，功率开关A关闭、B在剩余时间内始终打开，如图6所示。

图6 VIN略小于VOUT工作波形

2.1.3 升压区

当VIN明显小于VOUT时，场管A始终接通，场管B始终截止，场管C、D交替接通，其波形如图7所示。

图7 升压区工作波形

2.2 输出电压调节

LT8390控制器通过电压反馈脚FB可以设定输出电压，当FB电压低于1 V时，LT8390控制器通过控制场效应管增大输出电压，FB电压高于1 V时，降低输出电压。输出电压换算公式为：

式中：VFB=1 V。

FB管脚还可用于设置输出过压门限，当FB电压达到1.1 V，输出电压无法降低时，输出过压LT8390控制器判定输出过压。输出过压值换算公式为：

式中：VFB=1.1 V。

2.3 输出电流调节

LT8390控制器的输出电流，可由接入在输出回路的检流电阻RIS和CTRL引脚电压进行设置。其中，输出电流流经检流电阻RIS产生的压降由LT8390控制器的ISP和ISN管脚进行检测，CTRL引脚用于设置ISP/ISN电流检测门限。

CTRL引脚电压范围为0～6 V，当其电压低于0.3 V时，功率开关停止工作，当CTRL引脚电压在0.3～1.15 V时，电流检测门限（VISP-ISN）由5～90 mV线性增加，最大输出电流计算公式为：

式中，Vctrl为CTRL引脚的电压；RIS为检流电阻的阻值。

当CTRL电压在1.15～1.35 V时，电流检测门限由90 mV线性增加至100 mV，Vctrl与VISP-ISN的典型值对应如表1所示。

表1 Vctrl与VISP-ISN典型值对应表

当CTRL电压大于1.35 V时（最大6 V），电流检测门限为100 mV。

对流经检流电阻RIS的电流，LT8390的ISMON管脚提供了一个经缓冲的监视输出，该引脚的电压可由VISMON=VISP-ISN×10+0.25 V计算得出，流经检流电阻RIS的电流为IIS=VISMON/RIS。

在设计中，由控制单元检测ISMON管脚电压，并提供PWM信号给LT8390的CTRL管脚，达到控制最大输出电流的目的。

3 基于PIC16F874A单片机的智能监控设计

锂电池智能充电机能对12 V和24 V多种容量规格的电池进行充电。充电机控制单元采用MICROCHIP公司的PIC16F874A单片机作为控制芯片，该单片机含8位处理器、33个I/O口、8个AD采样通道以及两个PWM通道控制[5]。充电机软件编程语言为C语言，开发环境为Win7和MPLAB IDE v8.90。

控制单元主要完成以下功能。一是通过AD采样口检测电池识别电阻完成电池类型识别；二是设置PWM占空比控制LT8390芯片CTRL管脚电压，实现充电电流控制；三是控制LT8390芯片FB管脚电压，实现充电电压控制；四是通过AD采样口检测充电电流和充电电压，判定充电过程；五是识别快充慢充切换按钮，切换快速充电和慢速充电模式；六是控制充电状态指示灯和充电模式灯等，完成人机交互功能。充电机控制单元按表2参数设置不同类型电池的充电过程。

表2 10种电池参数设置表

4 结 论

本文简单描述了设计和研制锂电池充电机的意义，介绍了充电机的总体方案，重点叙述了充电过程设计和智能监控设计。经过样机研制和整机测试，本充电机对锂电池具有良好的充电效果，满足智能化充电的设计要求，能够自动适配10种不同规格的锂电池，具有较高的充电效率。