基于单片机的锂电池智能充电监控设计

吴桂才，黄 鹭

（中国船舶集团有限公司第八研究院，江苏扬州 225001）

0 引言

随着社会的高速发展，各类移动手持设备的大量涌现[1]，以智能手机为代表的数码通讯产品的性能不断提高，因而对电池的使用要求越来越高，电池的使用寿命是影响手机性能的一个重要标准[2]。锂电池的充电方式对电池的寿命有着很大的影响[3]，目前主流的锂电池充电方式有恒压恒流充电、脉冲充电、智能控制充电[4]等。图1 所示为市面上一种电池座充，目前国内外对锂电池充电的研究有很多，例如Hussein A H[5]对锂电池脉冲充电的研究；李冶[6]对锂电池恒压恒流充电的研究。本文针对国内外的研究，提出了一种基于智能控制的锂电池充电监控方案设计，系统采用以单片机为核心，功能模块电路作为控制器的外围电路的硬件设计，再进行软件编程，实现锂电池的智能充电和监控设计，使系统具备锂电池断电，检测，指示，报警等相关功能。本文首先对锂电池的充电原理进行概述，其次对系统进行总体方案设计，再次对系统进行硬件电路设计和软件设计，最后得出结论。测试结果表明，该方案相对于其他充电方案，可以更好地满足充电要求，并极大地提高了锂电池寿命，可用于锂电池充电推广。

图1 电池座充

1 充电原理和电路

1.1 充电原理

本文采用的智能控制充电，主要是在锂电池的恒流-恒压充电的基础上进行精确控制。恒流-恒压充电模式包括了预充、激活、恒流和恒压[7]阶段。如图2 所示，充电开始为预充阶段，以检查电池状况是否可用。在此阶段中，一般给电池充入少量的电流，俗称预充电，这时在检测锂电池电压，若电池电压逐步上升到3.2 V，则判断电池可用，此时便进入激活模式。在激活模式中，给电池提供预充阶段相同的电流，当监测到电池电压上升到3.6 V时，则进入恒流模式，即快速充电模式。此阶段，会给电池提供一个小于或等于电池容量的恒定电流进行快充；当检测到电池电压上升到4.15 V 时，此电压值接近电池的额定电压，恒流模式阶段结束。此时充电进入最后一个阶段，恒压模式阶段；此时保持锂电池两端的充电电压4.2 V不变，如果此时还是保持充电电流不变的话，电池的电压会超过4.2 V，从而对电池造成损伤。所以，当恒压阶段，保持锂电池两端的充电电压为4.2 V 时，充电的电流随着时间的推移会慢慢降低，当检测到电池电压为4.2 V 时，充电电流减小到某一规定的值，则认为电池电量充满，整个充电过程结束[8]。所采用的智能充电，在此基础上检测充电处于什么状态，然后软件调整充电触发引脚的PWM占空比，实现在不同状态下高精度控制充电。

图2 电池正常的充电曲线

1.2 充电电路

锂电池充电电路的核心是电流电压控制电路，采用电压源和电流反馈技术进行构建设计。如图3 所示，其工作原理是典型的负反馈控制系统[9]。当充电时，充电电流通过检测电阻Rs，可获得检测电阻Rs两端电压，使用单片机监测该电压，可实时监测充电电流。锂电池两端并联电阻R1 和R2，通过调整R1 和R2 的阻值，使得R2端的电压值在单片机可测量的适当范围，即可计算出锂电池电池的电压，从而判断充电所处的状态。R5的前端接单片机引脚，通过软件编程，使单片机引脚产生脉宽调制器（PWM）信号，可控制晶体管Q2 的导通，从而控制晶体管Q1 的导通。Q1 的导通与否即决定了电池的充电方式。

图3 电流控制电路

2 总体方案设计

根据电池的充电原理和单片机相关组成知识，对方案进行总体设计。系统整体结构如图4 所示，系统主要由电源、单片机、充电电路、检测保护电路和状态指示组成。其中，电源主要是用于单片机系统供电和给充电电路提供充电电压；单片机是本系统的核心，主要做控制充电电路，运算处理，输出反馈信号作用；充电电路用于锂电池的充电；保护监测电路用于保护锂电池不过冲和监测锂电池电压；状态指示主要配合单片机进行配合，显示当前的充电状态。

图4 系统整体结构

3 硬件设计

3.1 系统电路设计

本文研究的系统电路，其核心电路如图5 所示，使用的核心器件是ABOV80F0504 单片机，它是一款拥有4k 字节的FLASH 程序存储器的CMOS 8 位单片机。该芯片具有以下特点：4k 字节FLASH，256 字节的RAM，8位定时/计数器，看门狗定时器，片内上电复位，10位A/D转换，蜂鸣器驱动口，10位PWM 输出和片内晶振和时钟电路，另外，可以支持节电模式以降低功耗[10]。通过单片机和其外围的充电电路、检测保护电路、状态显示电路及电源等进行一系列设计，完成功能设计，下面对各个模块电路进行详细设计。

3.2 充电电路

如图5 所示，通过U1 TL431，使运算放大器AS358的5 端固定在2.5 V，6 端接单片机16 引脚，单片机16 引脚输出PWM 信号，7端为输出。经过运放输出到7端，7端控制MOS 管Q20 和PNP 三极管Q21 组成的复合管进行对电池充电进行控制。充电状态控制开关控制MOS 管Q22，当单片机引脚13 高电平时，Q22 闭合；低电平时，Q22断开。

图5 系统电路原理

对于涓流和恒压状态，13 引脚低电平，Q22 断开，运放反馈只有一个电容C20 串联电阻R22，类似于一个快速积分电路[11]。对于恒流状态，13 引脚高电平，Q22闭合，运放反馈是C20 和C21 的并联，可以等效于一个慢速积分电路。通过单片机15引脚检测电池电压，通过单片机内部子程序处理，使16 引脚进行不同占空比的PWM输出，从而通过运放输出控制充电电流。

当电池的电压达到4.2 V 时，电池两端并联2 个电阻，R20 为82 kΩ，R21 为120 kΩ，2 个电阻的交点与运算放大器6端相连。根据运算放大器虚短虚断，6点电压约为2.5 V，所以把电池的电压钳住为4.2 V。此时通过16 引脚的PWM 程序使充电电流不断减小，当电流减小到程序设定的规定值时，单片机检测到此电流的通过取样电阻进行放大的电压信号，当电压信号大于设定值时，单片机的16引脚置高，运放输出为低电平，充电结束。

3.3 检测保护电路

（1）电池温度检测及静电保护

图5 中电池的热敏电阻在电池内部，为NTC，当电池温度发生变化时，V/F 点的电压发生变化，从而单片机的14引脚接收电压的数值发生变化，从而对温度进行监控和检测。与NTC 并联的为一个压敏电阻VR，此为静电保护，当V/F 点有静电时，VR 压敏电阻击穿，从而消除静电，保护单片机的I/O引脚。

（2）PCB板温度监控

此监控如图5 所示，R11=TH1，R26=R27；可以等效为一个惠斯通电桥，R11、TH1、R26、R27 分别构成4 个桥臂，当热敏电阻TH1 阻值发生变化时引起单片机1、3引脚的电压值的不同，从而对PCB板温度进行监控。

（3）电池电压监控

如图5 所示，电池通过电阻R14 直接与单片机15 引脚相连，对电池电压进行监控。

（4）充电截止电流检测

如图5 所示，充电的电流通过一个取样电阻SR11（阻值大小约为0.2 Ω），在电阻SR11 上电压经过AS358的另外一个运算放大器对其电压进行放大，此时运算放大器构成一个同相比例放大器，把3点电压进行放大到1点，再与单片机2引脚进行连接，通过监控1点电压，检测充电截止电流大小，并进行相应的控制。

3.4 状态指示电路

LED 分别连着单片机的9、10 引脚，单片机根据不同的状态和检测判断，对9、10 引脚的输出进行控制，从而发出红光（正在充电），绿光（充电完成），黄光（警告，未充电）。

4 软件设计

控制系统实现的功能包括：（1）电池检测子程序。系统首先要检查电池是否有电池接入，准备充电，同时还必须检测电池是否可用。（2）数据采样子程序。采集的模拟量有电池的电压，充电电流，PCB 温度，BAT 温度，并完成A/D 转换和采样。（3）数据量化子程序。将采样的数据同系统的设定值进行比较，量化得出PWM脉宽值。（4）脉宽调制输出程序。实现对控制系统的控制，即根据电池的充电曲线，由单片机PWM脉宽调制输出不同的脉宽的信号，从而控制电路和开关，来实现对电池的合理充电。（5）显示子程序。包括：故障报警，当系统出现故障时报警，闪黄灯；正常充电显示，当系统正在给手机电池充电时的显示，闪红灯；充电完成显示，当电池充电完成时显示，闪绿灯。软件流程如图6所示。

图6 软件流程

5 结束语

本文设计的基于单片机的锂电池智能充电和监控系统，能适应与不用状态下锂电池的充电控制。锂电池的充电不同于一般电源控制，由于其电化学特性导致充电速度较为缓慢[12]，除了锂电池本身的一些保护以外，其他控制无须在几百毫秒甚至几秒之内发送，所以利用单片机进行PWM智能控制充电切实可靠和可行，且比传统恒压恒流充电更为高效，不仅能有效对锂电池进行充电，而且能更大限度地保养电池，延长电池寿命，提高电池的使用率。