鉅大LARGE | 點擊量：1317次 | 2019年11月07日
應用于各種類型電池的充電系統(tǒng)
便攜式電子設備（無論是個人電子，遠程科學儀器，還是簡單的車庫手電筒）都有一個共同點：電池?？梢允擎囨k電池，鎳氫電池，鋰電池，或任何其他可充電電池。本文將討論一種靈活的電池充電系統(tǒng)，其可以應用于各種電壓，化學成分，和充電特性的電池。
當使用不同的電池容量給多種電池充電時，在不同的充電階段，電池電壓可能高于或低于電源電壓。因此需要電源電壓升壓或降壓來匹配電池電壓。例如，當3.3伏的電源電壓給一節(jié)鎳氫電池(通常是1.25V)充電時需要降低。當給鋰電池(4.1V)充電時，則需要升高輸入電壓。要處理這種情況，主充電路徑要選擇為單端初級電感變換器(SEpIC)。開關型DC-DC轉換具備比較大范圍的降壓和升壓能力，可以提供靈活的供電電壓。
這篇文章將會以兩種不同的可充電電池—鎳氫電池(NiMH)和鋰電池(Li-Ion)為例進行介紹。這兩種化學物質的電池需要不同的充電特性，但這兩者都能容易的使用相同靈活的充電結構為我們服務。從一種電池切換到另一種既靈活又簡單，可以用微控制器在軟件上實現(xiàn)。通過設計模塊化的充電子系統(tǒng)，把功能封裝到各種組件，根據(jù)系統(tǒng)需求，同樣的應用程序可以使用不同的微控制器實現(xiàn)。組件的使用簡化了設計，這里輸入和/或輸出可以是硬件和/或軟件。這種方法使得開發(fā)者可以把電池充電功能作為一個額外特色加到主應用中，如馬達控制，準確醫(yī)學測量等。
電池充電器必須要確定電池狀態(tài)(如電壓、電流、溫度)并控制充電電流。確定電池狀態(tài)的硬件是通用的。電池電壓可以高于或低于微控制器的輸入范圍，因此，電壓測量通常是使用一個電阻分壓電路來弱化電壓。電流測量可以在高端(要進入電池的電流)，或低端(從電池出來的電流)，如果是SEpIC變換器，在二次側電感使用一個電阻。電池通常有一個嵌入式熱敏電阻，其提供精確電池溫度狀態(tài)。有時在一些商業(yè)電池上為了降低成本就把它省掉了。在這種情況下，可以在接觸電池的外部放置一個熱敏電阻。在此基礎上測量的參數(shù)，電池充電電流由微控制器確定并控制。從充電器的角度來看，不同化學成分電池的主要區(qū)別是充電特性。鋰和鎳氫電池的充電特性如圖1所示
如圖1所示，電流由微控制器控制，電池的電壓和溫度會發(fā)生變化。鋰電池使用恒流恒壓充電。通常電池容量一般用“CA”表示。在啟動階段，如果電池電壓低于恒流閾值（Vrapid_start)，充電器供應少量電流(大約0.1CA)。這是預處理階段，電池電壓隨著這個小充電電流逐漸增加。當電壓達到快速充電閾值，充電電流由微控制器增加到約1CA。這是恒流階段，這個階段一直持續(xù)到電池電壓達到指定電壓(Vfull)。然后電池充電器進入恒壓階段，這時充電電流較小，而電池電壓維持在Vfull。電流降低一直到結束，同時保持電池電壓，電池充電終止。在整個充電過程電池電流會有幾個°C的變化。如果有任何一個電池狀態(tài)（電壓、電流或溫度）超出充電器相應規(guī)定范圍，為了安全，充電器都會停止充電。
鎳氫電池的前兩個充電階段類似于鋰電池：激活電流(0.2CA)和恒定電流(1CA)。鎳氫電池的恒流階段結束由電池電壓下降(并降溫)來檢測，而電流是不變的。電壓下降后，鎳氫充電進入充電頂峰關閉階段，這時電流減少到滴流水平(大約0.05CA)。在這個階段，會有一段時間的少量充電電流一直到充電結束。
基于上述充電需求，可以使用狀態(tài)機（帶預定義的電壓、電流、溫度、超時值）大大簡化電池充電。電池狀態(tài)和需要為電池充電提供的電流數(shù)量由微控制器狀態(tài)機來控制。用于這兩種類型的電池充電的簡化狀態(tài)機如圖2所示。這個框圖顯示了充電的不同階段。
在預啟動中，微控制器既有電池充電曲線又有要實現(xiàn)的充電曲線選擇，通過條件控制完成。這個控制可以簡單成一個開關位置在啟動期間選中。自動決定是由微控制器啟動后完成的，通過檢測電池類型選擇充電器充電曲線。例如，一節(jié)鎳氫電池典型的工作電壓范圍是0.9V~1.25V之間，而一節(jié)鋰電池電壓范圍是2.7V~4.2V之間。同樣地，兩者之間的溫度范圍也不同，這些值可以保存，并在啟動的時候進行比較。自動檢查方法局限于很特殊的條件。一般來說，大多數(shù)應用中選擇預編程和預執(zhí)行。在這篇文章中，我們會重點介紹預編程，并把注意力集中在電池充電是附加功能的應用中。
如前所述，兩種電池充電器的感測和控制部分硬件是相同。電池充電器所需的外部硬件原理圖如圖3所示。
要確定電池狀態(tài)，就要進行電壓、電流、溫度的測量，把他們通過復用器輸入微控制器中的ADC。根據(jù)這些值，在固件中確定狀態(tài)，充電電流通過改變pWM占空比來控制。pWM輸出連接到SEpIC變換器（其控制流進電池的電流）里的MOSFET門。這些步驟關系到CpU，因此有些延遲。不同的電池，特別是鋰電池，對于過充電非常敏感，在高電壓下可能變得非常不穩(wěn)定。要額外增加過電壓和過電流保護，硬件保護電路就要增加比較器。這些比較器會關閉充電直到用戶復位或達到一個安全的工作環(huán)境。根據(jù)測量到的參數(shù)值和電池類型，CpU決定電池狀態(tài)和相應的pWM占空比。傳統(tǒng)上，CpU檢測充電曲線所需的條件，可以在代碼中定義為常數(shù)，并可手動修改。例如以下代碼。
當充電曲線需要改變時，BATTERY_pROFILE設置為0或1以在兩種充電曲線之間進行切換。所有狀態(tài)的電壓、電流、溫度限制都保存為常數(shù)，并可以作出相應改變。如果同一電池類型需要不同的電平，需要修改代碼鍵入新參數(shù)。這意味著這種應用的用戶需要注意代碼改變充電曲線和充電器限制。通過使用組件式方法，當開發(fā)人員選擇合適的Ip模塊時，可以鍵入?yún)?shù)來改變電池充電器充電曲線。例如，鋰電池和鎳氫電池組件如圖4所示。
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