淺析帶數據顯示的鋰電池充電系統設計

引言

鑒于市場上鎳鎘電池和鋰電池共存的局面，本文設計的充電器可以對這兩種電池進行充電，對鎳鎘電池組采用脈沖充電方式，對鋰電池組采用恒流充電方式，這是依據電池的不同機理而設計的，真正做到了一機兩用，此為該充電器的創新點，也是設計的難點。充電器的寬屏LCD可以同時顯示4組充電器的充電狀態，也可單獨顯示一組充電器上電池的各項參數，做到了對電池充電過程的實時監測。

系統整體設計

系統設計目標是：

1.可同時對4組8.4V的鋰離子電池或9.2V的鎳鎘電池進行充放電。

2.可與電池組中的芯片通信，判斷電池的化學性質。

3.對于不同化學性質的電池，將采用相應的充電方式。

4.可與電池組中的芯片通信，得到該電池組的電壓、充電電流、容量等參數。

5.充電器帶有LCD，可顯示電池的各項數據。

該充電器的功能框圖如圖1所示。

圖1 系統整體設計結構圖

系統硬件設計

總控單元的設計與實現

總控單元是由微控制器PIC16F873和鍵盤控制芯片ZLG7289A構成的。主要任務是負責與各個充電單元通信，并處理用戶輸入與LCD顯示信息。鍵盤控制芯片在這里負責6個按鍵和12個LED的控制。

ZLG7289A與微控制器之間通過SPI總線進行雙向通信。主控單元每秒查詢一次各個充電單元，獲取當前充電單元的信息，如有無電池、電池性質、電池電壓等。之后由LCD模塊向用戶顯示。

充電單元的設計與實現

TP8002鋰離子電池

充電控制芯片

TP8002是一款高效獨立開關模式鋰離子電池充電控制器。該控制器有4.2V和8.4V兩個版本。

TP8002-8.4具有500kHz開關頻率，是高效電流模式的PWM控制器。通過驅動一個外部P溝道MOSFET，它可以提供4A的充電電流，而效率可高達90%。輸出電壓設置為8.4V，最終浮動電壓并具1%的精度，而充電準確度為5%。此外，該器件可在9V~22V范圍內的多種墻上適配器上運行。與遲滯拓撲結構充電器相比，TP8002-8.4的快速運行頻率與電流模式架構使之能夠使用小型電感器和電容器。

鋰離子/鎳鎘電池兩用

充電單元的總體設計

從前面對TP8002的分析可知，該芯片是針對鋰離子電池的充電控制器，要實現對鎳鎘電池充電需要解決以下問題：首先，TP8002對電池電壓進行監測，保證電池電壓不超過8.4V。但對于鎳鎘電池組，充電截止電壓可以達到9.2V。其次，鎳鎘電池充電即將結束時，需要對電池進行以正常電流30%和10% 的涓流充電。所以，第二個需要解決的問題是如何控制恒流充電的電流大小。此外，對鎳鎘電池充電應使用脈沖充電方式。即以1s為周期，95%的時間用來充電，1%的時間用來放電，其余時間不充電也不放電。最后，如何判斷某一個電池是鋰離子電池還是鎳鎘電池，因為若把鋰離子電池誤判為鎳鎘電池，會使充電電壓高于8.4V，這對鋰離子電池是十分危險的，而將鎳鎘電池誤判為鋰離子電池，則可能造成電池充電不足。因此，必須保證極低的誤判率。

本部分根據TP8002的工作原理，設計了既可以對鋰離子電池進行恒流-恒壓充電，又可以對鎳鎘電池進行脈沖式充電的電路。充電單元的總體功能框圖如圖2 所示。其中，信號調理電路使充電器既可以對8.4V的鋰電池充電，又可以對9.2V的鎳鎘電池充電，同時也起到控制充電電流大小的作用。

圖2充電單元的總體功能框圖

利用微控制器控制TP8002的工作狀態，配合放電電路使充電器可以對鎳鎘電池進行脈沖方式充電。

微控制器通過一定的通信協議(HDQ16)與智能電池通信，確定其容量、化學性質等關鍵參數。

信號調理電路的設計

為了使TP8002可對高于8.4V的電池進行恒流充電，并可調節充電電流，在TP8002的BAT和SENSE端與采樣電阻之間加入一級信號調理電路。該電路的主要功能是對采樣電阻兩端的信號進行運算，針對不同化學性質的電池，將相應的信號送給TP8002。該信號調理電路如圖3所示。

圖3信號調理電路的功能圖