帶有數據顯示功能的鋰電池和鎳鎘電池充電系統

摘要：本系統以PIC16F873單片機和LTC4002鋰電池充電芯片為核心，針對不同電池的特性，采用不同的充電方式，可以對目前廣泛使用的鋰電池和鎳鎘電池充電，同時具有實時顯示充電及放電電流、電池電壓、容量統計和電池特性等功能，實現了符合鐵道部所有相關規范的列車尾部保護裝置的充電系統。

關鍵詞：鋰電池；鎳鎘電池；充電器

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

LTC4002鋰離子電池

充電控制芯片

LTC4002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。
LTC4002-8.4 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，LTC4002-8.4 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LTC4002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，LTC4002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LTC4002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LTC4002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LTC4002可對高于8.4V的電池進行恒流充電，并可調節充電電流，在LTC4002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LTC4002。該信號調理電路如圖3所示。

圖3 信號調理電路的功能圖　
　
這里定義采樣電阻兩端的電壓值是VBAT和Vsense，那么充電電流在采樣電阻上的壓降VRS為：VRS=Vsense-VBAT，該信號為減法器的輸出。設乘法器的乘系數為K，那么乘法器的輸出為KVRS。對于鋰子電池，二選一開關將選通電池電壓VBAT；對于鎳鎘電池，二選一開關將選通7V恒定電壓。這里設二選一模擬開關的輸出為V1，那么加法器的輸出Vs應為：Vs=KVRS+V1，這樣一來，送到LTC4002的BAT和SENSE兩端的電壓之差應為KVRS。只要正確控制K值，就可以使充電電流為正常充電電流的1/K。因此，可以通過二選一開關控制電流為恒流充電時的10%或30% 。

對于LTC4002的BAT端輸入值，當開關選通鋰離子電池時，BAT的輸入即是電池電壓。此時，LTC4002可以控制整個鋰離子的充電過程。不需任何外界的干預。

當開關選通了7V恒定電壓后，BAT端的輸入恒定為7V，此時，LTC4002無法知道電池的真實電壓，只認為電池電壓為7V。所以，盡管電池電壓高于8.4V，仍會以恒定電流對電池進行充電。在這種情況下，需要微控制器的干預，否則，會造成電池的過充。由于微控制器內部帶有ADC，可以監測電池電壓的變化。當電池電壓達到指定值時，減小充電電流，直至電池充滿。這樣就可以對9.2V的鎳鎘電池進行充電了。

脈沖充放電電路的設計

由于LTC4002是恒流充電控制芯片，因此，必須使用微控制器控制其充電使能引腳COMP。當需要LTC4002輸出充電脈沖時，使控制COMP引腳的端口變為高阻態，使COMP引腳自行升至360mV以上時，便有充電電流輸出。放電時，必須將COMP引腳拉低，使LTC4002關斷充電電流。之后，再打開放電電路。微控制器選用PIC16F873，它是一款基于Flash的8位微控制器。內部有定時器、看門狗電路、10位ADC等模塊。

圖4 充電單元主程序流程圖

微控制器以1s為周期對鎳鎘電池進行脈沖充放電。
　　
系統軟件設計

系統軟件總體設計

充電單元中的微控制器主要負責充電過程的控制和與總控板的通信，程序流程如圖4所示。充電單元首先判斷是否有電池，如果有電池放入，則判斷充放電狀態，默認是充電狀態，該狀態可由總控單元改變。若充電單元處于充電狀態，則繼續判斷電池的化學性質，針對不同的電池采用不同的充電方式。若處于放電狀態，則對電池組進行放電，直到電池電壓低于閾值電壓后，轉為充電狀態。

除主程序外，總控單元與充電單元的通信是在中斷服務程序中實現的。當充電單元收到總控單元的指令后，進入中斷。若指令是查詢數據指令，則向總控單元發送需要的數據。若是充電狀態設置指令，則依據指令設置充電單元的充電狀態。

通信協議的實現

通過與電池組中電能計量芯片通信的方法來判斷電池的性質。本系統可以與遵循HDQ16接口協議的智能電池組進行通信，除了電池組的化學性質外，還可以將電池組的容量、電壓、充電電流、編號等數據一并讀取，供充電器顯示之用。

充電單元可以通過HDQ總線對智能電池進行讀操作。HDQ16接口協議是基于指令的協議。一個處理器發送8位指令碼給智能電池，這個8位的指令碼由兩部分組成，7位HDQ16指令碼(位0~6)和1位讀/寫指令。讀/寫指令指示智能電池存儲接下來的16位數據到一個指定的寄存器，或者從指定的寄存器輸出16位數據。在HDQ16里，數據字節(指令)或者字(數據)的最不重要的位會優先傳輸。

一個塊的傳輸包括三個不同的部分。第一部分經由主機或者智能電池把HDQ16引腳置邏輯低狀態一個tSTRH:B時間后開始發送。接下來的部分是真正的數據傳輸，數據位在tDSU:B時間間隔里是有效的，負邊界用來開始通信。數據位被保持一個tDH:DV時間間隔，以便允許主機或智能電池采樣數據位。

在負邊界開始通信后，最后一部分通過返回給HDQ16引腳一個邏輯高狀態，至少保持tSSU:B時間間隔來停止傳輸。最后一個邏輯高狀態必須保持一個tCYCH:B時間間隔，以便有時間讓塊傳輸完全停止。

如果發生通信錯誤(e.g.，tCYCB＞250ms)，主機就發送給智能電池一個BREAK信號，讓其控制串行接口。當HDQ16引腳在一個時間間隔，或者更長時間里為邏輯低狀態時，智能電池就會偵測BREAK。然后，HDQ16引腳回到其正常預設高邏輯狀態一個tBR時間間隔。然后,智能電池就準備從主機那里接收指令。

HDQ16引腳是開漏的，需要一個外部的上拉電阻。

圖5是用邏輯分析儀顯示的一次HDQ總線上的通信波形。

圖5 一次HDQ總線通信波形

結語

本文提出的充電系統從技術上很好地解決了上述問題，通過LCD顯示屏可以清晰便捷地讀出電源的剩余容量、已有充放電次數、充電及放電電流、電池電壓、容量統計和電池特性等重要內容，并且通過設定，可以判斷電源是否達到報廢標準，及時提醒操作者更新電源。為電源維護保養工作提供明確的參考數據，降低了對操作人員專業技術水平的要求，保證了列車尾部電源的安全使用。■

參考文獻：
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5. BQ2060A.SBS-V1.1-Compliant Gas Gauge IC.Texas Instruments,2006
6. 朱君.列尾裝置使用問題的調研分析.鐵道運輸與經濟,2004,26(1):71
7. 王新,范衛斌,張金平.列尾裝置故障、維修及專用電池使用的研究.鐵道運輸與經濟,2002,24(13):5-10