鋰電池維護(hù)儀的應(yīng)用設(shè)計

導(dǎo)讀：每隔半年對貯存的鋰電池進(jìn)行維護(hù)時，由于無專業(yè)的維護(hù)設(shè)備，耗費大量人力成本。針對這種情況，設(shè)計了具有鋰電池維護(hù)、充電、放電、性能測試、電壓測量等功能的鋰電池維護(hù)儀，解決了鋰電池維護(hù)過程中存在的不便。

　　由于鋰電池具有能量密度高、單體電壓高、無記憶性效應(yīng)、工作溫度范圍寬、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，在軍事和民用小型電器中大量使用。鋰電池的容量、循環(huán)壽命、荷電保持能力、貯存性能等均需按規(guī)定流程對鋰電池進(jìn)行充電或放電來進(jìn)行測試，而鋰電池廠商要求，貯存的鋰電池電量保持為標(biāo)稱容量的30%到50%,并每6個月充電一次。

　　雖然市面上具有各種型號的充電器，可以滿足鋰電池充電的要求，但是，將鋰電池充滿再放電到半何的維護(hù)設(shè)備并不多見。目前，由鋰電池供電的產(chǎn)品貯存時，須將鋰電池充滿然后放電到半何，其中充電功能可采用標(biāo)準(zhǔn)的充電器，而放電需要手工操作，并不斷監(jiān)視放電電壓，以免造成鋰電池過放電損壞電池，耗費較多的人力資源，工作效率較低。針對該情況，設(shè)計了由微控制器控制的鋰電池維護(hù)儀，實現(xiàn)了鋰電池的從充電到放電的維護(hù)功能，同時具有充電、放電、電壓測量、性能測試等功能，提高了工作效率。

　　1 設(shè)計方案

　　鋰電池維護(hù)儀采用220 V AC供電，具有充電、放電、維護(hù)、電池性能測試、電壓測量五種功能，可滿足2組鋰電池組同時進(jìn)行相關(guān)操作，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

　　鋰電池維護(hù)儀通過識別波段開關(guān)輸入狀態(tài)進(jìn)行功能選擇。工作過程中由狀態(tài)指示燈指示，并通過LED陣列動態(tài)顯示電池的電量；工作結(jié)束后，自動關(guān)斷鋰電池與充、放電單元的連接，并由LED指示燈提醒。

　　2 硬件電路設(shè)計

　　鋰電池維護(hù)儀由充電單元、放電單元、功能選擇、電源、狀態(tài)顯示、電壓監(jiān)測、微控制器等單元組成，如圖1所示。

　　2.1 充電單元

　　充電單元主要由LT3652HV組成，LT3652HV為LINEAR公司推出的單片降壓型“恒流/恒壓”鋰電池充電芯片，具有以下特點：

　　1）寬輸入電壓范圍：4.95~40 V;

　　2）可編程充電電流高達(dá)2 A;

　　3）充電終止方式：C/10或內(nèi)部充電終止定時器；

　　4）浮充電壓采用電阻設(shè)置，可高達(dá)18 V,可滿足4節(jié)鋰電池，5節(jié)磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池；

　　5）可通過并聯(lián)提供較高的輸出電流。

　　鋰電池浮充電壓VBAT（FLT）由RFB1,RFB2、RFB3設(shè)置，充電電流由采樣電阻Rsense設(shè)置，充電狀態(tài)通過CHRG引腳反饋，原理如圖2所示。

　　LT3652HV對鋰電池充電分為兩個階段；先恒流充電，直到接近終止電壓時改為恒壓充電。當(dāng)鋰電池電壓低于0.7xVBAT（FLT）時，LT3652HV進(jìn)入預(yù)充電模，充電電流為設(shè)置值的15%.否則，將以設(shè)置的充電電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓以較大的斜率上升，當(dāng)電池電壓接近浮充電壓時，改為恒壓充電，電流漸降。當(dāng)充電電流降為C/10（約100 mA）時，認(rèn)為接近充滿，芯片CHRG引腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，通知微控制器充電結(jié)束。

　　2.2 放電單元

　　放電單元采用比較器LM211D及場效應(yīng)管IRE540N實現(xiàn)，通過將電池電壓與6 V的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，為了防止放電過程中電池電壓抖動引起比較器輸出振蕩，造成微控制器誤判，設(shè)置比較器的滯回電壓為0.2 V.

　　當(dāng)電池電壓大于6.2 V時，比較器輸出為3.3 V電平，由微控制器打通場效應(yīng)管，電池通過功率電阻R6放電，當(dāng)放電電壓小于6.2 V時，比較器輸出為0 V,微控制器關(guān)閉場效應(yīng)管，停止放電。

　　比較器LM211D輸出狀態(tài)連接到微控制器，微控制器可通過判斷該I/O1高低狀態(tài)進(jìn)行放電狀態(tài)識別，并通過I/O2控制放電過程，原理如圖3所示。

　　鋰電池放電時，會有大量的熱量從R7散發(fā)出來，故電阻R7選用25 W帶有鋁散熱器的功率電阻，并將其固定在外殼的基板上。

　　2.3 功能選擇單元

　　鋰電池維護(hù)儀上電后，微控制器動態(tài)查詢波段開關(guān)輸入，進(jìn)行功能選擇判斷，并根據(jù)輸入情況對繼電器進(jìn)行控制，將電池組與充電單元或放電單元導(dǎo)通，實現(xiàn)電池充電或放電，原理如圖4所示。

　　2.4 微控制器模塊

　　微控制器采用美國SILABS公司生產(chǎn)的C8051F340,該微控制器采用8051內(nèi)核，具有48MHz工作頻率，有40個耐5V電平的I/O接口，具有10位A/D轉(zhuǎn)換器，2個UART串口，64KB FLASH,4KB XRAM,可以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

　　微控制器實現(xiàn)以下功能：

　　1）ADC標(biāo)定參數(shù)、電池性能判斷參數(shù)、電壓電量關(guān)系表等數(shù)據(jù)保存于微控制器內(nèi)部FLASH;

　　2）采用內(nèi)部ADC對2組鋰電池通道進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，通過查詢內(nèi)部電池電量與電壓對應(yīng)表，通過2組各4個LED形成的陣列顯示電池容量；

　　3）判斷波段開關(guān)輸入，并相應(yīng)控制繼電器實現(xiàn)電池充、放電等工作；

　　4）識別充電單元、放電單元工作狀態(tài)，實現(xiàn)鋰電池充、放電自動控制；

　　5）通過UART接口與計算機通信，通過上位機軟件對鋰電池維護(hù)儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、實時狀態(tài)監(jiān)測等。

　　2.5 電源單元設(shè)計

　　電源采用交流220V AC供電，由變壓器和整流橋進(jìn)行直流變換，采用LM2596-3.3 V和LM2596-ADJ變換為+3.3 V和+24 V的標(biāo)準(zhǔn)電源。+3.3 V為微控制器等數(shù)字電路提供電源，+24 V為繼電器和LT3652HV等模擬電路提供電源。

　　LM2596系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的具有3A電流輸出的降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（150 kHz）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23 V），并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。提供有3.3 V、5 V、12 V及可調(diào)（-ADJ）等多個電壓檔次產(chǎn)品。

　　3 軟件設(shè)計

　　按照實現(xiàn)功能分類，嵌入式軟件主要完成系統(tǒng)初始化、充電控制、放電控制、維護(hù)控制、性能檢測和電壓測量和中斷服務(wù)程序等模塊，軟件流程如圖5所示。

　　系統(tǒng)初始化程序?qū)ξ⒖刂破鱅/O管腳進(jìn)行配置，包括配置ADC模擬輸入、內(nèi)部電壓基準(zhǔn)選擇、UART串行接口配置，I/O配置、控制器內(nèi)部交叉開關(guān)使能以及中斷配置等。

　　充、放電控制模塊實現(xiàn)繼電器切換、內(nèi)部ADC實時采集，LED陣列顯示動態(tài)刷新，充放電狀態(tài)識別等功能。

　　維護(hù)控制模塊先調(diào)用充電控制模塊，然后調(diào)用放電控制模塊，當(dāng)電池放電到達(dá)設(shè)定值后，控制繼電器使電池與充、放電單元斷開，并通過LED燈指示維護(hù)結(jié)束。

　　性能測試模塊先將電池進(jìn)行充電，當(dāng)充電完成后，開始放電，通過在計算在設(shè)定時間內(nèi)放電功率與統(tǒng)計參考值比較，通過維護(hù)儀上的LED指示燈表明電池性能優(yōu)劣。

　　電壓測量模塊由微控制器內(nèi)部ADC實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換，通過微控制器內(nèi)部FLASH中存儲的標(biāo)定系數(shù)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為物理值，并通過查表得到電池的百分比，通過LED陣列顯示。

　　中斷服務(wù)程序接收并識別計算機上位機下發(fā)給鋰電池維護(hù)儀的命令，當(dāng)微控制器命令執(zhí)行完畢后，返回反饋信息，表明該指令已經(jīng)執(zhí)行。通過該流程可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或計算機監(jiān)測電池維護(hù)過程。

　　4 結(jié)束語

　　經(jīng)過常態(tài)性能測試與高溫工作（+40℃，保溫2 h）、低溫工作（-20℃，保溫2 h）試驗，鋰電池維護(hù)儀性能良好，各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)了鋰電池充電、放電、電壓測量、性能測試和維護(hù)等功能的自動化控制。

　　正常情況下，鋰電池維護(hù)一次需要時間為5~6 h,無需人工監(jiān)視，節(jié)省了人力資源，提高了工作效率。由于LTC3652HV最高可充4節(jié)鋰電池，只需更改相應(yīng)的反饋電阻，鋰電池維護(hù)儀即可為4節(jié)鋰電池進(jìn)行充放電工作，具有良好的實用性和擴展性。通過試驗驗證，鋰電池維護(hù)儀操作簡單，各項性能滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)了鋰電池維護(hù)的自動化，提高了生產(chǎn)效率。