基于单片机控制的锂电池充电模块.docx

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基于单片机控制的锂电池充电模块

摘要

电子技术的飞速发展使得各种各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向发展，也使得更多的电子产品采用基于电池的供电系统。

目前，较多使用的电池有镍镉、镍氢、铅蓄电池和锂电池，它们的各自特点决定了它们将在相当长的时期内共存与发展。

由于不同类型电池的充电特性不同，通常对不同类型，甚至不同电压、容量等级的电池使用不同的充电器，但这在实际使用中有许多不便。

本设计以单片机STC12C5A60S2为控制核心，系统由供电电源电路、BUCK降压电路、控制显示电路、输出电压/电流检测电路、输出恒定电流电路、过温/过压保护电路等部分组成。

实现了电池充电、LED指示、液晶显示、保护机制及异常处理等充电器所需要的基本功能。

本文对锂离子电池的参数特性、充电原理与充电方法进行了详尽的描述，并提出了充电模块的设计思想和系统结构。

该电路具有安全快速充电功能，可以广泛应用于室内外锂离子电池的充电，如手机、数码产品电池等。

【关键词】锂电池STC12C5A60S2锂电池的参数特性充电原理与充电方法

Abstract

Electronictechnology'sfastdevelopmentcausesthatvariouselectronicproductstowardsportabletypeandthesmalllightweightdirection.Italsocausesthemoreelectrificationproductstousepowersupplysystemwhichisbasedonbattery.Atpresent,alotofusedbatteriescontainthenickelcadmium,thenickelhydrogen,theleadaccumulatorandthelithiumbattery.Theirrespectivecharacteristicshavedecidedthattheywillcoexistinalongtimedevelopment.Duetodifferenttypesofbatterieschargecharacteristicdifferently.Ingeneral,todifferenttype,evendifferentvoltage,capacityrankbatteryusedifferentbatterychargers,butitleadssomeinconveniencesintheactualuse.

ThecontrolcoreofthedesignisthesinglechipSTC12C5A60S2.Thesystemiscomposedofapowersupplycircuit,BUCKcircuit,displaycircuit,outputcontrolvoltage/currentdetectioncircuit,outputconstantcurrentcircuit,overtemperature/overvoltageprotectioncircuit.Thebasicfunctionofachievingthebatterycharging,LEDindicator,liquidcrystaldisplay,protectionmechanismandexceptionhandlingchargerisrealized.Inthispaper,thechargingparametercharacteristicsoflithiumionbattery、chargingprincipleandchargingmethodisnotonlydescribedindetailbutalsoputtingforwardthedesignideaandsystemstructureofthechargingmodule.Thecircuitprovidessafeandfastchargingfunction,whichcanbewidelyusedinindoorandoutdoorlithiumionbatteries,suchasmobilephone,digitalproductsandsoon.

Keywords:

Lithium-ionbattery;STC12C5A60S2;thechargingparametercharacteristicsoflithiumionbattery;chargingrincipleandchargingmethod

引言

随着社会的快速发展，电子产品小型化、便携化也使得充电电池越来越重要，锂离子电池有较高的比能量，放电曲线平稳，自放电率低，循环寿命长，具有良好的充放电性能，可随充随放、快充深放，无记忆效应，不含镉、铅、汞等有害物质，对环境无污染，被称为绿色电池。

基于这些特性，所以锂电池得到了迅速的发展和广泛的应用。

锂电池充电器是为锂离子充电电池补充能源的静止变流装置，其性能的优劣直接关系到整个用电系统的安全性和可靠性指标。

本文在综合考虑电池安全充电及成本的基础上，设计了一种基于STC12C5A60S2单片机PWM控制的单片开关电源式锂电池充电模块，有效地克服了一般充电器过充电、充电不足、效率低等缺点，实现了对锂电池组的智能充电，达到了预期效果。

该方案设计灵活，可满足多种型号的锂电池充电需求。

1概述

1.1课题研究的背景

充电器是为化学电池设计的理想产品，它们使电池的三项关键指标达到最优化，即容量、寿命和安全性。

正是锂离子电池在各个领域越来越广泛的应用，推动了对锂离子电池充电器的研究。

目前一些大的厂家生产的充电器都具有以下特点：

具备限流保护，电流短路与反充保护线路设计，自动、快速充电、充满电后自动关断等等。

有的还具有LED充电状态显示、低噪声、模拟微电脑控制系统等特点。

由于锂离子的特点使得其对充电器的要求比较苛刻。

其要求的充电方式是恒流恒压方式，为有效利用电池容量，需将锂离子电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度（精度高于1‰）。

另外，对于电压过低的电池除了需要进行预充、充电终止检测、电压检测外，还需采用其他的辅助方法，作为防止过充的后备措施，如检测电池温度、限制充电时间，为电池提供附加保护，由此可见实现安全高效的充电控制已成为锂离子电池推广应用的目标。

1.2锂电池充电特性

锂电池充电需要控制它的充电电压，限制其充电电流。

锂电池通常都采用三段充电法，即预充电、恒流充电和恒压充电。

锂电池的充电电流通常应限制在1C（C为锂电池的容量）以下，单体充电电压一般为4．2V，否则可能由于电压过高造成锂电池永久性损坏。

预充电主要是完成对过放的锂电池进行修复，若电池电压低于3V，则必须进行预充电，否则可省略该阶段，这也是最普遍的情况。

在恒流阶段，充电器先给电池提供大的恒定电流，同时电池电压上升，当电池电压达到饱和电压时，则转入恒压充电，充电电压波动应控制在50mv以内，同时充电电流降低，当电流逐渐减小到规定的值时，可结束充电过程。

电池的大部分电能在恒流及恒压阶段从充电器流入电池。

由此可知，充电器实际上是一个精密电源，其电流电压都被限制在所要求的范围之内。

2理论计算

2.1方案论证与比较

基于单片机控制的锂电池充电模块，选择LM2576-ADJ集成电源芯片基于BUCK降压电路原理构成BUCK降压电路，系统输入电压为10V～25V，输出电流为1.5A。

微处理器选择STC12C5A60S2单片机；电流检测由INA168集成电流检测芯片完成，并将检测结果送到微处理器IO口，通过PI算法程序控制反馈电路使得输出电路电流维持在1.5A，LCD1602液晶显示电路电流大小；输出电压检测经过分压电阻送到STC12C5A60S2单片机自带的10位AD转换IO口，经AD转换将数据送到P0口，并在液晶上显示电压大小。

电路过温、过流保护均由LM339比较器完成。

过压保护是在锂电池电量充满，电池两端电压超过额定电压时控制电源芯片0N/0FF引脚使电源停止工作，进而实现停止充电；过温保护由NTC（负温度系数）温度传感器执行，电池温度超过60℃时停止充。

2.1.1BUCK降压电路选择

方案一：

采用LM2576-ADJ集成电源芯片构成BUCK电路的恒流源控制系统。

LM2576-ADJ输入电压在7V～40V，FeedBack引脚电压恒定1.23V，输出电压稳定可调，电路设计和控制简单。

方案二：

选用MOSFET场效应管构成BUCK降压电路，处理器产生PWM，调节PWM占空比控制电源输出电流大小。

方案比较：

方案一LM2576-ADJ集成电源芯片，可直接构成BUCK电路，电路设计简单，输出电流容易控制，工作稳定，可实现普通BUCK电路参数。

方案二MOSFET构成的BUCK电路对场效应管选择范围广，不同场管由于性能不同外围辅助电路要求也不一样。

大多数场效应管需要外加驱动电路，PWM输入要求有稳定的占空比，最终设计参数的实现对电路各个反面设计都有一定的要求。

结合以上分析，系统BUCK降压电路设计最终选择方案一。

2.1.2电流控制

方案一：

用STC12C5A60S2两路AD转换器采集采样电阻两端电压值，最终得到采样电阻两端电压，利用公式I=U/R计算得到电路中电流大小，通过计算测得的电流值与设定电流值大小比较，判断比较结果由程序控制完成对电路电流控制参数补偿使电流输出恒定为1.5A。

方案二：

使用集成电流检测芯片INA168检测流过采样电阻的电流大小，输出端由STC12C5A60S2单片机转换器完成转换，测得的电流值通过PI控制算法程序调节电流控制电路实现电流输出1.5A。

方案比较：

方案一，采样电阻两端电压太小，AD采样最终得到的检测电流不理想，普通的补偿控制达不到系统设计要求。

方案二1NA168为电流检测专用芯片，检测精确度高，能准确检测电路中电流的大小，使用PI控制算法控制电流，使得系统响应速度和质量都得到了提高，是一种比较常用且择优的控制选择方法。

因此系统中电流控制选择方案二。

2.1.3总体方案设计

由上述方案论证及方案选择可知，其总体方案框架如图1、图2所示：

图1方案一总体方案框架图

图2方案二总体方案框架图

结合方案比较综合考虑最终选选择方案二。

2.2理论分析与计算

2.2.1输出电流分析与计算

LM2576-ADJ能构成易于调节和控制的BUCK电路。

LM2576-ADJ引脚4为FeedBack，该引脚感知调整输出电压进行反馈回路。

由该引脚和运算放大器构成的反馈回路能通过编程实现电路恒定电流输出。

同相放大器同相端输入电压大小为采样电阻上的分压大小，即V+=Is×Rs，根据同相放大器（图3）原理可列出计算式：

图3根据同相放大器

（1）

由设计电路关系计算可得Is*Rs=1.23/Rav，设计中Rs大小为0.1欧姆（精度1‰）的采样电阻，因此可得Is=12.3/Rav，在公式

（1）中电阻单位为K，通过调节Rav的值可实现对输出电流的控制。

系统要求输出电流大小为1.5A，计算可得Rav的取值为8.2K，选择合适的编程求出电阻R1和R2的值。

输出电压为：

Vout=Vref（1.0+R2/R1）Verf=1.23V

2.2.2BUCK电路元件参数分析与计算

经典BUCK电路如图4所示，电路主要组成部分有：

场效应管（开关元件）、电感（储能元件）、电容、续流二极管。

通过开关管的开通和断开，在储能元件的作用下实现降压。

控制开关时间的比例可实现对输出电压和电流的控制，电路设计中开关元件的通断控制通常以PWM控制为主要选择方法，微处理器可产生占空比可调的PWM波形。

图4经典BUCK电路图

在系统设计中BUCK降压电路由集成芯片LM2576-ADJ、电感、电容构成。

电路结构如图5所示。

输入电容C5分析、计算与选择

防止电压瞬变在输入中影响转换器稳定运行，铝或钽电解电容之间需要输入引脚+VIN和接地引脚GND，该电容应位于靠近IC且使用短引线。

电路设计中考虑输入电压大小为10V—25V之间，结合安全裕量最后选择1000uF/50V的点检电容。

续流二极管D3的分析、计算与选择

由于二极管的最大峰值电流超过最大负荷调节电流，钳位二极管电流等级必须为至少1.2倍的最大负载电流。

一个强大的二极管设计，应该有一个额定电流相等的最大电流限制，LM2576能够经受连续输出短路。

.二极管的反向电压等级应至少1.25倍的最大输入电压。

系统设计负载输出电流为1.5A，最大输出电压为8.4V，因此设计中续流二极管选择INA5822。

电感L1的分析、计算与选择

由以下公式可计算电感

EXT=（Vin-Vout）Vout/Vinx106/F[Hz]

（2）

计算出的EXT值与相应的匹配对电感值的选择垂直轴数如图6所示。

这个EXT常数是一个能量处理能力和测量电感都取决于类型的核心、核心区、匝数和占空比。

下一步是确定区域分割的电感EXT值和对负载电流最大值。

从电感的电感值的代码及识别。

然后从表1中选择一个合适的电感。

电感的选择必须额定的开关52kHz和1.15倍负载电流的额定电流。

电感电流额定值可计算电感的峰值电流：

Ip（max）=ILode（max）+（Vin-Vout）ton/2L（3）

Ton为电源开关时间：

表1电感的电感值代码

Ton=Vout/Vin×1/fosc（4）

Inductor

Code

Inductor

Value

The39

ShottCorp

PulseEng

Renco

L47

47uH

77212

67126980

PE-53112

RL2442

L68

68uH

77262

67126990

PE-92114

RL2443

L100

100uH

77312

67127000

PE-92108

RL2444

L150

150uH

77360

67127010

PE-53113

RL1954

L220

220uH

77408

67127020

PE-52626

RL1953

最后分析计算电路中取150uH的工字形电感。

2.2.3BUCK电路输出效率分析计算

输出电流1.5A，电压为8.4V，输出功率P=I×U=1.5×8.4=11.6W。

电路中有电感、续流二极管、电容和LM2576-ADJ造成以发热的形式为主的功率损耗。

电路设计要求充电电源效率不得低于70%。

2.2.4NTC负温度系数电阻计算

热敏电阻的电阻－温度特性可近似地用公式5表示。

R=Roexp{B（I/T-I/To）}（5）

表2热敏电阻的电阻－温度特性

R

温度T（K）时的电阻值

Ro

温度T0（K）时的电阻值

B

温度T0（K）时的电阻值

*T（K）=t（ºC）+273.15

但实际上，热敏电阻的B值并非是恒定的，其变化大小因材料构成而异，最大甚至可达5K/°C。

因此在较大的温度范围内应用公式5时，将与实测值之间存在一定误差。

此处，若将公式5中的B值用公式6所示的作为温度的函数计算时，则可降低与实测值之间的误差，可认为近似相等。

BT=CT2+DT+E（6）

上式中，C、D、E为常数。

另外，因生产条件不同造成的B值的波动会引起常数E发生变化，但常数C、D不变。

因此，在探讨B值的波动量时，只需考虑常数E即可。

常数C、D、E的计算：

（7）

（8）

（9）

（10）

常数C、D、E可由图2-5的（温度、电阻值）数据（T0,R0）.（T1,R1）.（T2,R2）and（T3,R3），通过式7～10计算。

首先由式7根据T0和T1,T2,T3的电阻值求出B1,B2,B3,然后代入以下各式。

电阻值计算实例：

试根据电阻－温度特性表，求25°C时的电阻值为5（kΩ），B值偏差为50（K）的热敏电阻在10°C～30°C的电阻值。

步骤：

根据电阻－温度特性表，求常数C、D、E。

To=25+273.15   T1=10+273.15   T2=20+273.15   T3=30+273.15

代入BT=CT2+DT+E+50，求BT。

将数值代入R=5exp{（BTI/T-I/298.15）}，求R。

*T=10+273.15～30+273.15

电阻－温度特性图如图7所示

电阻温度系数：

所谓电阻温度系数（α），是指在任意温度下温度变化1°C（K）时的零负载电阻变化率。

电阻温度系数（α）与B值的关系，可将式11微分得到。

（11）

这里α前的负号（－），表示当温度上升时零负载电阻降低。

经过时间与热敏电阻温度变化率的关系如下表所示。

表3热敏电阻温度变化率

t

t

63.2%

2t

86.5%

3t

95.0%

4t

98.2%

5t

99.4%

图8热敏电阻温度变化率

目录记录值为下列测定条件下的典型值。

表4热敏电阻典型值

（1）

静止空气中环境温度从50°C至25°C变化时，热敏电阻的温度变化至34.2°C所需时间。

（2）

轴向引脚、径向引脚型在出厂状态下测定。

另外应注意，散热系数、热响应时间常数随环境温度、组装条件而变化。

2.2.5PI控制原理

PI设计过程部分包括检测比较、控制器、执行器。

通过比较测量值与给定值产生偏差信号，控制器对偏差信号修正处理，执行器对输出部分调整并控制，使系统实现自我调整、稳定工作。

图9PI控制原理图

比例（P）控制

（12）

比例控制能迅速反应误差，从而减少稳态误差。

除了系统控制输入为0和系统过程值等于期望值这两种情况，比例控制都能给出稳态误差。

当期望值有一个变化时，系统过程值将产生一个稳态误差。

但是比例控制不能消除稳态误差。

比例放大系数的加大会引起系统的不稳定。

响应曲线图如图10所示：

图10比例（P）控制阶跃响应

积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

为了减小稳态误差，在控制器中加入积分项，积分项的误差取决于时间的积分，随着时间的增加积分项会增大。

这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减少，直到等于零。

积分（I）和比例（P）通常一起使用，称为比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

如果单独用积分（I）的话，由于积分输出随时间积累而逐渐增大，故调节动作缓慢，这样会造成调节不及时，使系统稳定裕下降。

响应曲线图如图11：

图11积分（I）控制和比例积分（PI）控制阶跃相应

比例+积分（PI）控制器

（13）

比较：

PI比P少了稳态误差，PID比PI反应速度更快并且没有了过冲。

PID比PI有更快的响应和没有了过冲。

自动测试方法：

为了确定过程的临界周期Pc和临界增益Kc，控制器会临时使它的PI算法失效，取而代之的是一个ON/OFF的继电器来让过程变为振荡。

这两个参数很好的将过程行为进行了量化以决定PID控制器应该如何调整来得到理想的闭合回路性能。

由STC12C5A60S2单片机组成的数字控制系统控制中，PI控制器是通过PI控制算法实现的。

STC12C5A60S2单片机A/D对信号进行采集，变成数字信号，再在单片机中通过算法实现PI运算，再把控制量反馈回控制源。

PI调节程序如下：

ypedefstructPI{

doubleSetPoint;//设定目标Desiredvalue

doubleProportion;//比例常数ProportionalConst

doubleIntegral;//积分常数IntegralConst

doubleLastError;//Error[-1]

doublePrevError;//Error[-2]

doubleSumError;//SumsofErrors

}PI;

/*==========================================================

PI计算部分

==========================================*/

doublePICalc（PI*pp,doubleNextPoint）

{

doubledError,Error;

Error=pp->SetPoint-NextPoint;//偏差

pp->SumError+=Error;//积分

pp->PrevError=pp->LastError;

pp->LastError=Error;

return（pp->Proportion*Error//比例项

+pp->Integral*pp->SumError//积分项

）;

}

/*==========================================================

InitializePIStructurePI参数初始化

==========================================*/

voidPIInit（PI*pp）

{

memset（pp,0,sizeof（PI））;

}

3系统设计

3.1供电电源设计

BUCK电路输入直流电源电压为10V～25V，系统中STC12C5A60S2、LCD1602液晶显示、TPL0501等供电由LM7805将10V～25V的输入电压稳定后提供。

用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。

因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。

LM7805的内部框图为图12，其电参数如表5。

图12LM7805的内部框图

参数

符号

测试条件

最小值

典型值

最大值

单位

输出电压

V0

Tj=25℃

4.8

5.0

5.2

V

50mA＜I0＜1.0A,P0＜15W

4.75

5.00

5.25

V

Vi=7.5Vto20V

线性调整率

△V0

Tj=25℃,Vi=7.5Vto25V