一種高性價比的11.1V鋰離子電池充電器的設計方法

引言

11.1V鋰離子電池常用于涵道機、固定翼、直升機等航模中，具有放電穩定，工作溫度寬；允許較大的充電電流、充電速度快，僅需1~2個小時就可以充滿；無記憶效應；自放電率低，儲存壽命長;能量高、儲存能量密度大；輸出電壓高(單節鋰離子電池的額定電壓一般為3.6V。而單節鎳氫和鎳鎘電池的電壓只有1.2V)等優點。但鋰離子電池在使用過程中也存在嬌氣的一面。在對鋰離子電池進行充電時要防止過度充電，假如充電電壓高于規定電壓或充電電流大于規定電流，就會損壞鋰離子電池或者使之報廢。在過充電的情況下，能量過剩鋰離子電池溫度上升，電解液將分解出現氣體，使之內壓上升而導致自燃或破裂的危險。通常單節鋰離子電池的終止充電電壓為4.2V，精度控制在±1%之內，充電電流不大于1C(C代表充放電速率，1C代表電池正好在1小時內，充滿電或放完電所要求的速率)。鋰離子電池在使用時也要防止過度放電，過度放電會導致電池特性及耐久性變差，可充電次數降低。通常要求放電電流不大于2C，終止放電電壓控制在2.4~2.7V左右。

充電電路結構設計分析

鋰離子電池在充電過程中要控制它的充電電壓和充電電流并精確測量電池電壓，根據鋰離子電池電壓將充電過程分為四個階段。每個階段的要用不同的電壓和電流進行充電，下面以單節鋰離子電池為例分別說明每個階段的狀態。階段一為預充電，先用0.1C的小電流對鋰離子電池進行預充電，當電池電壓≥2.5V時轉到下一階段。階段二為恒流充電，用1C的恒定電流對鋰離子電池快速充電，點電池電壓≥4.2V時轉到下一階段。階段三為恒壓充電，逐漸減小充電電流，保證電池電壓恒定=4.2V，當充電電流≤0.1C時轉到下一階段。階段四為涓流充電，恒壓充電結束后，電池已經基本充滿，為了維持電池電壓，可以用0.1C甚至更小的電流對電池進行補充充電，到此鋰離子電池充電過程結束。

充電器的硬件電路設計

本系統重要有微控制器、電壓檢測電路、電流檢測電路、電池狀態指示電路和充電控制電路組成，電路原理圖如圖1所示。

1、主控芯片

本系統采用ATmega8作為控制核心。

ATmega8是AVR一款高性能、低功耗的微處理器。它采用先進的RISC結構，共有130條指令，大多數指令執行時間為單個時鐘周期，具有32個8位通用工作寄存器，工作于16MHz時性能高達16MIpS；只要兩個時鐘周期的硬件乘法器；8K字節的系統內可編程Flash;獨立鎖定位的可選Boot代碼區；512字節的E2pROM；1K字節的片內SRAM；兩個具有獨立預分頻8位按時/計數器；23個可編程I/O口;8路10位ADC；三通道pWM；實時計數器RTC；面向字節的兩線接口；兩個USART接口；可工作于主機/從機模式的SpI接口；片內看門狗按時器;片內模擬比較器等內部資源。

2、電壓檢測電路

由于ATmega8的ADC的參考電壓設置為3.072V，而電池在充電過程中電壓可以高達12.6V，因此要將電池電壓按比例縮小后才能送入ATmega8的ADC口進行采集。

本電路由一個同相器和20K的可調電阻構成，電池電壓輸入到由LM324構成的同相器后，經同相器隔離緩沖后輸出到20K的可調電阻，通過調節可調電阻使輸入到ATmega8的ADC口的電壓為電池電壓的五分之一。

3、電流檢測電路

電流檢測電路由一個1Ω/1W的檢測電阻和一個同相器構成。充電電流在流經檢測電阻時將出現壓降，同過測量檢測電阻的電壓即可獲知充電電流的大小，同相器起到隔離緩沖的用途。

4、電池狀態指示電路

電池狀態指示電路由一個綠色和一個紅色的發光二極管構成，用來指示電池的狀態。紅色和綠色發光二極管都亮為待機狀態，未接入電池；紅色發光二極管單獨亮為預充電狀態；紅色發光二極管閃爍為快速充電狀態綠色發光二極管閃爍為恒壓充電狀態；綠色發光二極管單獨亮為涓流充電狀態，即此刻電池已經充滿。

5、充電控制電路

充電控制電路采用pWM方式控制充電電壓和充電電流，pWM的分辨率為9位，開關頻率為2KHz.在未接入電池時調節R1使BAT+端的電壓為12.975V，當BAT+端的電壓小于12.8V時表示電池已經接入。R1還可以在充電結束時，供應涓流充電的小電流。

充電器的控制軟件設計

在本控制軟件中，控制程序采用多工序結構，將整個充電過程分為5個狀態，在各個狀態滿足一定條件后，遷移到另一狀態。

結語

本文給出了一種高性價比的11.1V鋰離子電池充電器的設計方法，該方法討論了充電器的電路結構和軟件設計思想，介紹了鋰離子電池充電的控制方法，以ATmega8作為控制核心，對充電過程進行全面管理，通過對充電電流、電壓的自動檢測與調整，完成對不同充電階段的精確控制及充滿后的自動停充。最后，經實驗結果證實了該充電器可安全地進行鋰離子電池的快速充電，耗時約1h，比一般充電器(2~3h)的充電速度有顯著提高，從而有效縮短了鋰離子電池的充電時間。