示功能的鋰電池和鎳鉻電池充電系統(tǒng)

1、帶有顯示功能的鋰電池和鎳鉻電池充電系統(tǒng)陳文輝,劉 軍,蔣國平(大連理工大學(xué)電信學(xué)院電子系 遼寧大連116024摘要:系統(tǒng)以PIClfiF873單片機(jī)和LTC4002鋰電池充電芯片為柱心,針對(duì)不同電池特性,采用不同的充電方式,可以 對(duì)目前廣泛使用的鋰電池和鎳鉻電池充電,同時(shí)具有賽時(shí)呈示充電及放屯電流,電池電壓.客量統(tǒng)計(jì)和電池特性等功能,實(shí) 現(xiàn)了蔣合鐵道郜所有相關(guān)規(guī)范的列車尾部睬護(hù)裝王的充電系繞。關(guān)鍵詞:智能電池#HDQt6接口協(xié)議,教據(jù)顯示;微控制器中圍分類號(hào):TM910.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1004373X(20072217503Charge System for the LiIon

2、 Battery and NiCd Battery with the Function of Display CHEN Wenhui,LIU Jun,J1ANG Guoping(Electronic&ln如mation lnstitu".Dali肌University of Technology.Dalian,116024,Chi"the battery.the kind and so on ate rea|displayed.ne design of system is consonant with the rules in railway,and all the

3、 pa rameters are in advaneed.Keywords:smart battery;interface of HDQl6interface protoeohdata display;microcontroller鎘鎳電池以其穩(wěn)定可靠的性能已廣泛占據(jù)了市場,但 由于其記憶效應(yīng)和對(duì)環(huán)境的污染,發(fā)展中的鋰電池將逐步 替代鎘鎳電池。鑒于市場上鎘鎳電池和鋰電池共存的局 面,本文設(shè)計(jì)的充電器可以兼容對(duì)兩種電池進(jìn)行充電,對(duì) 鎘鎳電池組采用脈沖充電方式.對(duì)鋰電池組采用恒流的充 電方式。這是依據(jù)電池的機(jī)理不同而設(shè)計(jì)的,真正做到了 一機(jī)兩用。充電器的寬屏LCD可以同時(shí)顯示4組充電器 的充電狀態(tài)

4、,亦可單獨(dú)顯示一組充電器上電池的各項(xiàng)參 數(shù),做到了對(duì)電池充電過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測.及時(shí)地提示使用 者淘汰充電次數(shù)超標(biāo)的電池。1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是:可同時(shí)對(duì)4組8.4V的鋰離子電池 或9.2V的鎘鎳電池進(jìn)行克放電可與電池組中的芯片通 信,判斷電池的化學(xué)性質(zhì)對(duì)于不同化學(xué)性質(zhì)的電池,將采 用相應(yīng)的充電方式f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(shù)l充電器帶有LCD,可 顯示電池的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。該充電器的功能框圖如圖l所示。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1總控單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)正總控單元是由微控制器PICl6F873和鍵盤控制芯 收藕日期:20070522 片gl,G7289A構(gòu)成的。主要任

5、務(wù)是負(fù)責(zé)與各個(gè)充電單元 通信、并處理用戶輸入與I.CD顯示。鍵盤控制芯片在這 里負(fù)責(zé)6個(gè)按鍵和lz個(gè)LED的控制。ZLG7289A與微控 制器之間通過SPI總線進(jìn)行雙向通信o。1。主控單元每秒 查詢一次各個(gè)充電單元.獲取當(dāng)前充電單元的信息如有 無電池、電池性質(zhì)、電池電壓等。之后由LCD模塊向用戶 顯示。囤I 系統(tǒng)整體謾計(jì)結(jié)構(gòu)圖z.2充電單元的總體設(shè)計(jì)E匿圈固圓圈 墮塞齷董;塑查星丞望筐塑壁魚塑塑堡堡皇塑窶皇丞堡的PWM控制器1。要實(shí)現(xiàn)對(duì)鎳鉻電池充電需要解決以 下問題:首先,LTCA002對(duì)電池電壓進(jìn)行監(jiān)測,保證電池 電壓不超過8.4V。但對(duì)于鎘鎳電池組,充電截止電壓可 以達(dá)到9.2V;其次,鎘

6、鎳電池充電即將結(jié)束時(shí),需對(duì)電池 進(jìn)行以正常電流30%和10%的涓流充電。所以,第二個(gè) 需要懈決的問題是如何控制恒流充電的電流大小。此外, 充電單元對(duì)鎘鎳電池充電應(yīng)使用脈沖克電方式。即以1s 為周期,95%的時(shí)間用來充電,1%的時(shí)問用來放電,其余 時(shí)閫不充電也不放電。最后,如何判斷某一個(gè)電池是鋰離 子電池還是鎘鎳電池。因?yàn)槿舭唁囯x子電池誤判為鎘鎳 電池,會(huì)使充電電壓高于8.4V,這對(duì)鋰離子電池是十分 危險(xiǎn)的。而將鎘鎳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(jù)LTC4002的工作原理,設(shè)計(jì)了既可以對(duì) 鋰離子電池進(jìn)行恒流一恒壓充電,又可以對(duì)鎘鎳電池進(jìn)行 脈

7、沖式充電的電路。充電單元的總體功能框圖如圖2所示。 用2充電單元的總體功能框圖其中信號(hào)調(diào)理電路用于使充電器可以既對(duì)8.4V的 鋰電池充電,又可以對(duì)9.2V的鎳鉻電池充電,同時(shí)也起 到控制充電電流大小的作用。利用微控制器控制 LTC4002工作狀態(tài),配合放電電路使充電器可以對(duì)鎳鉻 電池進(jìn)行脈沖方式充電。微控制器通過一定的通信協(xié)議(HDQl6通信協(xié)議與 智能電池通信,確定其容量,化學(xué)性質(zhì)等關(guān)鍵參數(shù)。為了使LTC4002可對(duì)高于8.4V電池的恒流充電并 可調(diào)節(jié)充電電流,在LTC4002的BAT和SENSE端與采 樣電阻之間加人一級(jí)信號(hào)調(diào)理電路。該電路的主要功能 是對(duì)采樣電阻兩端的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算,針對(duì)不

8、同化學(xué)性質(zhì)的 電池。將相應(yīng)的信號(hào)送給I。TC4002。該信號(hào)調(diào)理電路的功 能圖如圖3所示。只要正確的控制K的值,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(guān)控制電流為 恒流充電時(shí)的10蟛或30%。對(duì)于LTC4002的BAT端的輸入值,當(dāng)開關(guān)選通了鋰 離子電池時(shí),BAT的輸入即是電池電壓。此時(shí),LTC4002可以控制整個(gè)鋰離子的充電過程。不需任何外界的干預(yù)。 當(dāng)開關(guān)選通了7V恒定電壓后,BAT端的輸入恒定 】76 為7V,此時(shí),LTC4002無法知道電池的真實(shí)電壓,只認(rèn)為 電池電壓為7v。所以盡管電池電壓高于8.4V,仍會(huì)以 恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電。在這種情況下,需要微控制器

9、 的干預(yù),否則,會(huì)造成電池的過充。由于微控制器內(nèi)部帶 有A/D轉(zhuǎn)換器,所以可以監(jiān)測電池電壓的變化。當(dāng)電池 電壓達(dá)到指定值時(shí),減小充電電流.直至電池充滿。這樣 就可以對(duì)9.2V的鎳鉻電池進(jìn)行充電。圖3信虧調(diào)理電路的功能目由于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(dāng)需要LTCA002輸出充電脈沖時(shí),使控制COMP引腳的端口變?yōu)楦咦钁B(tài), 使COMP引腳自行升至360mV以上時(shí),便有充電電流輸 出。在放電時(shí)刻,須將COMP引腳拉低,使LTC4002關(guān)斷 充電電流。之后,再打開放電電路。微控制器選用 PICl6F873,他是一款基于FI,ASH的8位微控制

10、器。內(nèi) 部有定時(shí)器,看門狗電路,10位AD轉(zhuǎn)換器等模塊”“3。微 控制器以1s為周期對(duì)鎘鎳電池進(jìn)行脈沖充放電。其脈沖 充電波形如圖4所示。從圖4可見,充電脈沖約為900ills,放電脈沖約為 10ms。囤4鎘鎳電池脈沖克電波形3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)充電單元中的微控制器主要負(fù)責(zé)充電過程的控制和 與總控板的通信。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(tài)。默認(rèn)是充電狀態(tài)。該狀i現(xiàn)益曳壬撞苤;QQZ笙差Z2鵑昱鎣!船 k塞盛皇墮l態(tài)可由總控單元改變。若充電單元處于充電狀態(tài),則繼續(xù) 判斷電池的化學(xué)性質(zhì),針對(duì)不同的電池采用不同的充電方 式。若處于放電狀態(tài),則對(duì)電池組進(jìn)行

11、放電,直到電池電 壓低于閩值電壓后,轉(zhuǎn)為充電狀態(tài)。除主程序之外,總控單元與與充電單元的通信是在中 斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)充電單元收到總控單元的指令 后,進(jìn)人中斷。若指令是查洵數(shù)據(jù)指令,則向總控單元發(fā) 送需要的數(shù)據(jù)。若是充電狀態(tài)設(shè)置指令,則依據(jù)指令設(shè)置 充電單元的充電狀態(tài)。3.2通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)通過與電池組中電能計(jì)量芯片通信的方法來判斷電 池的性質(zhì)。本系統(tǒng)可以與遵循HDQl6接口協(xié)議的智能 電池組進(jìn)行通信,除了電池組的化學(xué)性質(zhì)外,還可以將電 池組的容量、電壓、充電電流、編號(hào)等數(shù)據(jù)一并讀取,供充 電器顯示之用。充電單元可以通過HDQ總線對(duì)智能電池進(jìn)行讀操 作。HDQl6接口協(xié)議是基于指令的西議。一個(gè)

12、處理器發(fā) 送8位指令碼給智能電池,這個(gè)8位的指令碼由2部分組 成,7位HDQl6指令碼(位06和1位讀/寫指令。讀/寫指令指示智能電池存儲(chǔ)接下來的16位數(shù)據(jù)到一個(gè)指定 的寄存器,或者從指定的寄存器輸出16位數(shù)據(jù)。在 HDQl6里,數(shù)據(jù)字節(jié)(指令或者字(數(shù)據(jù)的最不重要的 位會(huì)先傳輸。一個(gè)塊的傳輸包括3個(gè)部分:第一部分經(jīng)由主機(jī)或者 智能電池把HDQl6引腳置邏輯低狀態(tài)一個(gè)t,時(shí)間后開 始發(fā)送。接下來的部分是真正的數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)位在b時(shí) 問間隔里是有效的.負(fù)邊界用來開始通信。數(shù)據(jù)位被保持 一個(gè)t,時(shí)間間隔,以便允許主機(jī)或智能電池采樣數(shù)據(jù)位。 在負(fù)邊界用來開始通信后,最后一部分通過返回給 HDQl6引

13、腳一個(gè)邏輯高狀態(tài),至少保持時(shí)問間隔來停 止傳輸。最后一個(gè)邏輯高狀態(tài)必須保持一個(gè)b時(shí)問間隔. 以便有時(shí)問讓塊傳輸完全地停止.如果發(fā)生通信錯(cuò)誤,主 機(jī)就發(fā)送給智能電池一個(gè)BREAK信號(hào),讓其控制串行接 口。當(dāng)HDQl6引腳在一個(gè)時(shí)間間隔或者更長時(shí)間里為 邏輯低狀態(tài),智能電池就會(huì)偵測BREAK。然后HDQl6作者簡介陳文輝男,1982年出生,碩士研究生。 引腳回到其正常預(yù)設(shè)高邏輯狀態(tài)一個(gè)t。時(shí)問間隔。然后 智能電池就準(zhǔn)備從主機(jī)那里接收指令01。圖5是用邏輯分析儀顯示HDQ總線上通信的渡形。 4結(jié)語圍5一次HDQ總線通信波形據(jù)中鐵公司統(tǒng)計(jì),電源的故障有時(shí)占到整個(gè)列車尾部 裝置運(yùn)用故障的80%以上。電源

14、的使用和維護(hù)應(yīng)引起高 度重視。應(yīng)定期檢測電源容量,低容量電源應(yīng)及時(shí)報(bào)廢 同時(shí)對(duì)不同化學(xué)性質(zhì)的電池采用不同的充電方式,防止電 池過早老化。但是在以往的實(shí)際工作中,很難按期、準(zhǔn)確 地對(duì)電源進(jìn)行容量檢測和低容量電源的淘汰。另外還會(huì) 因?yàn)榱形搽娫闯潆姺绞讲徽_等原因,造成列尾電源壽命 降低,給整個(gè)列尾設(shè)備的管理工作帶來了許多不便o。 本文提出的充電系統(tǒng)從技術(shù)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(shù)、充電及放電電流、電池電壓、容量統(tǒng) 計(jì)和電池特性等重要內(nèi)容,并且通過設(shè)定.可以判斷電源 是否達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn),及時(shí)提醒操作者更新電源。為電源維 護(hù)保養(yǎng)工作提供明確的參考數(shù)