基于單片機(jī)的鋰離子電池充電器(含程序和電路圖)

聚合物鋰離子電池的充電閉環(huán)設(shè)計摘要：本課題是利用手機(jī)電池的充電曲線以及電池的實(shí)際情況為依據(jù)的閉環(huán)充電過程。利用檢測電路實(shí)時檢測電池的端電壓、溫度，采用開路電壓法進(jìn)行估算電池容量，然后將測得參數(shù)顯示在PC機(jī)上，最后利用控制電路控制充電方式。實(shí)現(xiàn)電池不同容量對應(yīng)不同充電方式的閉環(huán)充電過程。關(guān)鍵字：手機(jī)電池，閉環(huán)充電，開路電壓法1聚合物里電池的充電閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖聚合物鋰電池的結(jié)構(gòu)原理：利用檢測電路實(shí)時檢測電池的端電壓、溫度，并將端電壓和容量值顯示在PC機(jī)上，再利用控制電路選擇哪種充電方式：(1)當(dāng)電池端電壓為2.8V～3.3V時，對電池進(jìn)行大電流充電；(2)當(dāng)電池端電壓為3.3V～3.7V時，對電池進(jìn)行涓流充電；(3)當(dāng)電池端電壓大于3.7V時，停止對電池充電。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖U為電池端電壓、T為電池溫度I為充電電流大小。不同大小的I對應(yīng)不同充電方式2電壓檢測電路的設(shè)計電壓檢測電路包括差模放大電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。2.1差模測量法差模測量法測量對象為電池組。出于擴(kuò)展功能考慮，本課題采用差模測量法對單體電池進(jìn)行測量。擴(kuò)展方向：選取電池組中單體電池進(jìn)行充電。原理：差模測量法是通過控制芯片輸出控制信號來控制繼電器來選通某個電池單體來對其進(jìn)行測量，因此不存在工地的問題?？刂菩酒ㄟ^數(shù)字I/O口發(fā)送數(shù)字信號控制選通電路，選通電路控制相應(yīng)的繼電器閉合，從而把對應(yīng)的電池單體接入電壓采集電路，通過A/D口讀入控制芯片。本課題采用差模測量法設(shè)計電壓采樣電路。采用集成運(yùn)放和精密電阻組成差模電壓電路，抵消測量端的共模電壓，實(shí)現(xiàn)直接測量單節(jié)電池的端電壓。根據(jù)接入電池的電壓大小，選擇適當(dāng)?shù)漠?dāng)大倍數(shù)。2.2差模放大濾波電路單體差模放大濾波電路如圖2所示。集成運(yùn)算放大器采用LM358，LM358內(nèi)部包括兩個獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。LM358內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2差模放大濾波電路差模放大電路：本課題電阻選取1M，進(jìn)行輸入電壓1:1測量。濾波電路：R=100K，C=10nf,f=1/2*pi*RC。f=160Hz，實(shí)現(xiàn)低通濾波作用。(3)A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換芯片采用PCF8591，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。它具有I2C總線接口的8位A/D及D/A轉(zhuǎn)換器。有4路A/D轉(zhuǎn)換輸入，1路D/A模擬輸出。這就是說，它既可以作A/D轉(zhuǎn)換，也可以作D/A轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換為逐次比較型。圖3PCF8591A/D轉(zhuǎn)換芯片PCF8591：將差模放大濾波電路測量得到的模擬量轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的數(shù)字量。3控制電路的設(shè)計本課題所研究的對象是聚合物鋰電池，根據(jù)《力神》公司提供的聚合物鋰電池的數(shù)據(jù)手冊，聚合物鋰離子電池額定電壓為3.7V，容量為10Ah，電源電壓為5V。電池的控制電路設(shè)計如圖4所示，當(dāng)電池端電壓小于3.3V時，對電池進(jìn)行大電流充電，此時綠色二極管和紅色二極管導(dǎo)通，兩燈都亮；當(dāng)電池端電壓為3.3V～3.7V時，單片機(jī)給P1.0口高電平，給P1.1口低電平，此時綠色的二極管截止，只有紅色的二極管亮，對電池進(jìn)行涓流充電；當(dāng)電池兩端的電壓大于3.7V時，兩個二極管截止，此時對電池停止充電。圖4控制電路4SOC的估計4.1電池SOC估算方法概述目前國內(nèi)外常用的荷電狀態(tài)估計的方法主要有放電實(shí)驗(yàn)法、安時(從)計量法、開路電壓法、負(fù)載電壓法、電化學(xué)阻抗頻譜法、內(nèi)阻法、線性模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法。以下就這幾種方法進(jìn)行逐一簡單的介紹。4.1.1放電實(shí)驗(yàn)法放電實(shí)驗(yàn)法是最可靠的電池荷電狀態(tài)(SOC)估計方法，采用恒定電流進(jìn)行連續(xù)放電，放電電流與時間的乘積即為剩余電量。放電實(shí)驗(yàn)法在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用，適用于所有電池，但它也存在兩處顯著缺陷:第一花費(fèi)時間長;第二要必須中斷蓄電池正在進(jìn)行的工作。放電實(shí)驗(yàn)法不適合行駛中的電動汽車，但可以用于電動汽車電池的檢修。4.1.2安時(A.h)計量法安時(A.h)計量法是目前最常用的電池荷電狀態(tài)(SOC)估計方法。假設(shè)放電(或充電)起始狀態(tài)為那么當(dāng)前狀態(tài)(時刻)的電池荷電狀態(tài)(SOC)表示如下。，----額定容量；----電池電流；----充放電效率，不是常數(shù)。4.1.3開路電壓法電池的開路電壓在數(shù)值上接近電池電動勢。電池電動勢是電解液濃度的函數(shù)，液密度隨電池放電成比例降低，用開路電壓可估計蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)。其對應(yīng)關(guān)系也可以估計SOC，尤其在充電初期和末期效果較好。開路電壓法的顯著缺點(diǎn)是需要電池長時靜置，以達(dá)到電壓穩(wěn)定，電池狀態(tài)從工作恢復(fù)到穩(wěn)定，需要幾個小時甚至十幾個小時，這給測量造成困難;靜置時間如何確定也是一個問題.4.1.4負(fù)載電壓法電池放電開始瞬間，電壓迅速從開路電壓狀態(tài)進(jìn)入負(fù)載電壓狀態(tài)，在電池負(fù)載電流保持不變時，負(fù)載電壓隨電池荷電狀態(tài)變化的規(guī)律與開路電壓隨電池荷電狀態(tài)的變化規(guī)律相似。負(fù)載電壓法的優(yōu)點(diǎn)是:能夠?qū)崟r估計電池組的電池荷電狀態(tài)，在恒流放電時，具有較好的效果。實(shí)際應(yīng)用中，劇烈波動的電池電壓給負(fù)載電壓法應(yīng)用帶來困難。解決該問題，要貯存大量電壓數(shù)據(jù)，建立動態(tài)負(fù)載電壓和電池荷電狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型。負(fù)載電壓法很少應(yīng)用到實(shí)車上，但常用來作為電池充放電截止的判據(jù)。4.1.5內(nèi)阻法電池內(nèi)阻有交流內(nèi)阻(impedance，常稱為交流阻抗)和直流內(nèi)阻(resistanee)之分，它們都與SOC有密切關(guān)系。電池交流阻抗為電池電壓與電流之間的傳遞函數(shù)，是一個復(fù)數(shù)變量，表示電池對交流電的反抗能力，用交流阻抗儀來測量。電池交流阻抗受溫度影響大，是對電池處于靜置后的開路狀態(tài)，還是對電池在充放電過程中進(jìn)行交流阻抗測量，存在爭議，所以很少用于實(shí)車上。交流阻抗法原理及應(yīng)用。直流內(nèi)阻表示電池對直流電的反抗能力，等于在同一很短的時間段內(nèi)，電池電壓變化量與電流變化量的比值。實(shí)際測量中，將電池從開路狀態(tài)開始恒流充電或放電，相同時間里負(fù)載電壓和開路電壓的差值除以電流值就是直流內(nèi)阻。鉛酸電池在放電后期，直流內(nèi)阻明顯目前國內(nèi)外常用的荷電狀態(tài)估計的方法主要有放電實(shí)驗(yàn)法、安時(從)計量法、開路電壓法、負(fù)載電壓法、電化學(xué)阻抗頻譜法、內(nèi)阻法、線性模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法。以下就這幾種方法進(jìn)行逐一簡單的介紹。4.1.6神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法電池是高度非線性的系統(tǒng)，對其充放電過程很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性的基本特性，并具有并行結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)能力，對于外部激勵，能給出相應(yīng)的輸出，所以能夠模擬電池的動態(tài)特性來估算電池荷電狀態(tài)。估計電池荷電狀態(tài)常采用三層典型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即:輸入層、中間層和輸出層。輸入、輸出層神經(jīng)元個數(shù)根據(jù)實(shí)際問題的需要來確定，一般為線性函數(shù)，常用電壓、電流、累積放出電量、溫度、內(nèi)阻及環(huán)境溫度等作為輸入變量;中間層神經(jīng)元個數(shù)取決于問題的復(fù)雜程度及分析精度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法適用于各種電池，缺點(diǎn)是需要大量的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，估計誤差受訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法的影響很大。4.1.7卡爾曼濾波法利用卡爾曼濾波方法估算電池荷電狀態(tài)的研究是在近幾年才開始的，卡爾曼濾波的一個顯著特點(diǎn)是，用狀態(tài)空間的概念來描述其數(shù)學(xué)公式。卡爾曼濾波另一個新穎特點(diǎn)是，他的解是遞歸計算的，而且可不加修改地應(yīng)用于平穩(wěn)和非平穩(wěn)環(huán)境。4.2采用開路電壓法估計SOC因?yàn)楸菊n題為電池的閉環(huán)充電過程。Soc要求精度不高，重要的是對電池進(jìn)行充電控制。Soc只需要隨著充電過程的進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)相關(guān)指示便可。所以課題采用開路電壓法估計soc。本課題所采用的是開路電壓法，利用檢測電路實(shí)時檢測電池兩端的電壓，再通過數(shù)據(jù)手冊提供的SOC-U計算公式計算相對應(yīng)的soc。設(shè)x為電池的開路電壓，SOC-U計算公式如下：存在問題：因?yàn)殡姵貎?nèi)部是一個化學(xué)反應(yīng)過程，所以達(dá)到內(nèi)部化學(xué)平衡時候，測量的電池端電壓才相對準(zhǔn)確。所以實(shí)時測量電池端電壓，必然存在一定范圍的誤差。5擴(kuò)展部分因?yàn)殇囯x子電池超過55℃存在爆炸危險，所以成熟的鋰離子電池充電器都具有溫度控制功能，當(dāng)超過警戒值時候，切斷充電電路進(jìn)行純降溫操作。本課題擴(kuò)展了電池溫度檢測部分。利用一個DS18B20溫度傳感器實(shí)時檢測電池的溫度變化，并顯示于PC機(jī)上。為電池的溫度控制提供基礎(chǔ)。溫度信號采集是采用美國Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820來完成的，DS18B20與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，無需外加A/D，能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9一12位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量轉(zhuǎn)換。DS18B20芯片可以采用寄生電源和外部電源兩種供電方式。本文中采用外接5v電源，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)6結(jié)論本課題是利用手機(jī)電池的充電曲線以及電池的實(shí)際情況為依據(jù)的閉環(huán)充電過程。利用檢測電路實(shí)時檢測電池的端電壓、溫度，再利用開路電壓法估算SOC值，計算出相對應(yīng)的容量，然后利用控制電路選擇相對應(yīng)的充電參數(shù)。充電對象為聚合物鋰離子電池，采用先大電流充電至容量的75%，再進(jìn)行小電流充電至容量的99%，最后關(guān)斷電池充電。同時，該閉環(huán)充電系統(tǒng)也存在相關(guān)問題。因?yàn)殡姵爻浞烹娺^程實(shí)質(zhì)是電池內(nèi)部的各種化學(xué)反應(yīng)過程，測量電池端電壓需要等待電池內(nèi)部反應(yīng)平衡時才能實(shí)現(xiàn)小誤差的的測量。課題采用實(shí)時測量電池的端電壓，未等到電池內(nèi)部反應(yīng)平衡，所以必然存在一定范圍的誤差，致使得到的SOC也只是一個粗略的值。因此測量SOC值的方法還有待改進(jìn)。7參考文獻(xiàn)[1]胡弊，宋慧.電動汽車【M】，北京:人民交通出版社，2002.[2]鄭杭波.新型電動汽車鯉電池管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)【D】:[碩士學(xué)位論文].北京:清華大學(xué)，2004.[3]李興虎.電動汽車概論【M】.北京:北京理工大學(xué)出版社,2005.[4]楊太安，純電動汽車電源管理系統(tǒng)的研究【D】:[碩士學(xué)位論文].武漢:武漢理工大學(xué)2006.[5]張翔，趙韓，錢立軍等.國內(nèi)各主要單位電動汽車研發(fā)項(xiàng)目進(jìn)展情況及主要產(chǎn)品介紹[J].汽車技術(shù),2004:42一44.[6]萬剛.中國電動汽車的現(xiàn)狀和發(fā)展[J],中國環(huán)保產(chǎn)業(yè),2003(2):30-33.[7]廖曉軍，何莉萍，鐘志華等.電池管理系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀及其未來發(fā)展趨勢[J].汽車工程,2006.8附錄附錄一程序/**********聚合物鋰電池3.7V10AH充電器程序*************/#include<reg52.h>#include<stdio.h>#include"I2C.h"#include<18b20.h>#definePCF85910x90//PCF8591地址bitack;/*應(yīng)答標(biāo)志位*/intwendu;bitflag=0;inti,j,xms,w,x;unsignedcharAD_CHANNEL;unsignedintD[32];unsignedintcount=0;floatq,y,z,t;sbitLED1=P1^0;sbitLED2=P1^1;initSci()//相關(guān)寄存器初值確定{TMOD=0x20;PCON=0x00;SCON=0x50;TH1=0xF3;TL1=0xF3;TR1=1;}inittimer()//T0計數(shù)器賦初值{TMOD|=0x01;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;ET0=1;TR0=1;EA=1;}/*******************************************************************ADC發(fā)送字節(jié)[命令]數(shù)據(jù)函數(shù)*******************************************************************/bitISendByte(unsignedcharsla,unsignedcharc){Start_I2c();//啟動總線SendByte(sla);if(ack==0)return(0);SendByte(c);if(ack==0)return(0);Stop_I2c();//發(fā)送器件地址//發(fā)送數(shù)據(jù)//結(jié)束總線return(1);}/*******************************************************************ADC讀字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)*******************************************************************/unsignedcharIRcvByte(unsignedcharsla){unsignedcharc;Start_I2c();//啟動總線SendByte(sla+1);//發(fā)送器件地址if(ack==0)return(0);c=RcvByte();//讀取數(shù)據(jù)0Ack_I2c(1);Stop_I2c();return(c);}//發(fā)送非就答位//結(jié)束總線//*******************************************************************voiddelayms(intxms)//延時函數(shù){for(q=xms;q>0;q--)for(w=110;w>0;w--);}voidmain(){initSci();inittimer();while(1)//主函數(shù)無限循環(huán)，電池充電過程中，時時對電池電壓、電量進(jìn)行檢測//A/D轉(zhuǎn)換芯片，選擇0通道{switch(0){case0:ISendByte(PCF8591,0x40);D[0]=IRcvByte(PCF8591)*2;//ADC2模數(shù)轉(zhuǎn)換0,放大2倍顯示break;case1:ISendByte(PCF8591,0x41);D[1]=IRcvByte(PCF8591)*2;//ADC3模數(shù)轉(zhuǎn)換2break;case2:ISendByte(PCF8591,0x42);D[2]=IRcvByte(PCF8591)*2;//ADC1模數(shù)轉(zhuǎn)換3break;case3:ISendByte(PCF8591,0x43);D[3]=IRcvByte(PCF8591)*2;//ADC0模數(shù)轉(zhuǎn)換4break;}if(++AD_CHANNEL>3)AD_CHANNEL=0;while(D[0]<330)//聚合物鋰電池端電壓低于3.3v時，控制電路全部導(dǎo)通進(jìn)行大電流充電{LED1=0;LED2=1;break;}ISendByte(PCF8591,0x40);D[0]=IRcvByte(PCF8591)*2;x=10*D[0];t=D[0]*0.01;if(x>3335)y=1;//將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值表示成端電壓大小//根據(jù)soc與端電壓的關(guān)系，計算電池socelseif(3327<x&&x<=3335)y=1-(8.4745*x*x-56710*x+94872550)*6.89*0.00001;elseif(3297<x&&x<=3327)y=1-(-0.26997*x*x+1740*x-2798620)*6.89*0.00001;elseif(3283<x&&x<=3297)y=1-(7.1293*x*x-47222*x+78219350)*6.89*0.00001;elseif(3179<x&&x<=3283)y=1-(-0.2017*x*x+1256.2*x-1941900)*6.89*0.00001;elseif(2823<x&&x<=3179)y=1-(-0.00735*x*x+40.533*x-41359)*6.89*0.00001;else