设为首页 - 加入收藏 - 网站地图 我爱嵌入式(www.52embed.com),专注嵌入式开发技术!
当前位置:主页 > 电路设计 > 正文

锂电池维护仪的设计与应用

时间:2015-05-17 22:28 来源:网络 作者:网络 阅读:

由于锂电池具有能量密度高、单体电压高、无记忆性效应、工作温度范围宽、循环寿命长等优点,在军事和民用小型电器中大量使用。锂电池的容量、循环寿命、荷电保持能力、贮存性能等均需按规定流程对锂电池进行充电或放电来进行测试,而锂电池厂商要求,贮存的锂电池电量保持为标称容量的30%到50%,并每6个月充电一次。

  虽然市面上具有各种型号的充电器,可以满足锂电池充电的要求,但是,将锂电池充满再放电到半何的维护设备并不多见。目前,由锂电池供电的产品贮存时,须将锂电池充满然后放电到半何,其中充电功能可采用标准的充电器,而放电需要手工操作,并不断监视放电电压,以免造成锂电池过放电损坏电池,耗费较多的人力资源,工作效率较低。针对该情况,设计了由微控制器控制的锂电池维护仪,实现了锂电池的从充电到放电的维护功能,同时具有充电、放电、电压测量、性能测试等功能,提高了工作效率。

  1 设计方案

  锂电池维护仪采用220 V AC供电,具有充电、放电、维护、电池性能测试、电压测量五种功能,可满足2组锂电池组同时进行相关操作,技术参数如表1所示。

  锂电池维护仪通过识别波段开关输入状态进行功能选择。工作过程中由状态指示灯指示,并通过LED阵列动态显示电池的电量;工作结束后,自动关断锂电池与充、放电单元的连接,并由LED指示灯提醒。

  2 硬件电路设计

  锂电池维护仪由充电单元、放电单元、功能选择、电源、状态显示、电压监测、微控制器等单元组成,如图1所示。

  2.1 充电单元

  充电单元主要由LT3652HV组成,LT3652HV为LINEAR公司推出的单片降压型“恒流/恒压”锂电池充电芯片,具有以下特点:

  1)宽输入电压范围:4.95~40 V;

  2)可编程充电电流高达2 A;

  3)充电终止方式:C/10或内部充电终止定时器;

  4)浮充电压采用电阻设置,可高达18 V,可满足4节锂电池,5节磷酸铁锂电池和铅酸电池;

  5)可通过并联提供较高的输出电流。

  锂电池浮充电压VBAT(FLT)由RFB1,RFB2、RFB3设置,充电电流由采样电阻Rsense设置,充电状态通过CHRG引脚反馈,原理如图2所示。

  LT3652HV对锂电池充电分为两个阶段;先恒流充电,直到接近终止电压时改为恒压充电。当锂电池电压低于0.7xVBAT(FLT)时,LT3652HV进入预充电模,充电电流为设置值的15%.否则,将以设置的充电电流进行恒流充电,电池电压以较大的斜率上升,当电池电压接近浮充电压时,改为恒压充电,电流渐降。当充电电流降为C/10(约100 mA)时,认为接近充满,芯片CHRG引脚由低电平变为高电平,通知微控制器充电结束。

  2.2 放电单元

  放电单元采用比较器LM211D场效应管IRE540N实现,通过将电池电压与6 V的基准电压进行比较,为了防止放电过程中电池电压抖动引起比较器输出振荡,造成微控制器误判,设置比较器的滞回电压为0.2 V.

  当电池电压大于6.2 V时,比较器输出为3.3 V电平,由微控制器打通场效应管,电池通过功率电阻R6放电,当放电电压小于6.2 V时,比较器输出为0 V,微控制器关闭场效应管,停止放电。

  比较器LM211D输出状态连接到微控制器,微控制器可通过判断该I/O1高低状态进行放电状态识别,并通过I/O2控制放电过程,原理如图3所示。

  锂电池放电时,会有大量的热量从R7散发出来,故电阻R7选用25 W带有铝散热器的功率电阻,并将其固定在外壳的基板上。

  2.3 功能选择单元

  锂电池维护仪上电后,微控制器动态查询波段开关输入,进行功能选择判断,并根据输入情况对继电器进行控制,将电池组与充电单元或放电单元导通,实现电池充电或放电,原理如图4所示。

  2.4 微控制器模块

  微控制器采用美国SILABS公司生产的C8051F340,该微控制器采用8051内核,具有48MHz工作频率,有40个耐5V电平的I/O接口,具有10位A/D转换器,2个UART串口,64KB FLASH,4KB XRAM,可以满足系统设计要求。

  微控制器实现以下功能:

  1)ADC标定参数、电池性能判断参数、电压电量关系表等数据保存于微控制器内部FLASH;

  2)采用内部ADC对2组锂电池通道进行AD转换,通过查询内部电池电量与电压对应表,通过2组各4个LED形成的阵列显示电池容量;

  3)判断波段开关输入,并相应控制继电器实现电池充、放电等工作;

  4)识别充电单元、放电单元工作状态,实现锂电池充、放电自动控制;

  5)通过UART接口与计算机通信,通过上位机软件对锂电池维护仪进行参数设置、实时状态监测等。

  2.5 电源单元设计

  电源采用交流220V AC供电,由变压器整流桥进行直流变换,采用LM2596-3.3 V和LM2596-ADJ变换为+3.3 V和+24 V的标准电源。+3.3 V为微控制器等数字电路提供电源,+24 V为继电器和LT3652HV等模拟电路提供电源。

  LM2596系列是美国国家半导体公司生产的具有3A电流输出的降压开关型集成稳压芯片,它内含固定频率振荡器(150 kHz)和基准稳压器(1.23 V),并具有完善的保护电路,包括电流限制及热关断电路等,利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。提供有3.3 V、5 V、12 V及可调(-ADJ)等多个电压档次产品。

  3 软件设计

  按照实现功能分类,嵌入式软件主要完成系统初始化、充电控制、放电控制、维护控制、性能检测和电压测量和中断服务程序等模块,软件流程如图5所示。

  系统初始化程序对微控制器I/O管脚进行配置,包括配置ADC模拟输入、内部电压基准选择、UART串行接口配置,I/O配置、控制器内部交叉开关使能以及中断配置等。

  充、放电控制模块实现继电器切换、内部ADC实时采集,LED阵列显示动态刷新,充放电状态识别等功能。

  维护控制模块先调用充电控制模块,然后调用放电控制模块,当电池放电到达设定值后,控制继电器使电池与充、放电单元断开,并通过LED灯指示维护结束。

  性能测试模块先将电池进行充电,当充电完成后,开始放电,通过在计算在设定时间内放电功率与统计参考值比较,通过维护仪上的LED指示灯表明电池性能优劣。

  电压测量模块由微控制器内部ADC实现AD转换,通过微控制器内部FLASH中存储的标定系数将数字量转换为物理值,并通过查表得到电池的百分比,通过LED阵列显示。

  中断服务程序接收并识别计算机上位机下发给锂电池维护仪的命令,当微控制器命令执行完毕后,返回反馈信息,表明该指令已经执行。通过该流程可以进行参数设置或计算机监测电池维护过程。

  4 结束语

  经过常态性能测试与高温工作(+40℃,保温2 h)、低温工作(-20℃,保温2 h)试验,锂电池维护仪性能良好,各项指标满足设计要求,实现了锂电池充电、放电、电压测量、性能测试和维护等功能的自动化控制。

  正常情况下,锂电池维护一次需要时间为5~6 h,无需人工监视,节省了人力资源,提高了工作效率。由于LTC3652HV最高可充4节锂电池,只需更改相应的反馈电阻,锂电池维护仪即可为4节锂电池进行充放电工作,具有良好的实用性和扩展性。通过试验验证,锂电池维护仪操作简单,各项性能满足设计要求,实现了锂电池维护的自动化,提高了生产效率。

(责任编辑:admin)

顶一下
(0)
0%
踩一下
(0)
0%
发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。