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1 電路組成 多功能充電器由基準電壓源、恒壓—恒流電路、電壓檢測電路、電池最高溫度檢測電路及放電電路等部分組成，電原理圖如圖1所示。 1.1 基準電壓源 作為電池電壓檢測基準，同時作單片機電源。電路由TL431、T3、R18、R19、R20、C5組成。由電路可知，當R19=R20時，三極管T3的射極電壓等于TL431內部基準電壓（UR=2.5V）的兩倍，即2UR=5V。 1.2 恒壓—恒流電路 這是典型的雙環反饋控制電路，圖中U1A為電壓控制的運放，U1B為電流控制的運放。由電路可知，電壓控制的輸出電壓UO控制著電流控制的電流設定值，因此電壓控制先于電流控制，這時電流控制電路是恒壓控制的組成部分。下面分別介紹工作原理 。 恒壓控制電路由運放U1A、電阻R1～R10、電位器W1、電容C1、二極管D1以及開關SW等組成。其作用是鋰離子電池充電時，控制電池電壓不超過設定值。恒壓設定值US由R1、R2和W1對基準電壓5V分壓確定，當SW聯接電池的正極后，反饋電壓UC由R8、R9對Ub+分壓引入，加上R6、R7、C1形成PI調節電路。由電路可知,設誤差電壓E=Ua－UC，那么有U1=Ua + E·(P + I·∫dt)，式中比例系數P=R6/R7，常數I=1/ (R7·C1)。當反饋電壓UC較小即E>0時，U1會不斷增大直到消除誤差（E=0），否則U1會達到最大值，但由于D1的鉗位作用使UO＝5.6V，從而使電流控制電路的設定電壓Ud=UO·R12/(R11+ R12）不變，相應地電池以恒流方式充電。反之，當反饋電壓UC較大即E Ubt=Ub+－Ub- (1) (US－Ua)/R3=Ua/R4+(Ua－Ub-)/R5 (2) 當恒壓控制電路處于平衡狀態時，電容C1無電流，則有： UC=R8·Ub+/(R8+R9) (3) UC = Ua (4) 式中 Ub+ — 電池正極對地電壓； Ub- — 電池負極對地電壓； Ubt — 電池端電壓； US — 設定控制電壓。 恒壓控制的目標是電池端電壓等于設定電壓，即 Ubt = US (5) 另外，還隱含了一個約束條件就是恒壓控制與Ub-的取值無關，這就是在方程組中消去Ub- 必須滿足： R3=R5 (6) 這里，US為確定量；其余Ubt，Ub+，Ub－，Ua，UC，R3，R4，R5，R8，R9等10個參變量應滿足上述方程（1）～（6）。由于變量數比方程數多4個，因此需要確定的參數R3，R4，R5，R8，R9有無窮多組解。 為了求解只需要增加四個約束方程，不妨設：R3= R4=R5=R8=R（R取標稱電阻值）將其代入上述方程組，不難解得：R9 =2R。取R=12kΩ，則有：R3= R4=R5=R8=12kΩ，R9=24kΩ。 當電壓反饋開關SW接地（充鎳電池時），或者電池端壓小于設定電壓即Ubt1.3 電壓檢測電路 通過電壓檢測電路，對電池電壓檢測，達到識別電池充電狀態以便進行控制的目的。電路由兩個運放U1C、U1D、三極管T4和T5以及電阻R21～R26、電容C6、二極管D4構成，其中U1D組成積分電路，U1C作上、下限電壓比較器。這里，當三極管T5截止時上限電壓為基準電壓5V；當三極管T5飽和導通時下限電壓由R25、R26分壓確定，取R25= R26，則下限電壓2.5V（電阻值較大T5的飽和壓降很小），從而保證運放工作在線性區。 由電路可知，開關三極管T4控制積分電容的充電和放電，當其飽和導通時，電容C6充電。若忽略電阻RX的壓降（因RX=RF其壓降不大于160mV），取R21=R22則充電電流IC=0.5U bt/R24（略去管壓降）；而當T4截止時，使電容C6放電,則放電電流ID=0.5Ubt/(R23 +R24)；取R23=470kΩ,R24=5.1kΩ,RX=RF=0.5Ω，則R23>>R24，放電比充電緩慢得多，且放電過程不受開關三極管T4的影響，因此，利用放電過程來檢測電池電壓可保證較高的精度。 運放U1D輸出電壓從5V降到2.5V，即電容C6的端電壓因放電下降ΔU=5-2.5=2.5V時，所需時間T可由下式導出： 根據C6= dq/dU （dq——電容電荷增量，dU——電容電壓增量）得 dq=C6dU 流經電容C6的電流 ID= dq/dt =C6dU/dt 也就是ID·dt=C6·dU 對兩邊定積分得 ID·T=C6ΔU 即 T = C6ΔU/ ID=C6·2.5(R23+R24)/(0.5Ubt) 將R23=470kΩ，R24= 5.1kΩ，C6=0.1μF代入上式可得 T = 237.55ms/Ubt（Ubt單位為伏時，T單位為ms） 可見放電時間T僅與電池電壓成反比，1/T與Ubt是線性關系。 當Ubt=8V時，可得T8=29.69ms，這對于采用6MHz晶振的單片機而言，因其計時可精確到2μs，故可以做到很高的精度，很容易使電壓檢測電路的分辨率達到5mV。由于是積分檢測，故對電池電壓的高頻干擾完全可以消除，因此工作穩定可靠。 1.4 電池最高溫度檢測電路 利用GMS97C2051內部比較器和手機電池內設置的熱敏電阻就能實現電池最高溫度檢測控制。原理圖中，內部比較器反相輸入端接2.5V作為比較基準電壓，電阻RP與電池內熱敏電阻Rt（未畫出）對5V基準電壓的分壓作為被檢測電壓, 接內部比較器同相輸入端P1.0。由于Rt為負溫度特性，當電池溫度升高時，Rt的阻值相應減小，其分壓即被檢測電壓也同時降低，當低于2.5V時，內部比較器輸出（P3.6）低電平，這時即認為電池溫度達到最高控制溫度。 1.5 放電電路 放電電路由三極管T6和電阻RD組成，并受單片機P3.7控制，放電電流大約為IDIS=Ubt/RD。 2 編程控制實現方法 2.1 I/O口分配 P1.2輸入檢測放電請求鍵DIS-K的狀態；P1.3輸入檢測恒壓控制反饋開關SW的狀態，以確定充電模式；P1.5和P1.7輸出驅動LED作充電器狀態顯示；P3.2、P3.3和P3.4為電壓檢測（單積分A/D轉換）專用，P3.4輸出驅動T4用以控制積分電容C6的充電和放電；P3.2輸出驅動T5用以選取比較基準電壓5V或2.5V；P3.3輸入檢測電容C6從5V放電到2.5V時的時間T（與單片機定時器配合）；P3.5輸出驅動T2用以控制電池充電；P3.6輸入檢測電池最高溫度；P3.7輸出驅動T6用以控制電池放電。 2.2 程序功能及實現方法 程序采用模塊結構，主要有定時中斷及I/O刷新子程序，A/D轉換及濾波子程序，鋰離子電池充電方式控制及其狀態識別子程序，鎳鎘/鎳氫電池充電方式控制及其狀態識別子程序，主控程序。各程序模塊的功能如下： ⑴ 定時中斷及I/O刷新子程序 提供時間基準； 輸入刷新，即讀入P1.2、P1.3、P3.6狀態,并使相應的軟標志置位或復位； 輸出刷新，即根據輸入刷新和程序狀態識別處理結果，通過P1.5、P1.7、P3.5和P3.7進行輸出控制。 ⑵ A/D轉換及濾波子程序 將模擬電壓轉換為數字量，通過數字濾波處理提高抗干擾能力和可靠性。它是識別電池充電狀態的基礎。 ⑶ 鋰離子電池充電方式控制及其狀態識別子程序 鋰離子電池充電方式是當電池電壓低于4.2V時，以恒流方式充電；當電池電壓達到4.2V時，以恒壓方式充電。這由硬件保證。另外還有充電45秒停充電1秒的要求，這由軟件實現。 鋰離子電池充電狀態是由充電電流進行識別的，一般認為當充電電流減小到最大充電電流（恒流）的10％時可認為電池充滿。為了間接檢測充電電流，在電流回路中竄入一電阻Rx，使流經Rx的電流變化轉換成電壓變化，再配合充電狀態下的A/D 轉換數值和停止充電狀態下的A/D 轉換數值的比較結果，就能識別是恒流方式充電還是恒壓方式充電。因為鋰離子電池在充滿電以前早已進入恒壓方式充電狀態，所以電壓A/D 轉換數值的變化就是電阻Rx兩端電壓的變化，從而反映充電電流的變化。 ⑷ 鎳鎘/鎳氫電池充電方式控制及其狀態識別子程序 鎳鎘/鎳氫電池一般以恒流方式充電，也有以脈沖方式（恒流充電→停充→放電往復循環，當然放電量遠小于充電量）充電。鎳鎘/鎳氫電池充電狀態由電池電壓增量△U識別，根據有關資料和用本充電器進行的多次試驗結果（見圖2），證實電壓增量△U為負時電池充滿，此時電池的溫度顯著升高。 為了提高識別電池充滿的靈敏度，根據電池電壓檢測的最大值估計電池節數Ｎ，設置相應的判別閥值△Us，一般取△Us＝－６×Ｎ（mV）。為了提高電池充滿識別的可靠性,要求連續三次滿足電池充滿條件(即△U<=△Us)才予以確認。 ⑸ 主控程序 將各個子程序有機地結合在一起，此外還有識別有無電池和識別放電終止電壓等功能。 圖2 電池充電曲線 3 實驗結果及結論 充電器品質的高低取決于電壓A/D轉換的精度和可靠性。為了檢驗本充電器的電壓A/D轉換的性能，在充電器控制程序中有及時將電池電壓檢測數據向外串行發送的功能，用仿真機可以接收電壓數據通過串行口向PC機傳遞數據并顯示電池充電曲線（見圖２）。這樣就能對整個充電過程實行監測，并有助于進一步的研究。經過對幾種電池數十次的充電實驗表明： 本充電器電壓A/D轉換的精度（很容易達到5mV）和可靠性（無失誤）都很高，而且測量電壓的范圍也很寬。可以說，高性能低價位的電壓A/D轉換是充電器品質的根本保證。 |
