锂电池维护仪的应用设计

导读：每隔半年对贮存的锂电池进行维护时，由于无专业的维护设备，耗费大量人力成本。针对这种情况，设计了具有锂电池维护、充电、放电、性能测试、电压测量等功能的锂电池维护仪，解决了锂电池维护过程中存在的不便。

　　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及场效应管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，由变压器和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。