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(大連理工大學電信學院電子系 遼寧大連116024摘要:系統(tǒng)以PIClfiF873單片機和LTC4002鋰電池充電芯片為柱心,針對不同電池特性,采用不同的充電方式,可以 對目前廣泛使用的鋰電池和鎳鉻電池充電,同時具有賽時呈示充電及放屯電流,電池電壓.客量統(tǒng)計和電池特性等功能,實 現(xiàn)了蔣合鐵道郜所有相關規(guī)范的列車尾部睬護裝王的充電系繞。關鍵詞:智能電池#HDQt6接口協(xié)議,教據顯示;微控制器中圍分類號:TM910.6 文獻標識碼:B 文章編號: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了市場,但 由于其記憶效應和對環(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,本文設計的充電器可以兼容對兩種電池進行充電,對 鎘鎳電池組采用脈沖充電方式.對鋰電池組采用恒流的充 電方式。這是依據電池的機理不同而設計的,真正做到了 一機兩用。充電器的寬屏LCD可以同時顯示4組充電器 的充電狀態(tài)

4、,亦可單獨顯示一組充電器上電池的各項參 數(shù),做到了對電池充電過程的實時監(jiān)測.及時地提示使用 者淘汰充電次數(shù)超標的電池。1系統(tǒng)整體設計系統(tǒng)設計目標是:可同時對4組8.4V的鋰離子電池 或9.2V的鎘鎳電池進行克放電可與電池組中的芯片通 信,判斷電池的化學性質對于不同化學性質的電池,將采 用相應的充電方式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 顯示電池的各項數(shù)據。該充電器的功能框圖如圖l所示。2系統(tǒng)硬件設計2.1總控單元的設計與實現(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構成的。主要任

5、務是負責與各個充電單元 通信、并處理用戶輸入與I.CD顯示。鍵盤控制芯片在這 里負責6個按鍵和lz個LED的控制。ZLG7289A與微控 制器之間通過SPI總線進行雙向通信o。1。主控單元每秒 查詢一次各個充電單元.獲取當前充電單元的信息如有 無電池、電池性質、電池電壓等。之后由LCD模塊向用戶 顯示。囤I 系統(tǒng)整體謾計結構圖z.2充電單元的總體設計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。要實現(xiàn)對鎳鉻電池充電需要解決以 下問題:首先,LTCA002對電池電壓進行監(jiān)測,保證電池 電壓不超過8.4V。但對于鎘鎳電池組,充電截止電壓可 以達到9.2V;其次,鎘

6、鎳電池充電即將結束時,需對電池 進行以正常電流30%和10%的涓流充電。所以,第二個 需要懈決的問題是如何控制恒流充電的電流大小。此外, 充電單元對鎘鎳電池充電應使用脈沖克電方式。即以1s 為周期,95%的時間用來充電,1%的時問用來放電,其余 時閫不充電也不放電。最后,如何判斷某一個電池是鋰離 子電池還是鎘鎳電池。因為若把鋰離子電池誤判為鎘鎳 電池,會使充電電壓高于8.4V,這對鋰離子電池是十分 危險的。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LTC4002的工作原理,設計了既可以對 鋰離子電池進行恒流一恒壓充電,又可以對鎘鎳電池進行 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調理電路用于使充電器可以既對8.4V的 鋰電池充電,又可以對9.2V的鎳鉻電池充電,同時也起 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鎳鉻 電池進行脈沖方式充電。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,化學性質等關鍵參數(shù)。為了使LTC4002可對高于8.4V電池的恒流充電并 可調節(jié)充電電流,在LTC4002的BAT和SENSE端與采 樣電阻之間加人一級信號調理電路。該電路的主要功能 是對采樣電阻兩端的信號進行運算,針對不

8、同化學性質的 電池。將相應的信號送給I。TC4002。該信號調理電路的功 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控制電流為 恒流充電時的10蟛或30%。對于LTC4002的BAT端的輸入值,當開關選通了鋰 離子電池時,BAT的輸入即是電池電壓。此時,LTC4002可以控制整個鋰離子的充電過程。不需任何外界的干預。 當開關選通了7V恒定電壓后,BAT端的輸入恒定 】76 為7V,此時,LTC4002無法知道電池的真實電壓,只認為 電池電壓為7v。所以盡管電池電壓高于8.4V,仍會以 恒定電流對電池進行充電。在這種情況下,需要微控制器

9、 的干預,否則,會造成電池的過充。由于微控制器內部帶 有A/D轉換器,所以可以監(jiān)測電池電壓的變化。當電池 電壓達到指定值時,減小充電電流.直至電池充滿。這樣 就可以對9.2V的鎳鉻電池進行充電。圖3信虧調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。當需要LTCA002輸出充電脈沖時,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,便有充電電流輸 出。在放電時刻,須將COMP引腳拉低,使LTC4002關斷 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 部有定時器,看門狗電路,10位AD轉換器等模塊”“3。微 控制器以1s為周期對鎘鎳電池進行脈沖充放電。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)軟件設計3.1系統(tǒng)軟件總體設計充電單元中的微控制器主要負責充電過程的控制和 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) 判斷電池的化學性質,針對不同的電池采用不同的充電方 式。若處于放電狀態(tài),則對電池組進行

11、放電,直到電池電 壓低于閩值電壓后,轉為充電狀態(tài)。除主程序之外,總控單元與與充電單元的通信是在中 斷服務程序中實現(xiàn)的。當充電單元收到總控單元的指令 后,進人中斷。若指令是查洵數(shù)據指令,則向總控單元發(fā) 送需要的數(shù)據。若是充電狀態(tài)設置指令,則依據指令設置 充電單元的充電狀態(tài)。3.2通信協(xié)議的實現(xiàn)通過與電池組中電能計量芯片通信的方法來判斷電 池的性質。本系統(tǒng)可以與遵循HDQl6接口協(xié)議的智能 電池組進行通信,除了電池組的化學性質外,還可以將電 池組的容量、電壓、充電電流、編號等數(shù)據一并讀取,供充 電器顯示之用。充電單元可以通過HDQ總線對智能電池進行讀操 作。HDQl6接口協(xié)議是基于指令的西議。一個

12、處理器發(fā) 送8位指令碼給智能電池,這個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接下來的16位數(shù)據到一個指定 的寄存器,或者從指定的寄存器輸出16位數(shù)據。在 HDQl6里,數(shù)據字節(jié)(指令或者字(數(shù)據的最不重要的 位會先傳輸。一個塊的傳輸包括3個部分:第一部分經由主機或者 智能電池把HDQl6引腳置邏輯低狀態(tài)一個t,時間后開 始發(fā)送。接下來的部分是真正的數(shù)據傳輸,數(shù)據位在b時 問間隔里是有效的.負邊界用來開始通信。數(shù)據位被保持 一個t,時間間隔,以便允許主機或智能電池采樣數(shù)據位。 在負邊界用來開始通信后,最后一部分通過返回給 HDQl6引

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

14、的使用和維護應引起高 度重視。應定期檢測電源容量,低容量電源應及時報廢 同時對不同化學性質的電池采用不同的充電方式,防止電 池過早老化。但是在以往的實際工作中,很難按期、準確 地對電源進行容量檢測和低容量電源的淘汰。另外還會 因為列尾電源充電方式不正確等原因,造成列尾電源壽命 降低,給整個列尾設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) 計和電池特性等重要內容,并且通過設定.可以判斷電源 是否達到報廢標準,及時提醒操作者更新電源。為電源維 護保養(yǎng)工作提供明確的參考數(shù)