带有数据显示功能的锂电池和镍镉电池充电系统

摘要：本系统以PIC16F873单片机和LTC4002锂电池充电芯片为核心.针对不同电池的特性，采用不同的充电方式，可以对目前广泛使用的锂电池和镍镉电池充电，同时具有实时显示充电及放电电流、电池电压、容量统计和电池特性等功能，实现了符合铁道部所有相关规范的列车尾部保护装置的充电系统。

关键词：锂电池；镍镉电池；充电器

引言

鉴于市场上镍镉电池和锂电池共存的局面，本文设计的充电器可以对这两种电池进行充电，对镍镉电池组采用脉冲充电方式，对锂电池组采用恒流充电方式，这是依据电池的不同机理而设计的，真正做到了一机两用，此为该充电器的创新点，也是设计的难点。充电器的宽屏LCD可以同时显示4组充电器的充电状态，也可单独显示一组充电器上电池的各项参数，做到了对电池充电过程的实时监测。

系统整体设计

系统设计目标是：

1、可同时对4组8.4V的锂离子电池或9.2V的镍镉电池进行充放电。

2、可与电池组中的芯片通信，判断电池的化学性质。

3、对于不同化学性质的电池，将采用相应的充电方式。

4、可与电池组中的芯片通信，得到该电池组的电压、充电电流、容量等参数。

5、充电器带有LCD，可显示电池的各项数据。

该充电器的功能框图如图1所示。

系统硬件设计

总控单元的设计与实现

总控单元是由微控制器PIC16F873和键盘控制芯片ZLG7289A构成的。主要任务是负责与各个充电单元通信，并处理用户输入与LCD显示信息。键盘控制芯片在这里负责6个按键和12个LED的控制。ZLG7289A与微控制器之间通过SPI总线进行双向通信。主控单元每秒查询一次各个充电单元，获取当前充电单元的信息，如有无电池、电池性质、电池电压等。之后由LCD模块向用户显示。

充电单元的设计与实现

LTC4002锂离子电池

充电控制芯片

LTC4002是一款高效独立开关模式锂离子电池充电控制器。该控制器有4.2V和8.4V两个版本。LTC4002-8.4具有500kHz开关频率，是高效电流模式的PWM控制器。通过驱动一个外部P沟道MOSFET，它可以提供4A的充电电流，而效率可高达90％。输出电压设置为8.4V，最终浮动电压并具1％的精度，而充电准确度为5％。此外，该器件可在9V～22V范围内的多种墙上适配器上运行。与迟滞拓扑结构充电器相比，LTC4002-8.4的快速运行频率与电流模式架构使之能够使用小型电感器和电容器。

锂离子/镍镉电池两用

充电单元的总体设计

从前面对LTC4002的分析可知，该芯片是针对锂离子电池的充电控制器，要实现对镍镉电池充电需要解决以下问题：首先，LTC4002对电池电压进行监测，保证电池电压不超过8.4V。但对于镍镉电池组，充电截止电压可以达到9.2V。其次，镍镉电池充电即将结束时，需要对电池进行以正常电流30％和10％的涓流充电。所以，第二个需要解决的问题是如何控制恒流充电的电流大小。此外，对镍镉电池充电应使用脉冲充电方式。即以1s为周期，95％的时间用来充电，1％的时间用来放电，其余时间不充电也不放电。最后，如何判断某一个电池是锂离子电池还是镍镉电池，因为若把锂离子电池误判为镍镉电池，会使充电电压高于8.4V，这对锂离子电池是十分危险的，而将镍镉电池误判为锂离子电池，则可能造成电池充电不足。因此，必须保证极低的误判率。

本部分根据LTC4002的工作原理，设计了既可以对锂离子电池进行恒流一恒压充电，又可以对镍镉电池进行脉冲式充电的电路。充电单元的总体功能框图如图2所示。其中，信号调理电路使充电器既可以对8.4V的锂电池充电，又可以对9.2V的镍镉电池充电，同时也起到控制充电电流大小的作用。

利用微控制器控制LTC4002的工作状态，配合放电电路使充电器可以对镍镉电池进行脉冲方式充电。

微控制器通过一定的通信协议(HDQ16)与智能电池通信，确定其容量、化学性质等关键参数。

信号调理电路的设计

为了使LTC4002可对高于8.4V的电池进行恒流充电，并可调节充电电流，在LTC4002的BAT和SENSE端与采样电阻之间加入一级信号调理电路。该电路的主要功能是对采样电阻两端的信号进行运算，针对不同化学性质的电池，将相应的信号送给LTC4002。该信号调理电路如图3所示。

这里定义采样电阻两端的电压值是VBAT和Vsense，那么充电电流在采样电阻上的压降VRS为：VRS=Vsense-VBAT，该信号为减法器的输出。设乘法器的乘系数为K，那么乘法器的输出为KVRRS。对于锂子电池，二选一开关将选通电池电压VBAT；对于镍镉电池，二选一开关将选通7V恒定电压。这里设二选一模拟开关的输出为V1，那么加法器的输出Vs应为：V~=KVRS+V1，这样一来，送到LTC4002的BAT和SENSE两端的电压之差应为KVRS。只要正确控制K值，就可以使充电电流为正常充电电流的1/K。因此，可以通过二选一开关控制电流为恒流充电时的10％或30％。

对于LTC4002的BAT端输入值，当开关选通锂离子电池时，BAT的输入即是电池电压。此时，LTC4002可以控制整个锂离子的充电过程。不需任何外界的干预。

当开关选通了7V恒定电压后，BAT端的输入恒定为7V，此时，LTC4002无法知道电池的真实电压，只认为电池电压为7V。所以，尽管电池电压高于8.4V，仍会以恒定电流对电池进行充电。在这种情况下，需要微控制器的干预，否则，会造成电池的过充。由于微控制器内部带有ADC，可以监测电池电压的变化。当电池电压达到指定值时，减小充电电流，直至电池充满。这样就可以对9.2V的镍镉电池进行充电了。

脉冲充放电电路的设计

由于LTC4002是恒流充电控制芯片，因此，必须使用微控制器控制其充电使能引脚COMP。当需要LTC4002输出充电脉冲时，使控制COMP引脚的端口变为高阻态，使COMP引脚自行升至360mV以上时，便有充电电流输出。放电时，必