基于P89LPC936单片机的锂离子电池组智能充电机设计

高安同， 王文兵，张 金，高 望

（1.解放军陆军军官学院 军用仪器教研室，安徽 合肥 230031；2.合肥同智机电控制股份有限公司 安徽 合肥 230031）

锂离子电池相对于镍氢、铅酸以及镍镉等电池在比能量、体积、寿命、环保性等各方面都具有巨大的优势，但安全性等因素却制约着锂离子电池的大规模应用[1-3]。虽然可以通过锂离子电池内部的优化来提高安全性能，但仍然无法解决锂离子电池组因过充电、过放电及过热导致的安全性问题，从而导致寿命终结[4]。

国内外对于锂离子电池管理系统的研究不断深入，但是由于技术限制，这些电池管理系统一般只是在电动汽车等大型锂离子电池组中配备，对于便携式用电设备所采用的电池组，一般只采用部分保护电路和均衡电路，而对其进行充电的充电机也只能进行充电功能。

目前我国现有的电池充电机绝大多数只能实现电池充电功能，如北京寻北科技发展有限公司生产的TBP0402A-1型充电机，而对于容量检测及判断老化程度等功能却不能实现，为此，设计了基于P89LPC936单片机的锂离子电池智能充电机，该充电机不仅可以对当前运用广泛的标称电压为25.2 V和14.4 V的锂离子电池组实现自动选择充电[5]，具有快速充电和常规充电两种方式，并有效预防由于过充电、过放电和过热导致的安全性问题，除此之外，还能检测电池的容量并判断电池的老化程度。

1 充电机的硬件设计

1.1 工作原理

输入的24 V±5 V直流电，经滤波器滤波后，向控制板进行供电，控制板中主要有单片机、电流检测电路、电压检测电路、温度检测电路和充电控制电路等，通过显示板控制充电机工作状态及显示充电电压、电流、容量、时间等，通过电子负载对锂离子电池进行恒流放电（如图1所示）。

1.2 充电机所采用的单片机及其外围电路

图1 原理框图Fig.1 Principle chart

该充电机主要有两个模块组成，分别是：控制模块和显示模块。其中控制模块选用的单片机是PHILIPS公司的P89LPC936FDH Flash单片机，显示模块选用的单片机是PHILIPS公司的P89LPC935FDH Flash单片机。两款单片机都是80C51体系结构，很容易入门。其主要特点主要是：具有超高速CPU内核；具有丰富的片内外围资源：WDT，称频率7.372 8 MHz，度可达1%；超小型TSSOP封装 （另有DIP、PLCC封装），能最大限度节省电路板面积；超低功耗：支持低速晶振，3级省电模式，典型掉电电流仅1 μA；在线ICP编程，仅需引出 5 根线（VCC、GND、RST、P0.4、P0.5）；抗干扰能力强，操作电压2.4～3.6 V。此外，该单片机的优异特性在于它不需要任何外部元件就可以运行，除电源和地之外的所有管脚都可作为I/O口，也就是说28脚LPC932最大I/O口数为26。其有很强的输出驱动能力。灌电流和拉电流分别达到了20 mA和3.2 mA，这一能力与其可独立配置的输出模式（双向、推挽和开漏）相结合即可获得非常高的灵活性来驱动任何负载。

控制板中单片机的外围电路框图如图1所示，电压转换电路将输入电压转换成单片机的工作电压后对单片机进行供电，检测电路对输入输出电压、输出电流、电池温度等进行检测，然后由单片机对采集的数据进行集中处理，最后发出控制指令，通过驱动控制电路实现调节输出及过压过流等保护功能。此外，单片机接收检测指令后，会发射一个信号给电子负载，然后通过对电池进行放电来确定电池的容量是否在可以使用的范围内。

显示板中单片机的外围电路框图如图1所示，显示电路由数据显示、工作报警指示以及工作状态选择3部分组成。数据显示由三位数码管完成，工作报警指示由LED指示灯完成，工作状态选择则由切换开关完成。显示板与控制板之间通过I2C通讯方式进行数据传输，显示板负责把工作状态选择信号传送给控制板处理，而控制板则把显示内容及系统状态发送至显示板进行显示。

1.3 采用LTC6101HV电流传感器检测电流

本研究的电量计量方法采用的是电流积分法[6]，该方法通过计算电池组电流与时间的积分，得到电池的充电电量及放电电量，通过与额定电量进行对比获得电池的SOC，该方法结构简单，稳定，具有较好的精度，但依赖于电流的高精度测量。因此，电流采样环节是该充电机的关键环节，因此对电流采样的精度和线性度要求都很高。因此本设计选用凌特公司的LTC6101HV电流检测放大器来实时的检测电流大小（如图3所示），其是一种通用型、高电压、高压侧电流检测放大器。其卓越的器件特性提供了设计灵活性：最大失调电压为 300 μV，电流消耗仅为 375 μA（60 V电压条件下的典型值）。LTC6101HV采用5 V到100 V电源。

LTC6101HV通过一个外部检测电阻器（R18）两端的电压来监视电流（如式1所示）。内部电路将输入电压转换为输入电流，因而使得能够在高共模电压的小检测信号转换至一个相对于地的信号。低DC失调允许采用一个小分流电阻器和大增益设置电阻器。因此，分路中的功耗可大大减少，从而保证电流检测具有较高的精度。

1.4 采用电子负载放电检测容量

电池性能检测采取先常规充电再恒流放电的方式，以1.5 A恒流放电，放电1小时后进行大电流3.5 A放电能力检查，大电流放电持续时间为30 s，中间间隔10 s的0.3 A的小电流放电，脉冲放电方式持续5 min，此时如果电池的电压低于19 V，则说明电池不合格，反之则继续以1.5 A恒流放电到19 V时截止。放电结束后自动转入常规充电完成一个完整充电过程，单片机内部采用电流积分法计算电池的容量，最终根据充电结束的电池容量判断电池的老化程度，最终确定电池的更换。放电选用恒流电子负载，通过变换基准电压来改变放电电流。电子负载电路如图2所示。

图2 电子负载电路图Fig.2 Circuit of electronic load

1.5 基于IR2181S的充电控制电路

为使该充电机能对25.2 V和14.4 V的两种不同额定电压的电池组进行自动选择充电，本设计采用如下设计思路：采用单片机的P1.6口和P2.6口作为充电的控制端口，在单片机对电池的电压检测完成后，由单片机发出一个信号G1_CON或者G2_CON，这个信号是一个高低电平信号，G1_CON是高电平代表25.2 V，G2_CON是低电平代表14.4 V，当单片机发出高电平信号即G1_CON时，三极管Q5导通，高电压信号进入高低端边缘驱动器IR2181S的HIN口，需要注意的是，TLC555IDR在此的作用是振荡器，负责给高低端边缘驱动器IR2181S一个固定的震荡频率。通过研究IR2181S资料可知，其HO口的输出电压可以高达625 V，而LO口的电压仅能达到VCC+0.3V，结合图3所示，电压信号E1和G1足以将场效应管Q2导通，并且同理分析，此时场效应管 Q3截止，电路的输入电压为 Vin+（24±5 V），于是，此时电路的输出电压Vout+与Vin+近似相等，电路可以对额定电压为25.2 V的锂离子电池组进行充电。同理可以分析低电平信号G2_CON发生时的情况。由于充电机的充电对象是锂离子电池组，所以电流会比较大，为保护单片机免受影响，设计中采用光耦控制大电流。

图3 充电控制及电流检测电路Fig.3 Circuit of charge control and current detection

2 充电机的软件设计

选择Keil Software公司出品的Keil C51软件开发充电机作为P89LPC938 Flash单片机的开发环境，开发语言为C语言。软件设计的原则遵循电池充放电的规律，采用模块化设计思路，分4个功能模块：常规充电、快速充电、储存放电、容量检测（如图4所示）。

智能充电机在开机后，根据操作者按键的选择，充电机将遂行相应任务。如选择“容量检测”时，以标称电压25.2 V的锂离子电池组为例：电池先进行常规充电，当充满电后，对电池进行1.5 A恒流放电1 h，然后对电池进行脉冲放电5 min，目的是检测电池的大电流放电能力。放电结束后，如果电池的电压低于19 V，则说明电池目前的老化程度为故障；如果电压大于19 V，则说明电池的老化程度为合格，并且根据充电机显示的容量数据，可以获得电池目前可用的电量参数。

3 实验结果及分析

本文实验都是在室温下进行，所以温度影响并没有加以考虑。

本研究针对的对象是刚出厂的两组标称电压为25.2 V和14.4 V的军用锂离子电池组，通过对其进行电流大小为2.5 A的1小时快速充电，快速充电曲线和常规充电曲线的示意图如图5所示，可知，该充电机快速充电时间相对常规充电而言减少了一半。

图4 智能充电机功能软件流程图Fig.4 Software flow chart of smart charger’s function

图5 两种标称电压不同的锂离子电池组快速充电及常规充电曲线图Fig.5 Fast charging and normal charging graph of two Li-on batteries with different

图6 所示的是智能充电机的容量检测实验，即先对锂离子电池进行常规充电再进行1.5 A恒流放电，由图可知两组电池经过容量检测后，发现都为合格，并且电池的老化程度良好，显示板显示两组电池容量分别为2.51 Ah和1.43 Ah，显示值与电池额定容量相差分别为2.6%和3.1%。并且在电压和电流输出精度上，通过用示波器实时对比显示板输出的数据内容，输出误差保持在0.2%以内，所以该充电机的精度很高。

图6 两种标称电压不同的锂离子电池组容量检测曲线图Fig.6 Capacity detection graph of two Li-on batteries with different nominal voltage

4 结束语

该充电机能够满足标称电压不同的两种锂离子电池组的充放电需求，并且具备保护电路，能有效的防止电池过充、过放及过热现象的产生，确保电池的安全。具有显示模块，可实时准确的掌握电池在充放电过程中的参数，并且具备容量检测等功能，能迅速判断电池的老化程度，并具备较高的精度。

[1]Wencong Su，Eichi H，Zeng Wente，et al.A Survey on the Electrification ofTransportation in a Smart Grid Environment[C]//Industrial Informatics，IEEE Transactions on，2012（8）:1-10.

[2]Z.Bin.Voltage Characteristics of Li-Ion Power Battery for EVs[J].Chinese Battery Industry，2009，14（6）:398-404.

[3]骆晶，刘国繁，蔡志辉.混合动力汽车用 MH/Ni蓄电池充放电特性研究[J].电源技术，2012（4）:511-514.LUO Jing，LIU Guo-fan，CAI Zhi-hui.Study of Charge-Discharge Character of MH/Ni power battery for HEVs[J].Journal of Power Sources of China，2012（4）:511-514.

[4]吴宇平，袁翔云，董超，等.锂离子电池——应用与实践[M].北京：化学工业出版社，2012.

[5]GJB 4477-2002，锂离子蓄电池组通用规范[S].北京：总装备部军标出版发行部，2003.

[6]ZHANG Jin，GAO An-tong，CHEN Rong-gang，etal.Discussion on the Li-on Battery Health Monitoring and Remaining-useful-life Prediction[C].in ICEEP Advanced Materials Research， Guilin， China，2013.