摘要：基于脉宽调制的锂电池快速、高效充电系统，该动态高效率充电系统包括电源变换模块、可编程单片机、脉宽调制充电模块、电量检测模块及温度检测模块等主要模块。通过单片机编程，控制脉宽调制快速充电，提高充电效率，同时还精准检测电池温度计电量，根据需要控制电池快速充电，又能确保不会温度过高、过压、过充等安全问题，延长电池寿命
关键词：脉宽调制、锂电池、充电、单片机编程 电源变换、电量检测
一 引言
现代生活中，数码产品、智能手机、智能穿戴、电动车及移动式电动工具等产品不断地增长，锂电池的需求量越来越多，电池容量也越来越大。而各种电池供电设备由于需要与互联网云端传输数据，很多产品甚至内置了中央处理器CPU，工作主频高达几百兆赫兹，甚至2GHz以上，导致耗电越来越大，对电池的续航能力很不利。系统耗电增加，需要电池充电电流也需要提高，而目前电池的充电管理电路，通常采用线性充电系统，这种线性充电系统，其基本原理是由一个内部MOSFET管与热调节电路组成。并且通过一个对地电阻设置充电电流限流，充当输入电压大于所设置的门限电压，输入电压与电池接通，进行充电。当电池电压值低于电池或电池组的低压保护值时，用1/10左右设置的充点值涓流充电，电压提高到一个安全值时，改用预设的满电流充电，达到浮充电压后，又改为小电流涓流充电，直到充满自动停止。由于电路工作在线性状态，效率较低，发热量大，限制了最大充电电流只能做到1.5A以下。无法满足电子产品对大容量电池产品充电的需求。而目前的锂电池充电电路大多数采用线性充电电路或采用简单的开关式充电电路，没有检测充电输入端电流，无法根据外接电源适配器的耗电情况调整对锂电池的充电电流，导致可能因为电源适配器功率较低，充电电流过大而损坏电源适配器或引发安全事故，由此可见良好的充电电路，不仅对锂电池充电效率、充电时间、电池寿命及安全性等有影响，而且对外部供电的电源系统是否能正常至关重要。
二 研究背景和意义
不管智能手机、平板电脑、智能穿戴、电动工具等，都离不开给锂电池充电的锂电池充电系统。而在实际应用中，由于锂电池充电电路设计的不合理，导致电池充电过程中过热、鼓包等故障，发生电池爆炸事故时有发生。传统的线性充电电路原理是充电器的电流持续注入电池，但电流会随着电池电压的不断上升而线性地减小，效率较低，通常低于效率低于60%，故温升较高，不利于大容量锂电池的充电。现有线性充电系统与普通开关式充电系统存在以下缺陷：
（1）充电效率低，温升太高，电池寿命短；
（2）充电时间长，无法实现快充；
（3）过压保护精度不够，容易造成过充；
（4）没有内置充电时间限制，容易长期充电造成过热损坏。
综上所述，设计一种用可编程单片机产生脉宽信号，控制MOS管高调制脉宽的开关式充电，并且利用内置高精度模数转换器检测输入电压以便判断外接电源的耗电流，从而调整合适的锂电池充电电流，实现自适应充电电流，确保供电电源的安全性。实现高效率、快充、高精度过压保护与内置充电定时器，满足互联网时代人们的高效、快速充电急切需求，市场需求量巨大。
三 锂电池充电系统现状研究
锂电池是20世纪末出现的相对环保的高效能可充电电池，由于环保、轻便、高储能、自放电系数小、无记忆效益及循环使用寿命长等优点，正逐渐取代传统镍铬、镍氢电池。2016年首破千亿元，产量78.4亿只，2017年全球锂离子电池产业规模超过420亿美元，2018年将保持平稳增长。随之互联网、智能控制、电子终端产品数字化的快速发展，近几年以来可充电锂电池迎来了快速发时期。然而，与之匹配的传统的锂电池充电系统，多采用传统的线性充电电路或简单的开关式充电电路，温升较高，需要比较大的散热面子，导致体积增大，无法满足体积越来越小的数值化电子产品的市场需求。由于脉宽调制的锂电池充电电路，具有效率高、充电电流大、发热量很小、占用体积小等优点，所以受到越来越多的消费者青睐，近几年来，国内外很多知名企业争相加大对该项技术研究的投入。
四 脉宽式锂电池快速充电的优势
脉宽式充电系统包括电源输变换模块、锂电池以及提供各种控制信号的可编程单片机。所述电源转换模块将输入的电源转换为锂电池所需要的电压值，同时与脉宽调制快速充电模块和所述单片机连接；脉宽调制快速充电模块接收来自单片机的控制指令，根据电池需要对锂电池进行涓流充电或快速充电；电量检测模块接收来自锂电池经流充电后的电压值，判断电量后将电量信息传送给单片机的模数转换后，再由单片机发指令控制脉宽调制快速充电模块控制锂电池的充电电流；涓流充电模块包括接收来锂电池温度数据，判断电池温度是否超出安全范围，确保充电安全性。通过单片机内部定时器，充电计时，如超过充电时间，还没有完成电池充电，马上切断充电电路，输出充电故障指示，确保充电系统安全；单片机控制脉宽调制快速充电，同时还精准检测电池温度计电量，根据需要控制电池快速充电，又能确保不会温度过高、过压、过充等安全问题，延长电池寿命。节省能源损耗，为取代传统线性锂电池充电系统的最佳选择。原理方框图如下。
五 脉宽式充电系统电路与软件驱动
为提高充电效率与电池安全性，本设计采用内置高精度模数转换器ADC、电流调节器及看门狗等功能的高集成单片机。为了适合目前流行的编程系统统，使用Keil编译环境，用C语言进行编写、编译，开发环境易学高效。软件利用内部模数转换检测外部电源电压值，将采用的模拟信号转换成数字信号，软件设置的参考值进行比对，判断供电电源续航能力，以此为依据，控制PWM寄存器，调整占空比寄存器，以便根据预判控制占空比，控制连接外部的脉宽调制快速充电模块5的MOSFET，调整合适的充电电流。单片机检测检测电量检测电路2，判断电池电量是否充饱，确保不会过充而损坏。外接的温度检测模块，将采用的信号输入单片机模数转换器ADC分析，判断温度值，如超过软件预设值就关断，否则继续充电。单片机内部定时器进行监控充电时间，如果超时，结合温度检测模块传送的信息，综合判断充电状态，关断充电电路，提示电池故障。否则继续充电直到电池充饱，传送信息给显示模块10，指示电池电量已充饱。
六 脉宽式充电系统原理与控制流程
脉宽式充电系统外接经电源适配器转换为5V至18V直流电源，提供给单片机内部的电压调整器供电。系统供电接到由R4与R5组成的分压器，通过电阻R6输出外部检测电压值给单片机的模数转换器，动态检测外部电源的电压波动的压差，通过单片机软件预设的算法，判断外部电源的带载能力；输入电源VCC与脉宽充电调制模块的Q3与Q4，单片机根据收到的外部电源带载能力信息，单片机PWM1与PWM2产生脉宽调制信号控制Q3与Q4栅极，从而控制在不同电池电量状态下用合适的电流给锂电池充电；当每节锂电池电压低于2V时进入短路电流检测模式，当每节电池电压低于3V时进入预充电模式；每节电池充电截止电压为4.2V，充电完成后，如果每节电池由于电流泄露下降到4.1V以下时，进入再充电周期，Pin9对地电阻R13和Rsns共同调节输出充电电流，I=K*Viset/（Rsns*Risen），其中K=2000V/A，Viset=1V，Rsns，电阻单位是欧姆；LED1显示模块可以显示电池电量与充电状态。系统原理图如下图二所示。
七 结束语
本论文详述如何提高锂电池充电效率、快速充电及安全充电的原理与方法。从而适应互联网时代人们的高效、快速安全充电、节能环保智能数字化的急切需求。有效取代传统线性充电电路，系统地介绍了该脉宽式充电系统比传统充电电路的优点、工作原理、软件驱动原理、系统控制流程，并详细介绍该充电系统的设计、调试方法。随着该项技术的不断完善，可以真正做到智能检测外部供电系统的供电带载能力，调制单片机的脉宽，控制充电电流，避免供电系统过载而损坏，为该领域企业响应国家提倡的节能减排，提供了技术保障。
参考文献
[1] 《数字信号处理理论、算法与实现》 胡广书 清华大学出版 2006
[2] 《PWM整流器及其控制》 张兴，张崇巍 机械工业出版社 2012
[3] 《晶体管电路设计套装》 [日] 铃木雅臣 科学出版社 2017
论文作者:许惠斌
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/17
标签：锂电池论文; 单片机论文; 电流论文; 电池论文; 系统论文; 电压论文; 模块论文; 《电力设备》2018年第19期论文;