一種高性價(jià)比的11.1V鋰電池充電器的設(shè)計(jì)方案

引言

11.1V鋰電池常用于涵道機(jī)、固定翼、直升機(jī)等航模中，具有放電穩(wěn)定，工作溫度寬；允許較大的充電電流、充電速度快，僅需1~2個(gè)小時(shí)就可以充滿；無記憶效應(yīng)；自放電率低，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng);能量高、儲(chǔ)存能量密度大；輸出電壓高(單節(jié)鋰電池的額定電壓一般為3.6V。而單節(jié)鎳氫和鎳鎘電池的電壓只有 1.2V)等優(yōu)點(diǎn)。但鋰電池在使用過程中也存在嬌氣的一面。在對(duì)鋰電池進(jìn)行充電時(shí)要防止過度充電，如果充電電壓高于規(guī)定電壓或充電電流大于規(guī)定電流，就會(huì)損壞鋰電池或者使之報(bào)廢。在過充電的情況下，能量過剩鋰電池溫度上升，電解液將分解產(chǎn)生氣體，使之內(nèi)壓上升而導(dǎo)致自燃或破裂的危險(xiǎn)。通常單節(jié)鋰電池的終止充電電壓為4.2V，精度控制在±1%之內(nèi)，充電電流不大于1C(C代表充放電速率，1C代表電池正好在1小時(shí)內(nèi)，充滿電或放完電所要求的速率)。鋰電池在使用時(shí)也要防止過度放電，過度放電會(huì)導(dǎo)致電池特性及耐久性變差，可充電次數(shù)降低。通常要求放電電流不大于 2C，終止放電電壓控制在2.4~2.7V左右。

充電電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

鋰電池在充電過程中需要控制它的充電電壓和充電電流并精確測(cè)量電池電壓，根據(jù)鋰電池電壓將充電過程分為四個(gè)階段。每個(gè)階段的需要用不同的電壓和電流進(jìn)行充電，下面以單節(jié)鋰電池為例分別說明每個(gè)階段的狀態(tài)。階段一為預(yù)充電，先用0.1C的小電流對(duì)鋰電池進(jìn)行預(yù)充電，當(dāng)電池電壓≥2.5V時(shí)轉(zhuǎn)到下一階段。階段二為恒流充電，用1C的恒定電流對(duì)鋰電池快速充電，點(diǎn)電池電壓≥4.2V時(shí)轉(zhuǎn)到下一階段。階段三為恒壓充電，逐漸減小充電電流，保證電池電壓恒定=4.2V，當(dāng)充電電流≤0.1C時(shí)轉(zhuǎn)到下一階段。階段四為涓流充電，恒壓充電結(jié)束后，電池已經(jīng)基本充滿，為了維持電池電壓，可以用0.1C甚至更小的電流對(duì)電池進(jìn)行補(bǔ)充充電，到此鋰電池充電過程結(jié)束。

充電器的硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要有微控制器、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、電池狀態(tài)指示電路和充電控制電路組成，電路原理圖如圖1所示。

1、主控芯片

本系統(tǒng)采用ATmega8作為控制核心。

ATmega8是AVR一款高性能、低功耗的微處理器。它采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，共有130條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，具有32 個(gè)8位通用工作寄存器，工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS；只需要兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器；8K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash;獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)；512字節(jié)的E2PROM；1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM；兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；23個(gè)可編程I/O口;8路10位ADC；三通道PWM；實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC；面向字節(jié)的兩線接口；兩個(gè)USART接口；可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的 SPI接口；片內(nèi)看門狗定時(shí)器;片內(nèi)模擬比較器等內(nèi)部資源。

2、電壓檢測(cè)電路

由于ATmega8的ADC的參考電壓設(shè)置為3.072V，而電池在充電過程中電壓可以高達(dá)12.6V，因此需要將電池電壓按比例縮小后才能送入ATmega8的ADC口進(jìn)行采集。

本電路由一個(gè)同相器和20K的可調(diào)電阻構(gòu)成，電池電壓輸入到由LM324構(gòu)成的同相器后，經(jīng)同相器隔離緩沖后輸出到20K的可調(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使輸入到ATmega8的ADC口的電壓為電池電壓的五分之一。3、電流檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路由一個(gè)1Ω/1W的檢測(cè)電阻和一個(gè)同相器構(gòu)成。充電電流在流經(jīng)檢測(cè)電阻時(shí)將產(chǎn)生壓降，同過測(cè)量檢測(cè)電阻的電壓即可獲知充電電流的大小，同相器起到隔離緩沖的作用。