1、基于单片机的锂电池充放电电路设计探讨 徐文隽 王芳 南京林业大学淮安校区电工电子实验中心 南京林业大学淮安校区物理实验中心 摘 要： 随着科学技术的不断完善和发展, 移动智能产品的功能日益多元化, 其使用越来越频繁, 各类数码产品的锂电池不能满足用户的需求, 移动电源在人们的生活中得到广泛的应用。移动电源的储能单元一般都是锂电池, 本文通过分析锂电池的主要工作愿和能力, 分析其充电和放电的主要特征, 完善锂电池充电和放电的设计, 并且提出了具体的设计方案, 提升移动电源的实用性。关键词： 锂电池; 移动电源; 充电; 放电; 作者简介：徐文隽 (1989) , 女, 山东巨野人, 大学本科,
2、助理实验师, 研究方向:仪器仪表、单片机。随着移动互联网的不断发展, 智能终端得到普及, 可携带式的移动电子产品得到人们的青睐。智能手机、平板电脑等设备都需要采用锂电池供电, 但是人们对这些电子产品非常依赖, 常常出现电力不足的情况。现在各类数码产品的功能非常完善, 而且使用也非常频繁, 完善电子产品的锂电池的性能显得非常关键。为了确保外出时电子产品可以保持充足的电量, 很多用户都会采用移动电源给电子产品充电。移动电源中由锂电池供电, 其在平板电脑、数码相机中也得到了应用。移动电源技术突破了固定电源的局限性, 在锂电池发展中也是一项突破。本文结合单片机技术, 分析锂电池充电和放电的设计。1 充
3、电和放电电路系统结构及锂电池的优势1.1 充电和放电电路系统结构移动电源俗称充电宝, 其中有锂电池作为储能电源, 借助升压和降压的方式, 对电力进行释放和保存, 结合了储存电能和提供电能的功能, 其体积比较小, 携带非常方便, 可以给各类数码产品随时充电。充电和放电系统主要是由控制电路、升压电路和充电管理电路等构成。升压电路主要起到输出断路和保护电路的效果, 移动电源的锂电池主要起到充电、放电和保护电路的效果, 系统供电管理电路主要起到电量的检测效果。充电系统的质量受到充电电池的材料、体积和容量等影响。由于锂电池与其他类型的电池比较而言, 其质量比较小, 而且体积不大, 放电量不大, 可以进行
4、快速的充电, 在各类智能设备的充电中得到广泛的应用。与液态的电池相比较而言, 移动电源中的锂电池充分的采用固体聚合物, 电池的形状非常薄, 而且形状可以发生变化, 体积也能得到缩小, 其能量密度非常大, 在相同的体积下, 锂聚合物电池的重量更小。所以, 在电子产品中的移动电源中, 一般都是采用锂聚合物电池。在移动电源中使用的锂电池对电压提出了非常精确的要求, 一般电压控制在4.5V 以内, 其电压非常低, 在低电压的情况下, 锂电池在为各类数码产品充电的环节中, 需要借助升压控制电路, 在移动电源的电力向外界输出时, 应该先提升其电压。在移动电源中常用的是锂聚合物电池, 在储能完成后, 应该及
5、时补充电量, 在锂电池的电路中, 应该确保设计了充电控制电路。在移动电源的核心技术中, 在给手机充电的环节中, 应该分析放电的电路和电压的曲线是否是平滑的, 如果曲线不是平滑的, 其就会对充电设备产生破坏, 所以, 在充电和放电的环节中, 要完善电路的保护设计, 防止电路输出不稳定, 对智能设备产生损坏, 而且也会影响移动电源的质量。移动电源是化学电池设计的产物, 在使用中, 电池的容量、寿命和安全性对其产生直接的影响。在锂电池广泛应用的今天, 移动电源也得到了人们的青睐。在很多移动电源的生产厂家中, 他们对移动电源的性能都有明确的要求, 移动电源具有较好的限流保护的效果, 而且可以防止电流发
6、生短路情况, 完成反充保护线路的设计。在自动充电和快速充电中可以得到完善, 而且在电量充满后, 可以实现自动化的断电。在移动电源上还涉及了 LED 灯, 对充电的状态进行展现, 并且实现了低噪声的充电方式, 可以模拟微电脑的控制。在移动电源的生产中, 如果要采用锂电池, 那么要保证充电的环节中保持恒定电流和恒定电压, 从而确保电池的容量可以得到有效的利用。在进行锂电池充电的环节中, 将其放置到最大的电压中, 如果出现过充的情况, 就会对电池产生损坏。而且如果电压非常低, 要采用预充的方式, 在充电终止时要进行相应的检测, 还可以采用其他的方式, 对电池的温度检测, 完善电池的附加保护。如今,
7、在进行移动电源的设计中, 实现了电池的充电功能, LED 显示电量的功能, 保护机制, 当移动电源在充电中, 电池的温度超过一定的数值, 就会停止充电, 或者电压出现异常情况后, 指示灯会呈现红色。在过流和过压的情况下, 移动电源都能得到保护。在针对异常情况进行处理中, 可以确保快速的恢复充电。1.2 锂电池的优势其一, 锂电池的能量密度非常高, 在使用中, 其体积能量密度和质量能量密度都能得到保障, 而且随着锂电池的不断研发, 其能量密度还在不断的提升。其二, 其工作电压可以得到保障, 在单节锂电池放电的环节中, 其电压可以达到 3.7V, 其在 3V 的电路中也能正常的供电。如果电子设备的
8、电压比较高, 可以将电池串联在一起使用, 串联的电池数量会大大的减少。其三, 锂电池的自放电非常小, 通常在 10%以下, 这是普通的镍电池不能达到的。其四, 锂电池实现了快速的充电和放电功能, 每次充电一个小时就能充 80%的电量, 锂电池的负极是采用碳电极构成, 其可以代替普通的金属离子, 其可以实现快速的充电。在比较危急的情况下, 锂电池可以在两个小时内将电量充满, 其安全性可以得到保障。其五, 锂电池的寿命非常长, 锂电池的负极采用的是碳负极, 所以在充电和放电的环节中, 在负极处不能有金属锂产生, 从而可以防止电池在充电的环节中出现短路的情况。锂电池可以使用 1000 次以上。其六,
9、 锂电池在不同的温度范围下都能使用, 锂电池实现了低温放电的能量, 其在-20 摄氏度的低温环境下能使用, 在 60 摄氏度的高温条件下也能使用。其高温放电性能是其他类型的电池不能达到的。其七, 锂电池的体积小, 而且输出的功率非常大, 不会产生严重的污染。其综合性能要比镍镉等电池好。2 硬件电路设计在进行移动电源硬件电路设计的环节中, 应该采用低能耗的单片机的方式, 单片机的成本比较低, 而且不会有太多的引脚, 在小型的家电中也得到了广泛的使用。在进行温度的测量和高端智能充电器的使用中, 得到广泛的应用。在本次的设计中, 结合充电器、稳压器等实现了移动电源充电和放电的保护工作。2.1 单片机
10、控制电路在进行单片机的控制电路设计中, 一般是采用高速度, 低能耗的设计方式, 单片机具有 8 位高性能精简指令, 内部采用一次性编程的方式, 采用数据寄存器的方式, 计数器也采用 8 位的。在系统中采用多个时钟, 工作模式主要有四种, 信道有 15 个, 莫属转化器采用十二位的, 中断源有五个。在设计中, 移动电源的控制系统运用单片机实现。控制电路的主要作用在于实现对电压的收集, 对充电和放电的状态进行控制, 对电量进行指示。单片机的复位端口处的开关直接控制整个系统的工作。发光二极管主要对充电和放电时的电量进行展示。在充电器的芯片中可以及时的放出信号, 对锂电池的充电情况进行判断。如果是处于
11、高电平的状态下, 就说明锂电池处于充电的状态, 如果是在低电平的状态下, 说明锂电池没有在充电的状态中。由于锂电池自身的电压并不是特别的稳定, 其变化的范围比较大, 所以在对其模拟输出量进行分析中, 应该采用串联电阻分压的方式, 控制好模拟量的变化范围。在充电检测端口处, 应该完善放电检测端口的设计。端口一般是放电检测端口, 采用降压型的稳压器, 可以在一定程度上延长电池的使用年限, 防止电池在充电和放电的环节中出现电压不稳定的情况, 从而确保供电的稳定性。单片机在对电路进行控制的环节中, 可以结合低压差大流稳压器的方式。2.2 系统供电管理电路在本次的研究中, 采用系统供电的方式, 运用线性
12、充电器的方式, 其可以确保电流和电压处于恒定的状态。在电压和电流保持恒定的状态下就能保障锂电池实现线性充电。为了完善散热的效果, 在系统下部都安装了散热片, 为了确保芯片的正常使用, 也可以设计 USB 接口的方式, 结合适配器电源。在内部设计了防止倒充的电路, 所以不需要采用隔离二极管的方式。在移动电源正在使用的环节中, 采用高脚电平, 芯片的使用状态非常好, 在引脚为充电电路大小, 实现对引脚的控制, 在接受一定的电阻后, 在充电的时候可以保持恒定的电流和电压, 电压可以控制在 1V, 在电流通过引脚后, 电流的数值也是恒定的。在引脚向锂电池提供电流后, 内部设计了精确的电阻分压器, 从而
13、完善电压的恒定性。在整个充电过程, 实现了智能化的监控, 在锂电池充电的环节中, 完善了预充、电流恒定和电压恒定的功能。2.3 充放电保护电路在锂电池的使用中, 要设计好专门使用的芯片, 从而可以防止锂电池出现过度充电的情况, 电流过大会导致锂电池的使用年限的缩短, 甚至会出现电池被损坏的情况。提升电压检测的精度, 完善延迟的功能。在完善充电和放电保护电路后, 可以确保导通电阻的的降低, 提升锂电池的性价比。在电池保护和低压开关电路的使用情况中, 可以完善锂电池过流保护的效果, 在进行引脚的设计中, 可以设计放电控制引脚, 在对电压进行检测的环节中, 应该有效的控制放电, 当电压提升后, 再恢
14、复正常的放电。在充电控制引脚的设计环节中, 在对电压监测中, 如果电压比较高, 应该分析锂电池是否出现了过充的情况, 在电压降低后可以进行继续充电。在这项设计中, 可以有效的防治锂电池过度的放电和过度充电的情况, 防止对锂电池的寿命产生影响。2.4 升压输出电路在升压输出电路的设计中, 要充分的采用稳压器, 可以完善电压源、振荡电路、误差放大器等切换, 从而对切换电路进行合理的控制, 在高效率的电路中可以充分的采用。这种方法可以充分的借助宽栅极电压的处理方式, 在电池保护中得到广泛的应用。在升压输出电路的应用中, 主要是采用稳压器的方式, 当锂电池的负载较大的情况下, 可以采用高电平的方式,
15、确保芯片可以正常的使用。在专用锂电池的升压后, 可以采用引脚输出的方式。3 结语本文主要分析了移动电源锂电池充电和放电的情况, 完善升压方式, 在移动电源的设计中实现了安全性, 在各个单元电路的设计中更加的完善, 完善外围电路的设计, 并且完善了温度保护、过载保护和漏电保护的方针。参考文献1尤国平.基于单片机的锂电池充放电电路设计J.科技广场, 2016 (05) :58-61. 2王立志, 何东朗, 李栋, 汪德洋, 张峰源.基于 STC15 的锂离子电池充放电保护电路J.单片机与嵌入式系统应用, 2016, 16 (01) :26-28+32. 3代健美, 耿华芳.一种电池组均衡充放电电路的设计与实现J.国外电子测量技术, 2015, 28 (06) :38-40.
