當(dāng)為不同電池芯容量的多種化學(xué)類型電池充電時(shí)，在不同的充電階段上，電池電壓可能會(huì)高于或低于電源電壓。因此，需要對(duì)電源電壓做升壓或降壓，以配合電池的電壓。例如，當(dāng)為一個(gè)典型電壓為1.25V的單芯NiMH(鎳金屬)電池充電時(shí)，必須對(duì)3.3V的電源做衰減或降壓。當(dāng)要為一個(gè)單芯4.1V鋰離子電池充電時(shí)，輸入電壓需要做升壓。為解決這些問題，應(yīng)用一種SEPIC(單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器）作為主充電路徑(參考文獻(xiàn)1)。這種開關(guān)模式的dc/dc轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可以同時(shí)在某個(gè)電壓區(qū)間內(nèi)完成升降壓工作，從而提供了電源電壓的靈活性。
鋰離子與NiMH化學(xué)類型需要不同的充電曲線，但一個(gè)靈活的充電架構(gòu)可以方便地用于兩種情況。較為靈活與簡便的實(shí)現(xiàn)方式是，用微控制器上的固件，從一種化學(xué)類型切換到另一種類型。如果設(shè)計(jì)一種模塊化的充電子系統(tǒng)，并將各種功能封裝到各個(gè)模塊中，就可以根據(jù)系統(tǒng)需求，使用某個(gè)系列中的不同微控制器，實(shí)現(xiàn)相同的應(yīng)用。模塊化的使用簡化了設(shè)計(jì)，開發(fā)人員就能夠?yàn)槠渌饕獞?yīng)用增加電池充電功能，如電機(jī)控制與醫(yī)療測量等(參考文獻(xiàn)2)。
在控制充電電流時(shí)，電池充電器必須要確定出電池的電壓、電流與溫度。確定電池狀態(tài)的硬件對(duì)所有電池類型都是共同的，電池電壓可以高于或低于微控制器的輸入范圍。因此，工程師們一般都會(huì)用一個(gè)電阻分壓電路測量電壓，做電壓衰減。他們可以測量高側(cè)的電流，即進(jìn)入電池的電流；也可以測量低側(cè)的電流，即離開電池的電流；或者，在SEPIC情況下，可以在電感的次級(jí)端使用一只電阻。電池通常都內(nèi)嵌有熱敏電阻，可以用于監(jiān)控和確保電池溫度的精度。有些商用電池制造商為降低成本而省略了這些熱敏電阻。這種情況下，用戶可以外接一只熱敏電阻，并使之與電池接觸。
采用這些測量參數(shù)，微控制器就能確定并控制進(jìn)入電池的充電電流。從電池充電器的角度來說，不同化學(xué)類型之間的主要區(qū)別就是充電曲線(圖1與參考文獻(xiàn)3)。鋰離子電池采用的是恒流恒壓的充電曲線。如果電池電壓在啟動(dòng)時(shí)低于恒流閾值，則電池充電器會(huì)以少量電流供電，大約為電池容量的10%。在這個(gè)預(yù)處理階段，電池電壓會(huì)隨著充電電流而逐步增加。當(dāng)電壓達(dá)到快充閾值時(shí)，微控制器將充電電流增加到約為100%容量。這個(gè)恒流階段一直保持下去，直到電池電壓達(dá)到規(guī)定的電壓值。然后，電池充電器進(jìn)入恒壓階段，在此期間，充電電流減小，同時(shí)電池電壓保持在規(guī)定的電壓值。當(dāng)電流降低到終止電流時(shí)，電池電壓保持不變，而電池充電過程終止。
在充電期間，電池中的電流隨溫度的變化而變化。如果有任何電池狀態(tài)參數(shù)(電壓、電流或溫度)超出了相應(yīng)電池充電階段所規(guī)定的范圍，則電池充電器會(huì)停止充電做保護(hù)。
NiMH電池的前兩個(gè)充電階段與鋰離子電池類似，即：20%容量的激活段，以及100%容量的恒流段。電壓下跌與溫度下跌表明了NiMH電池的恒流段結(jié)束，而電流保持恒定。在這次電壓下跌后，NiMH充電器的充電曲線進(jìn)入了充電完成階段，在此期間，電流降低到約5%容量的涓流水平。這一階段提供一個(gè)恒定時(shí)間的小充電電流，直到充電終止。
使用這些充電需求，就可以將電池充電過程簡化為不同的水平，方法是用一個(gè)預(yù)先定義了電壓、電流、溫度和超時(shí)等數(shù)值的狀態(tài)機(jī)。微控制器的狀態(tài)機(jī)控制著電池的狀態(tài)，以及充電所需要的電流量。圖2是一個(gè)可為這兩種電池充電的簡化的狀態(tài)機(jī)。
根據(jù)所選擇的電池化學(xué)類型，微控制器會(huì)檢查電池的狀態(tài)機(jī)，控制充電電流。電池充電的曲線可以有預(yù)編程、啟動(dòng)前或自動(dòng)決定三種形式。對(duì)于前兩種方式，微控制器會(huì)從用戶的輸入獲得電池類型。對(duì)預(yù)編程情況，模塊軟件會(huì)選擇充電電池的類型，用所需曲線為微控制器編程。這種決策方式適用于那些充電是附加功能的應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，電池類型是已知的。
在啟動(dòng)前方式中，微控制器會(huì)做一個(gè)附加檢查，這種檢查可以簡單到在啟動(dòng)時(shí)由微控制器檢查開關(guān)的位置，從而確定電池的充電曲線與選擇。對(duì)于自動(dòng)檢查方式，微控制器會(huì)在啟動(dòng)后自動(dòng)地做出決策，通過檢測電池的類型而選擇電池充電曲線。例如，一只單芯NiMH電池的典型電壓范圍為0.9V~1.25V，而一個(gè)鋰離子電池芯的電壓范圍為2.7V~4.2V。同樣，不同電池的溫度范圍也有差異，微控制器可以在啟動(dòng)時(shí)保存和比較這些數(shù)值。自動(dòng)檢查方案只能用于某些情況。一般來說，預(yù)編程與啟動(dòng)前方法可用于大多數(shù)應(yīng)用。本文主要討論預(yù)編程決策，面向那些電池充電是附加功能的應(yīng)用。
兩種化學(xué)類型都使用了相同的硬件，用于電池充電器的檢測與控制(圖3)。要確定電池的狀態(tài)，就要將電壓、電流和溫度以多工方式輸入到微控制器中的一只ADC，完成測量。固件使用這些數(shù)值確定出狀態(tài)，通過改變PWM(脈沖寬度調(diào)制器)的占空比而控制充電電流。PWM的輸出連接到SEPIC中MOSFET的柵極上，控制流經(jīng)電池的電流。這些步驟都與CPU有關(guān)，因此會(huì)有一些延遲。有些 電池(包括鋰離子電池芯)對(duì)過充很敏感，在較高電壓下會(huì)變得不穩(wěn)定。比較器增加了防止過壓和過流狀況的硬件保護(hù)電路。這些比較器會(huì)在必要時(shí)中止充電，直到用戶將其復(fù)位，或電池回到安全的狀況下。
根據(jù)測得的參數(shù)值以及電池的化學(xué)類型，CPU確定出電池的狀態(tài)，并相應(yīng)地改變PWM占空比。按傳統(tǒng)方法，CPU用于確定充電曲線的條件都是代碼中的常數(shù)，程序員要手工修改它們(代碼清單1)。
當(dāng)需要修改充電曲線時(shí)，將電池充電曲線設(shè)為0或1，可在兩個(gè)充電曲線之間做切換。程序?qū)⑨槍?duì)所有狀態(tài)的電壓、電流和溫度極限保存為常數(shù)，并做相應(yīng)的修改。如果某種電池類型需要不同的電壓水平，則必須修改代碼，輸入新的參數(shù)，這意味著應(yīng)用的用戶必須了解修改充電曲線的代碼，以及電池充電的限制條件。而采用模塊化方案后，當(dāng)選擇了相應(yīng)的IP(智能產(chǎn)權(quán))塊時(shí)，就可以輸入用于修改電池充電器曲線的參數(shù)。圖4給出了鋰離子電池與NiMH電池的模塊參數(shù)。
使用這些模塊后，應(yīng)用的設(shè)計(jì)者就可以為應(yīng)用增加充電器模塊，建立相應(yīng)的充電曲線。模塊還生成了所有其它的硬件塊，包括比較器與PWM，以及軟件狀態(tài)機(jī)。采用可重新編程的架構(gòu)時(shí)，如Cypress半導(dǎo)體公司的PSoC(可編程系統(tǒng)單芯片)，就可以用軟件應(yīng)用，對(duì)硬件模塊做編程和實(shí)現(xiàn)。采用這種方式，開發(fā)人員可用NiMH電池的充電曲線為圖3中的硬件編程。為產(chǎn)品增加一個(gè)USB(通用串行總線)模塊，開發(fā)人員就可以將電池參數(shù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)。用C#語言的一個(gè)軟件工具就可以繪出這些數(shù)據(jù)，當(dāng)然也可以采用其它類型的通信方式和相近的工具。電池仿真器用于模仿鋰離電池和NiMH電池，獲得實(shí)時(shí)的圖像(圖5)。
由于使用了電池仿真器，電壓的變化便產(chǎn)生了電流的開關(guān)噪聲。因?yàn)槭褂秒姵胤抡嫫鞯碾妷鹤兓^快，PWM輸出對(duì)一個(gè)電壓變化的響應(yīng)與安定時(shí)間可看作開關(guān)噪聲。一塊電池中的電壓變化是漸進(jìn)的，因此開關(guān)噪聲在一塊實(shí)際電池中并不明顯。
通過對(duì)SoC(系統(tǒng)單芯片)固件的簡單修改，就可以用相同硬件，開發(fā)出用于多種化學(xué)類型電池的充電器。將充電曲線模塊做到元件中，便于主應(yīng)用附加電池充電的功能。
參考文獻(xiàn)
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2. Edlow, Ken, “AN57724, Component Hierarchy in PSoC Creator,” Cypress Semiconductor, April 12, 2011.
3. Buchmann, Isidor, “Charging the Lead Acid Battery,” Batteries in a Portable World, 2001.