摘要：本系統(tǒng)以pIC16F873單片機和LTC4002鋰離子電池充電芯片為核心，針對不同電池的特性，采用不同的充電方式，可以對目前廣泛使用的鋰離子電池和鎳鎘電池充電，同時具有實時顯示充電及放電電流、電池電壓、容量統(tǒng)計和電池特性等功能，實現(xiàn)了符合鐵道部所有相關(guān)規(guī)范的列車尾部保護裝置的充電系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：鋰離子電池；鎳鎘電池；充電器

引言鑒于市場上鎳鎘電池和鋰離子電池共存的局面，本文設(shè)計的充電器可以對這兩種電池進行充電，對鎳鎘電池組采用脈沖充電方式，對鋰離子電池組采用恒流充電方式，這是依據(jù)電池的不同機理而設(shè)計的，真正做到了一機兩用，此為該充電器的創(chuàng)新點，也是設(shè)計的難點。充電器的寬屏LCD可以同時顯示4組充電器的充電狀態(tài)，也可單獨顯示一組充電器上電池的各項參數(shù)，做到了對電池充電過程的實時監(jiān)測。

系統(tǒng)整體設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)是：1.可同時對4組8.4V的鋰離子電池或9.2V的鎳鎘電池進行充放電。2.可與電池組中的芯片通信，判斷電池的化學(xué)性質(zhì)。3.關(guān)于不同化學(xué)性質(zhì)的電池，將采用相應(yīng)的充電方式。4.可與電池組中的芯片通信，得到該電池組的電壓、充電電流、容量等參數(shù)。5.充電器帶有LCD，可顯示電池的各項數(shù)據(jù)。該充電器的功能框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計總控單元的設(shè)計與實現(xiàn)總控單元是由微控制器pIC16F873和鍵盤控制芯片ZLG7289A構(gòu)成的。重要任務(wù)是負責(zé)與各個充電單元通信，并處理用戶輸入與LCD顯示信息。鍵盤控制芯片在這里負責(zé)6個按鍵和12個LED的控制。ZLG7289A與微控制器之間通過SpI總線進行雙向通信。主控單元每秒查詢一次各個充電單元，獲取當(dāng)前充電單元的信息，如有無電池、電池性質(zhì)、電池電壓等。之后由LCD模塊向用戶顯示。充電單元的設(shè)計與實現(xiàn)LTC4002鋰離子電池充電控制芯片LTC4002是一款高效獨立開關(guān)模式鋰離子電池充電控制器。該控制器有4.2V和8.4V兩個版本。LTC4002-8.4具有500kHz開關(guān)頻率，是高效電流模式的pWM控制器。通過驅(qū)動一個外部p溝道MOSFET，它可以供應(yīng)4A的充電電流，而效率可高達90%。輸出電壓設(shè)置為8.4V，最終浮動電壓并具1%的精度，而充電準(zhǔn)確度為5%。此外，該器件可在9V~22V范圍內(nèi)的多種墻上適配器上運行。與遲滯拓撲結(jié)構(gòu)充電器相比，LTC4002-8.4的快速運行頻率與電流模式架構(gòu)使之能夠使用小型電感器和電容器。鋰離子/鎳鎘電池兩用充電單元的總體設(shè)計從前面對LTC4002的分析可知，該芯片是針對鋰離子電池的充電控制器，要實現(xiàn)對鎳鎘電池充電要解決以下問題：首先，LTC4002對電池電壓進行監(jiān)測，保證電池電壓不超過8.4V。但關(guān)于鎳鎘電池組，充電截止電壓可以達到9.2V。其次，鎳鎘電池充電即將結(jié)束時，要對電池進行以正常電流30%和10%的涓流充電。所以，第二個要解決的問題是如何控制恒流充電的電流大小。此外，對鎳鎘電池充電應(yīng)使用脈沖充電方式。即以1s為周期，95%的時間用來充電，1%的時間用來放電，其余時間不充電也不放電。最后，如何判斷某一個電池是鋰離子電池還是鎳鎘電池，因為若把鋰離子電池誤判為鎳鎘電池，會使充電電壓高于8.4V，這對鋰離子電池是十分危險的，而將鎳鎘電池誤判為鋰離子電池，則可能造成電池充電不足。因此，必須保證極低的誤判率。本部分根據(jù)LTC4002的工作原理，設(shè)計了既可以對鋰離子電池進行恒流-恒壓充電，又可以對鎳鎘電池進行脈沖式充電的電路。充電單元的總體功能框圖如圖2所示。其中，信號調(diào)理電路使充電器既可以對8.4V的鋰離子電池充電，又可以對9.2V的鎳鎘電池充電，同時也起到控制充電電流大小的用途。

圖2充電單元的總體功能框圖利用微控制器控制LTC4002的工作狀態(tài)，配合放電電路使充電器可以對鎳鎘電池進行脈沖方式充電。微控制器通過一定的通信協(xié)議(HDQ16)與智能電池通信，確定其容量、化學(xué)性質(zhì)等關(guān)鍵參數(shù)。信號調(diào)理電路的設(shè)計為了使LTC4002可對高于8.4V的電池進行恒流充電，并可調(diào)節(jié)充電電流，在LTC4002的BAT和SENSE端與采樣電阻之間加入一級信號調(diào)理電路。該電路的重要功能是對采樣電阻兩端的信號進行運算，針對不同化學(xué)性質(zhì)的電池，將相應(yīng)的信號送給LTC4002。該信號調(diào)理電路如圖3所示。

圖3信號調(diào)理電路的功能圖這里含義采樣電阻兩端的電壓值是VBAT和Vsense，那么充電電流在采樣電阻上的壓降VRS為：VRS=Vsense-VBAT，該信號為減法器的輸出。設(shè)乘法器的乘系數(shù)為K，那么乘法器的輸出為KVRS。關(guān)于鋰子電池，二選一開關(guān)將選通電池電壓VBAT；關(guān)于鎳鎘電池，二選一開關(guān)將選通7V恒定電壓。這里設(shè)二選一模擬開關(guān)的輸出為V1，那么加法器的輸出Vs應(yīng)為：Vs=KVRS+V1，這樣一來，送到LTC4002的BAT和SENSE兩端的電壓之差應(yīng)為KVRS。只要正確控制K值，就可以使充電電流為正常充電電流的1/K。因此，可以通過二選一開關(guān)控制電流為恒流充電時的10%或30%。關(guān)于LTC4002的BAT端輸入值，當(dāng)開關(guān)選通鋰離子電池時，BAT的輸入即是電池電壓。此時，LTC4002可以控制整個鋰離子的充電過程。不需任何外界的干預(yù)。當(dāng)開關(guān)選通了7V恒定電壓后，BAT端的輸入恒定為7V，此時，LTC4002無法了解電池的真實電壓，只認(rèn)為電池電壓為7V。所以，盡管電池電壓高于8.4V，仍會以恒定電流對電池進行充電。在這種情況下，要微控制器的干預(yù)，否則，會造成電池的過充。由于微控制器內(nèi)部帶有ADC，可以監(jiān)測電池電壓的變化。當(dāng)電池電壓達到指定值時，減小充電電流，直至電池充滿。這樣就可以對9.2V的鎳鎘電池進行充電了。脈沖充放電電路的設(shè)計由于LTC4002是恒流充電控制芯片，因此，必須使用微控制器控制其充電使能引腳COMp。當(dāng)要LTC4002輸出充電脈沖時，使控制COMp引腳的端口變?yōu)楦咦钁B(tài)，使COMp引腳自行升至360mV以上時，便有充電電流輸出。放電時，必須將COMp引腳拉低，使LTC4002關(guān)斷充電電流。之后，再打開放電電路。微控制器選用pIC16F873，它是一款基于Flash的8位微控制器。內(nèi)部有按時器、看門狗電路、10位ADC等模塊。

圖4充電單元主程序流程圖微控制器以1s為周期對鎳鎘電池進行脈沖充放電。系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件總體設(shè)計充電單元中的微控制器重要負責(zé)充電過程的控制和與總控板的通信，程序流程如圖4所示。充電單元首先判斷是否有電池，假如有電池放入，則判斷充放電狀態(tài)，默認(rèn)是充電狀態(tài)，該狀態(tài)可由總控單元改變。若充電單元處于充電狀態(tài)，則繼續(xù)判斷電池的化學(xué)性質(zhì)，針對不同的電池采用不同的充電方式。若處于放電狀態(tài)，則對電池組進行放電，直到電池電壓低于閾值電壓后，轉(zhuǎn)為充電狀態(tài)。除主程序外，總控單元與充電單元的通信是在中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)的。當(dāng)充電單元收到總控單元的指令后，進入中斷。若指令是查詢數(shù)據(jù)指令，則向總控單元發(fā)送要的數(shù)據(jù)。若是充電狀態(tài)設(shè)置指令，則依據(jù)指令設(shè)置充電單元的充電狀態(tài)。通信協(xié)議的實現(xiàn)通過與電池組中電能計量芯片通信的方法來判斷電池的性質(zhì)。本系統(tǒng)可以與遵循HDQ16接口協(xié)議的智能電池組進行通信，除了電池組的化學(xué)性質(zhì)外，還可以將電池組的容量、電壓、充電電流、編號等數(shù)據(jù)一并讀取，供充電器顯示之用。充電單元可以通過HDQ總線對智能電池進行讀操作。HDQ16接口協(xié)議是基于指令的協(xié)議。一個處理器發(fā)送8位指令碼給智能電池，這個8位的指令碼由兩部分組成，7位HDQ16指令碼(位0~6)和1位讀/寫指令。讀/寫指令指示智能電池存儲接下來的16位數(shù)據(jù)到一個指定的寄存器，或者從指定的寄存器輸出16位數(shù)據(jù)。在HDQ16里，數(shù)據(jù)字節(jié)(指令)或者字(數(shù)據(jù))的最不重要的位會優(yōu)先傳輸。一個塊的傳輸包括三個不同的部分。第一部分經(jīng)由主機或者智能電池把HDQ16引腳置邏輯低狀態(tài)一個tSTRH:B時間后開始發(fā)送。接下來的部分是真正的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)位在tDSU:B時間間隔里是有效的，負邊界用來開始通信。數(shù)據(jù)位被保持一個tDH:DV時間間隔，以便允許主機或智能電池采樣數(shù)據(jù)位。在負邊界開始通信后，最后一部分通過返回給HDQ16引腳一個邏輯高狀態(tài)，至少保持tSSU:B時間間隔來停止傳輸。最后一個邏輯高狀態(tài)必須保持一個tCYCH:B時間間隔，以便有時間讓塊傳輸完全停止。假如發(fā)生通信錯誤(e.g.，tCYCB＞250ms)，主機就發(fā)送給智能電池一個BREAK信號，讓其控制串行接口。當(dāng)HDQ16引腳在一個時間間隔，或者更長時間里為邏輯低狀態(tài)時，智能電池就會偵測BREAK。然后，HDQ16引腳回到其正常預(yù)設(shè)高邏輯狀態(tài)一個tBR時間間隔。然后,智能電池就準(zhǔn)備從主機那里接收指令。HDQ16引腳是開漏的，要一個外部的上拉電阻。圖5是用邏輯分析儀顯示的一次HDQ總線上的通信波形。

圖5一次HDQ總線通信波形

結(jié)語本文提出的充電系統(tǒng)從技術(shù)上很好地解決了上述問題，通過LCD顯示屏可以清晰便捷地讀出電源的剩余容量、已有充放電次數(shù)、充電及放電電流、電池電壓、容量統(tǒng)計和電池特性等重要內(nèi)容，并且通過設(shè)定，可以判斷電源是否達到報廢標(biāo)準(zhǔn)，及時提醒操作者更新電源。為電源維護保養(yǎng)工作供應(yīng)明確的參考數(shù)據(jù)，降低了對操作人員專業(yè)技術(shù)水平的要求，保證了列車尾部電源的安全使用。■

參考文獻：1.pIC16F87X.28/40-pin8-BitCMOSFLASHMicrocontrollers.Microchip,2001.2.ZLG7289A.串行接口8位LED數(shù)碼管及64鍵鍵盤智能控制芯片3.LTC4002.StandaloneLi-ionSwitchModeBatteryCharger.Linear,20034.李學(xué)海.pIC單片機實踐.北京:北京特種航天大學(xué)出版社,20045.BQ2060A.SBS-V1.1-CompliantGasGaugeIC.TexasInstruments,20066.朱君.列尾裝置使用問題的調(diào)研分析.鐵道運輸與經(jīng)濟,2004,26(1):717.王新,范衛(wèi)斌,張金平.列尾裝置故障、維修及專用電池使用的研究.鐵道運輸與經(jīng)濟,2002,24(13):5-10