冲击波测试用电池充电系统设计

2010-09-18张宁王春艳白素平

长春理工大学学报（自然科学版） 2010年4期

张宁，王春艳，白素平

（长春理工大学光电工程学院，长春 130022）

某型号冲击波测试系统测试应用时由专业电池供电，要求能提供直流电压±7.2V，在-25℃环境下放电电流高于100A，且连续工作达到4h。已往系统测试时所使用的是专门订做的一次性高能低温电池，由于电池消耗快、不能重复使用，每次试验需要量大，造成试验的成本很高。同时，电池需进行特殊灌封加工，以保证试验中电池工作可靠，其生产周期较长。又由电池存放有自身放电现象，只能试验前进行加工生产，影响试验的进程。如果采用可充电电池方法，就能达到降低成本、减少试验经费目的。目前存在-20℃条件下工作的充电电池，且可重复充电500次以上，容量性能也能满足系统测试的基本要求。由于所用充电电池每套由4节锂电池构成，且需要每节独立充电，目前没有能够满足需要的充电设备，因此，为了满足该充电系统的需要，本文专门设计了一种基于 DS2770的充电系统。

1 总体结构设计

充电系统结构框图如图1所示。由于测试系统一次需要给多个节点供电，系统工作前需要准备多套电池，设计的充电器由多套充电系统构成，可以同时对多套电池充电以满足要求。整个充电器以交流220V电作为输入电压，分别连接到每个充电模块，经变压器后输出4.2V的充电电压。由于每个电池由4个电芯组成±7.2V的输出，为保证每个电芯都可以独立充电，通过控制 MOSFET选择该模块的充电电芯。每个充电模块都具有专用充电管理芯片，可以获得该模块每个电芯的充电电压和已经充入的电量。

图1 充电系统结构框图Fig.1 Battery charging system structure

2 DS2770的原理结构

每套充电系统采用专用充电管理芯片 D S2770对充电电压和充入的电量进行管理，该芯片具有优异的充电管理性能，其主要特点如下：

图2 DS2770应用原理图Fig.2 The basic concept of DS2770

图2中芯片即为一线式芯片 DS2770，即通过DATA线完成所有的信息交换。RSNS为0.025的检测电阻，该电阻可以为芯片内集成，如果为外接状态则所有的测量以电压为单位，如果选择芯片内集成，则是以电流为计量单位。为了和电池容量有更直观的对照，设计中采用内部集成检测电阻的芯片。该电路充电原理如下：

（1）充电初期

在充电初期如果电池电压过低（低于 3 V，说明电池处于过放电状态），/UV引脚为低电平，说明在高速充电前首先需要以低速对电池充电，晶体管4403导通，受360电阻影响，充电器对电池进行涓流充电，当电池电压上升到3V以后，则/UV变高，/CC变低，晶体管FMMT718导通，开始进行快速充电。

（2）充电末期

图3 充电末期时序图Fig.3 Timing sequence of charging later period

充电末期时序图如图3所示。当电池充电达到额定电压（4.2V）时，则采用脉冲充电技术进行最后的充电，方法为：/CC引脚保持为低延迟875ms，然后/CC为高，当电池电压下降低于4.2V时，/CC再次变低，如此循环下去，同时/CC的占空比随着改变，最后当电池的电压下降时间超过13.125s时（/CC变高的时间超过13.125s时），充电终止，电池充电结束。

3 充电控制与功能实现

图4 电池内部连线结构图Fig.4 Attachment structure inside the battery

因为电池输出需要±7.2V，而锂电池单体为3.6V，故需要4节电池串接，以中间抽头作为参考点。为提高充电性能，延长电池使用时间，充电时采用单替充电的方式进行。由于共有4块电池，因此充电时需要至少具有5根充电引线（4根电源正极，1根参考地线），而电池工作时则仅需3根引线（正负电源和地），其引线连接如图4示。

为不增加电池上的额外连接，电池做成图5所示形状。充电时，充电节点1和-7.4V、地和充电节点1、充电节点2和地、+7.4V和充电节点2构成4组充电电路，而放电时，则充电节点1和充电节点2不接入电路，4节电池构成±7.4V和公共地线。

图5 电池封装外观示意图Fig.5 Battery packaging appearance

3.1 充电逻辑控制

图6 单片机控制充电流程图Fig.6 Flow chart of MCU charge control

充电控制电路由单片机完成，主要完成的工作有：读取DS2770里的数据信息；将显示的信息输出到数码管上；切换充电电路到给定的电池上，其控制流程如图6所示。单片机上电复位并完成自检后首先测量第一个电池的电压，如果电压超过设定的门限值，则认为该电芯电量是满的，可以不用充电，否则进行充电，依此类推，完成全部的电芯充电。

3.2 充电电压及充电电量的获取与显示

充电电压及充电电量的获取同样由单片机完成，利用DS2770的一线式数据接口协议，单片机以一个 I/O口模拟出该通信协议并完成与 DS2770的通信。由于电池电压值和充电电量都存储在DS2770的寄存器内，因此，单片机基于一线协议读取DS2770的寄存器即可获得充电电压及充电的电量值。最后，在单片机内部将测得的值转化为可显示的数据后，通过异步串行接口送出显示，利用串并转换芯片 74LS164将串行数据转化为并行数据，驱动数码管显示测得的值。图 7为显示电路图。