智能锂电池充电器研究与设计

马银山

(成都工贸职业技术学院，四川成都,611732)

1 锂电池的介绍

1.1 锂电池的发展史

首块锂电池是采用硫化钛作为电池正极，金属锂作为电池负极制作而成[1]。在此基础上锂电之父——J.Goodenough用钴酸锂将电池正极部分进行了改善，但在当时电池因充电设备的不完备，经常出现自燃、爆炸的危险，因此并未普及。直至1983年研究员使用锰尖晶石作为电池正极，比利用钴酸锂作为正极来讲，前者更加稳定，导电性、导锂性更加优秀，且氧化性也远低于钴酸锂，即使出现了过充、短路情况，也可以避免电池自燃、爆炸的危险，至此锂电池正式登上了电子产品界的舞台。

1.1.1 锂电池的优势

锂电池拥有高存储能量密度的特点，与铅酸电池比较，重量较轻，使用的寿命长，具备高功率承受力[1]，无记忆效应，锂电池对温度的适应性也非常的强，且环保，在电池生产、使用乃至报废，都不会产生任何铅、汞、镉等 有毒有害污染严重的重金属元素与物质。

1.1.2 锂电池充电特性

锂电池经过一段不使用的时间，就会自动进入休眠的状态，此时的电池内部容量低于正常值，电量的持续时间也随之缩短。电池正常工作时较易激活，只需要正常地进行一次充电和放电就可以让电池恢复，内部也会还原到正常的容量。由于锂电池自身的特点，决定了它没有记忆效应。

1.1.3 锂电池充电影响因素

我们在给锂电池充电时需要注意，电池需根据充电顺序对充电的电流和充电的电压进行管控，禁止滥充，否则就极容易损坏电池。电压、电流和温度是影响锂电池效能的主要因素。

电压方面，在电池充电的这个过程当中，若电压太高，将会发生十分大量的热量，这会使得锂电池正极结构破坏乃至出现短路。

电流方面，充电电流必须要根据电池的具体状态分析并进行相应有效的控制。

最后是温度，过低或者过高都会影响到电池，温度过低使内部物质的活性反应不充分，温度过高则会破坏内部物质的结构。

1.2 锂电池充电电源原理

锂电池充电电路用于各类数码产品中。电池的负极一般为石墨晶体组成，正极多数是二氧化锂组成。充电时，锂离子从正极向负极运动进入石墨层中[1]。

1.3 锂电池充电优化办法

1.3.1 三端稳压集成电路稳压（LM78XX系列）

三端稳压电源是我们最常见的稳压电源，它有固定的输出电压，其名字的最后两位就是其电压值，比如7805、7809代表了输出电压为正5V、9V。同时也有负电压稳压块79XX系。这类稳压器结构相对简单，外围电路不多，使用起来方便，且内部有保护电路，所以经常在电源电路中使用。电压经过变压之后经整流桥整流，输出再接滤波电容后输入三端稳压器，稳压器输出再接一个滤波电容。具体电路图如图1所示。

图1 三端稳压电路图

1.3.2 三端可调稳压集成电路稳压

相对于方案A的三端稳压器来说，方案B具有对电压可调的功能，在这里我们就举LM317为例说明，LM317它不仅具备三端稳压器特点，还可对输出电压可调。简单来说LM317分三端分别为电压调节端、输入端和输出端，在电压调节端两端连接电阻R1、R2，他们的关系式为：V0=1.25（1+R2/R1）,所以只需要调节R2与R1的比值即可调节输出电压。

图2 可调三端稳压电路图

1.3.3 运放串联型稳压电源

方案B虽然能够实现电压可调，但是实际电路中不可能经常更换电阻来达到调节的目的，也就是说电路不能实现进可调的目的。解决此问题，可加入运放，通过单片机来控制电压的输出，经过数模转换输出到运放进而达到调节输出电压的目的，这种电源虽然结构上来说比前两种更为复杂，但是它应用的场合更多，使用起来更加智能。它的电路图如下图所示：

图3 串联型稳压电路图

综上所述，考虑到成本和实用性，本设计采用A方案，三端稳压方式。

2 主控芯片

2.1 单片机的认识

在科技大爆炸的当代社会中，单片机俨然身居于领导者的地位，无论是以前各类半智能家电，还是现今的物联网技术，都离不开单片机的身影，在这些产品中，单片机就像是一位领导，按照程序员的要求，带领着各种外扩设备，执行着各种不同的功能，让每个设备发挥其应有的价值[2]。

举个例子，有一户小区住户想给自己的家庭安装一套智能家居系统。最基本的可以实现指纹识别开门、24小时环境监控、非法入侵报警三种功能，而想要实现这三种功能，单片机就是必不可少，住户可利用不同的传感器来实现不同数据的检测，通过各类传感器与单片机相连接，各个传感器实时采集环境数值并将数值发送给单片机，单片机通过程序算法依次处理各个传感器数值，并最终在外接的显示屏上显示出来。因此单片机就好比是各种功能电路的领导者，井井有条地管理着各种不同的功能电路。

2.2 STM32F103RDT6单片机最小系统

本设计选用STM32F103系列单片机作为主控芯片[2]。其拥有低的价格以及大量的学习教程，因此用来制作小型智能产品也是非常合适的选择。STM32F103RDT6单片机有64个引脚，需要搭设专用的最小系统才能正常工作，最小系统一般包含时钟振荡电路、供电电路、片内复位电路。如下图所示。

3 硬件电路

3.1 电源电路设计

电源电路的设计主要有STM32供电电源部分、充电电源部分、充电电源管理部分、12864 LCD显示部分和USB保护电路部分，为了更好地为各元器件提供稳定的工作电压，同时也为了保证STM32F103电路不影响电池充电电路工作电压，选用双通路供电，首先利用经典的7805输出5V工作电压，其次后级的AMS1117稳压芯片就可以将5V电压转换成3.3V电压并提供给STM32F103RDT6芯片使用。

图4 STM32F103RDT6单片机最小系统电路图

3.1.1 电源整流滤波及稳压电路

该电路是由220V民用流电转直流电的关键电路，同时也是充电电源部分的整流电路，这个电路是整个电源电路中最简单的部分，主要包括了电源电路中最基本的整流、滤波和稳压三部曲，STM32F103后级接AMS1117芯片进行稳压。电路图如图5所示。

图5 电源处理电路图

3.1.2 充电电路电源稳压电路

前面仅仅是主控部分的稳压电路，为了确保充电回路不受主控部分影响，我在这里采用了双通道电源供电方法，利用的是SM8502作为充电电路的主要供电芯片，SM8502是一个专门应用在小功率AC/DC电源电路的稳压块，输入电影的精度高。

3.2 充电管理电路设计

我们都希望在手机或其他数码产品在充电过程中能够获得电池保护，让电池损伤降低到最小，但是其实大部分数码产品配备的充电器内部都不会设计有电池管理电路，而是直接采用数码产品内部自带的充电管理电路，而数码产品内部自带充电管理电路一旦损坏，整个用电设备就无法充电了，因此我们现在需要在充电器内部设计一个良好的充电管理电路，包含有涓流充电、恒流充电、恒压充电以及再充电功能，以此最大化减少数码产品的充电电路及电池的充电损伤。

恒流充电功能主要用于锂电池初充电状态，锂电池充电快慢受充电设备电压电流影响，电压就好比是速度，而电流就好比是量，电池初始充电时通过将电流维持在恒定值，可以快速地获得锂电池内部容量，依电池容量来获得充电需要的能量，接下来就可以算出总充电量而且可以取得充电需要耗时多久。

恒压充电功能主要给电池级间提供电压恒定的充电方法，恒压充电后电路就可以随着电荷状态的变化而自动调节充电电流大小，能够防止电池析气和失水现象发生。

涓流充电功能主要是为锂电池提供满电维护充电，主要目的是防止电池充满电后自放电导致容量损失，尽可能延长数码产品电池使用时间。

3.2.1 FS4059介绍

FS4059是一款电池充电管理芯片，属于8-Pin系列的IC芯片。FS4059的充电电流大小需要借助外部SEN以及BAT两个引脚上的检测电阻设定，通过对电池进行恒流充电，使BAT引脚上的检测电阻获得最佳充电电流值。

3.2.2 FS4059工作原理

FS4059工作方式主要分为涓流充电模式、恒流充电模式、浮充充电模式。内部设计了参考电压、电压放大以及电阻分压，可在充电时对电压进行高精度调整。在输入电压被电池电压大于100mv以上时，主动开启新的充电进程，此刻若电池电压小于芯片内部小电流充电阈值，FS4059将进入小电流充电模式，在电池高出涓流电压阈值后，FS4059就进入恒流模式，在电池电压接近于浮充电压后，FS4059开始减小充电电流，此时若是外部电池的电压下降到满电再充电阈值电压之下时，FS4059便开启新一轮的充电周期，进行电池的续充，直至电池充满。

3.2.3 FS4059充电管理电路

FS4059充电管理电是本次设计中的核心电路，为外部电池提供智能化充电解决方案，主要作用是让电池开启自我保护模式。通过外接元器件，让FS4059得以在电池充电过程中提供涓流充电、恒流充电、浮充充电、再充电的智能化充电模式，电路图如图6所示。

图6 S4059充电管理电路图

电路采用DC5V供电，通过SEN脚确定充电电流，CHRG脚负责停止充电周期，避免电池满电状态继续充电，TEMP脚外接一只热敏电阻，防止充电温度过高导致电池损坏情况发生。工作流程图如图7所示。

图7 FS4059工作流程图

3.3 显示电路

在整个充电过程中需要对充电状态、充电瞬时电压的显示，由于显示内容中包含有汉字，LED数码管无法满足本设计要求，因此应当选用LCD液晶显示屏。

3.3.1 12864 LCD介绍

12864LCD屏，满屏可显示4行8列总共32个汉字，通过将字符显示编码放入屏幕内部的显示RAM区实现文字显示[3]，同时LCD显示屏包含三种显示格式，分别为CGROM、HCGROM以及CGRAM，三种格式与32个字符的对应关系表如表1所示。

表1 CGROM、HCGROM、CGRAM与32字符关系表

3.3.2 12864 LCD显示电路

图8 显示电路原理图

基于STM32F103的锂电池充电器通过主控输入，获取充电电压，并在程序内部写出各阶段电压代表的充电状态，经过STM32内部ADC转换信号后最终得到我们想要的电压值。

3.4 USB保护电路

USB充电保护电路，主要是防止因意外导致充电过程短路的发生，电池充电若长时间短路，后果会非常可怕，因此就不得不在充电接口上考虑短路保护电路。本设计采用P沟道MOS管，当电池出现短路现象，电阻与三极管将MOS管进行关断，达到充电停止的功能[3]，USB保护电路原理图如下图所示。

图9 USB保护电路原理图

4 软件设计

硬件电路作支撑，软件设计则是整个系统运行的保障，如电源能够将民用220V交流电转换为直流电，提供给STM32芯片及充电管理芯片进行工作，但是具体该如何提供供电，每一部分电路想要得到多少V的电压，FS4059需要怎样工作，充电管理电路怎样实现电压检测等等一系列工作都需要软硬件结合来实现，硬件是基础，软件是桥梁[5]。

4.1 软件流程

首先进行系统初始化，初始电压设置为3.3V，单片机开始查询是否有电池插入，若此时没有电池插入充电，则自动跳转至显示电路提示用户未监测充电设备[5]。若此时有充电设备，则利用STM32F103内部自带的ADC功能进行充电管理器发出的充电电压采样，并通过算法判断出目前充电设备是处于什么充电状态，电池还需要多少就可以完成充电等，然后将计算结果发送至12864LCD显示屏进行显示。软件流程如图10所示。

图10 软件流程图