基于HT66F004 单片机的电池保护电路设计

尹百通，龚元明

（201620 上海市 上海工程技术大学）

0 引言

锂离子电池（简称锂电池）作为当前最常用的新型电池，具有比能量高、存储能量密度高、使用寿命长、便携性好、绿色环保等优点[1]。锂电池如果充电和放电电流过大，有可能会损伤电池的内部结构，造成电池蓄电能力下降，保护电路能对电池充放电电流进行限制[2]。为防止电池出现过充、过放和过电流状态，保证电池安全高效地工作，避免出现损坏现象，在锂电池组中安装保护电路显得尤为重要[3-4]。阳瑞新[5]等人设计了一款采用7805稳压管、LM2596 开关稳压管和电压比较器结构的保护电路。张洪涛[6-7]等人设计了一款基于STM32处理器的电池保护电路，主要使用STM32 处理器和X3100 电池保护芯片；孔少挺[8]等人设计了一款基于HT45F4M 单片机的移动电源，主要运用脉冲宽度调制技术，具有自动充放电功能。

本文提出了一款基于HT66F004 单片机的电池保护电路设计，采用新型HT66F004 单片机为控制核心，具有多个通道的12 位A/D 转换器以及优秀的抗干扰和ESD 保护性能，确保单片机能在恶劣的电磁环境下可靠运行。

1 保护电路总体设计

电池保护电路总体设计如图1 所示。以HT66F004 单片机为主控制器，通过采集电压信号，判断电池的运作状态，并控制MOS 管的开闭，保护电池过充或过放。

图1 保护电路总体设计Fig.1 Overall design of protection circuit

电压检测主要采集充电时的充电电压、单体电池电压和电池组电压；电流检测主要检测放电回路中是否存在短路的情况，避免因回路中电流过大而造成电池损坏；温度检测主要检测电池组所在的环境温度，过高或过低都不能充分发挥电池的功效。

2 保护电路硬件设计

保护电路分为电源供电电路、过充电保护电路、过放电保护电路、过电流保护电路和温度保护电路。整个保护电路如图2 所示。

图2 保护电路硬件设计Fig.2 Protection circuit hardware design

2.1 电源供电电路设计

电源供电电路如图3 所示。电源供电来源有2 个，一是充电时充电电压，二是电池组电压。电源芯片选用合泰系列芯片HT7550，输入电压范围为-0.3～26.0 V，输出为5 V，精度为±5%，受温度影响小，为单片机提供稳定电源，电容起滤波作用。

图3 电源供电电路Fig.3 Power supply circuit

2.2 过充电保护电路设计

过充电保护电路如图4 所示。当电池组检测到电池电压低于规定上限值时，说明电池组可以进行充电。充电保护电路工作原理为：当电池组电压低时，单片机的NET-3 引脚输出高电平，三极管Q6 导通，由于稳压管ZD1 的存在，电阻R20 两端有电压差，从而使PMOS 管Q5 导通，电池组充电；同理，当电池组电压达到上限值时，单片机采集到电池组达到规定电压的上限值，引脚NET-3 输出低电平，三极管Q6 截止，电阻两端不存在压差，MOS 管Q5 截止，停止对电池组充电。引脚NET-8和引脚Net-10 用于检测充电电压，LED1 用于放电过程显示，LED2 用于充电过程显示。

图4 过充电保护电路Fig.4 Overcharge protection circuit

2.3 过放电保护电路设计

电池开关电路如图5 所示，放电保护电路如图6 所示。开关电路原理为：当按键S1 按下的瞬间，单片机引脚NET-1 检测到低电平，计数器加1，同时NET-2 引脚从低电平转变为高电平，三极管Q1 导通，器件引脚5 处为低电平，满足三极管Q2导通条件，三极管Q2 导通，电池为整个电路供电。单片机引脚Net-6 检测开关闭合后电池组的整体电压，引脚Net-7 检测电池组单体电池电压，MOS管的栅极与电源相连接，也即一上电，MOS 管Q3就会导通。

图5 开关电路Fig.5 Switch circuit

图6 放电保护电路Fig.6 Discharge protection circuit

在开关导通的同时，单片机引脚9 输出高电平，使MOS 管Q7 导通，外在回路闭合。MOS 管Q7 采用的是低边驱动，可以很大程度上减少导通损耗和开关损耗。放电保护回路原理为：当单片机引脚Net-6 和Net-7 检测到电池组电压小于规定下限值时，单片机引脚9 会输出低电平，断开外在回路，减少电池组的损坏。

2.4 过电流保护电路设计

过电流保护电路如图7 所示。该电路和放电保护电路类似，共用开关MOS 管Q7，减少电路的复杂性，提高电路的实用性。过电流保护电路原理为：在外在回路中加一个0.15 mΩ 的采样电阻，单片机引脚10 采集采样电阻上的电压值。当回路中电流变大时，相应回路中采样电阻的电压也会变大，单片机引脚9 输出低电平，使MOS 管Q7 断开，从而起到保护电池组的作用。

图7 过电流保护电路Fig.7 Overcurrent protection circuit

2.5 温度保护电路设计

温度保护电路如图8 所示。该电路是温度采集电路，控制电路与上述放电保护控制电路类似。温度保护电路原理为：RT1 为热敏电阻，用于采集电池组所在的环境温度，输入到单片机引脚15 A/D 转换口，电阻和电容起滤波作用。放电过程中，当检测到温度超过一定数值时，单片机引脚9 同样会输出低电平，使MOS 管Q7 断开；充电过程中，当温度超过一定数值时，单片机引脚4 会输出低电平，使MOS 管Q5 断开。

图8 温度电路保护设计Fig.8 Temperature circuit protection design

3 保护电路软件设计

3.1 充电程序设计

充电流程图如图9 所示。当电池组电压＜6 V时，进行100 mA 的涓流充电；当电池组电压＞6 V且＜8 V 时，进行恒流充电；当电池电压＞8 V 时，进行恒压充电。当充电电流＜50 mA 时，表明电池组充满，断开充电。

图9 充电流程图Fig.9 Charging flow chart

3.2 放电程序设计

放电流程图如图10 所示。放电程序检测电池组电压、回路电流和环境温度指标，优先级由高到低。当电池组检测到电压＜6 V，断开开关，停止放电；当回路中电流检测到过高（＞2A）或过低（＜50 mA）时，停止放电；当检测到环境温度超过60℃时，不利于电池组安全高效地放电，应停止放电，待温度降下去后，再重新放电。

图10 放电流程图Fig.10 Discharge flow chart

4 试验结果

充放电试验如图11 所示。经过软硬件调试，最终制作出实物电路进行测试，该电路在电池组充放电过程中均很好完成电池保护。充电试验中，观察到当电池组充到8 V 之后，电流开始逐渐减小，当充电电流＜50 mA 时，停止充电；放电试验中，改变电压、电流和温度指标后，均能实现自动断开放电。试验表明，该电路可以实现对电池组的电路保护功能。

图11 充放电试验图Fig.11 Charge and discharge test diagram

5 结语

本文详细介绍了基于HT66F004 单片机的电池保护电路设计，与以往保护电路相比，该电路具有简捷实用的特点。采用软硬件结合的开关电路保护，大大提高电池组的安全性能。主芯片采用合泰系列的单片机，具有低功耗、高性能特点。试验验证了该保护电路对电池组过充、过放和温度的保护，具有体积小、便携等特点，符合当代电子化趋势。