尹百通，龔元明

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué)）

0 引言

鋰離子電池（簡(jiǎn)稱鋰電池）作為當(dāng)前最常用的新型電池，具有比能量高、存儲(chǔ)能量密度高、使用壽命長(zhǎng)、便攜性好、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[1]。鋰電池如果充電和放電電流過(guò)大，有可能會(huì)損傷電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成電池蓄電能力下降，保護(hù)電路能對(duì)電池充放電電流進(jìn)行限制[2]。為防止電池出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放和過(guò)電流狀態(tài)，保證電池安全高效地工作，避免出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，在鋰電池組中安裝保護(hù)電路顯得尤為重要[3-4]。陽(yáng)瑞新[5]等人設(shè)計(jì)了一款采用7805穩(wěn)壓管、LM2596 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓管和電壓比較器結(jié)構(gòu)的保護(hù)電路。張洪濤[6-7]等人設(shè)計(jì)了一款基于STM32處理器的電池保護(hù)電路，主要使用STM32 處理器和X3100 電池保護(hù)芯片；孔少挺[8]等人設(shè)計(jì)了一款基于HT45F4M 單片機(jī)的移動(dòng)電源，主要運(yùn)用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，具有自動(dòng)充放電功能。

本文提出了一款基于HT66F004 單片機(jī)的電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)，采用新型HT66F004 單片機(jī)為控制核心，具有多個(gè)通道的12 位A/D 轉(zhuǎn)換器以及優(yōu)秀的抗干擾和ESD 保護(hù)性能，確保單片機(jī)能在惡劣的電磁環(huán)境下可靠運(yùn)行。

1 保護(hù)電路總體設(shè)計(jì)

電池保護(hù)電路總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。以HT66F004 單片機(jī)為主控制器，通過(guò)采集電壓信號(hào)，判斷電池的運(yùn)作狀態(tài)，并控制MOS 管的開(kāi)閉，保護(hù)電池過(guò)充或過(guò)放。

圖1 保護(hù)電路總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of protection circuit

電壓檢測(cè)主要采集充電時(shí)的充電電壓、單體電池電壓和電池組電壓；電流檢測(cè)主要檢測(cè)放電回路中是否存在短路的情況，避免因回路中電流過(guò)大而造成電池?fù)p壞；溫度檢測(cè)主要檢測(cè)電池組所在的環(huán)境溫度，過(guò)高或過(guò)低都不能充分發(fā)揮電池的功效。

2 保護(hù)電路硬件設(shè)計(jì)

保護(hù)電路分為電源供電電路、過(guò)充電保護(hù)電路、過(guò)放電保護(hù)電路、過(guò)電流保護(hù)電路和溫度保護(hù)電路。整個(gè)保護(hù)電路如圖2 所示。

圖2 保護(hù)電路硬件設(shè)計(jì)Fig.2 Protection circuit hardware design

2.1 電源供電電路設(shè)計(jì)

電源供電電路如圖3 所示。電源供電來(lái)源有2 個(gè)，一是充電時(shí)充電電壓，二是電池組電壓。電源芯片選用合泰系列芯片HT7550，輸入電壓范圍為-0.3～26.0 V，輸出為5 V，精度為±5%，受溫度影響小，為單片機(jī)提供穩(wěn)定電源，電容起濾波作用。

圖3 電源供電電路Fig.3 Power supply circuit

2.2 過(guò)充電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

過(guò)充電保護(hù)電路如圖4 所示。當(dāng)電池組檢測(cè)到電池電壓低于規(guī)定上限值時(shí)，說(shuō)明電池組可以進(jìn)行充電。充電保護(hù)電路工作原理為：當(dāng)電池組電壓低時(shí)，單片機(jī)的NET-3 引腳輸出高電平，三極管Q6 導(dǎo)通，由于穩(wěn)壓管ZD1 的存在，電阻R20 兩端有電壓差，從而使PMOS 管Q5 導(dǎo)通，電池組充電；同理，當(dāng)電池組電壓達(dá)到上限值時(shí)，單片機(jī)采集到電池組達(dá)到規(guī)定電壓的上限值，引腳NET-3 輸出低電平，三極管Q6 截止，電阻兩端不存在壓差，MOS 管Q5 截止，停止對(duì)電池組充電。引腳NET-8和引腳Net-10 用于檢測(cè)充電電壓，LED1 用于放電過(guò)程顯示，LED2 用于充電過(guò)程顯示。

圖4 過(guò)充電保護(hù)電路Fig.4 Overcharge protection circuit

2.3 過(guò)放電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

電池開(kāi)關(guān)電路如圖5 所示，放電保護(hù)電路如圖6 所示。開(kāi)關(guān)電路原理為：當(dāng)按鍵S1 按下的瞬間，單片機(jī)引腳NET-1 檢測(cè)到低電平，計(jì)數(shù)器加1，同時(shí)NET-2 引腳從低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑龢O管Q1 導(dǎo)通，器件引腳5 處為低電平，滿足三極管Q2導(dǎo)通條件，三極管Q2 導(dǎo)通，電池為整個(gè)電路供電。單片機(jī)引腳Net-6 檢測(cè)開(kāi)關(guān)閉合后電池組的整體電壓，引腳Net-7 檢測(cè)電池組單體電池電壓，MOS管的柵極與電源相連接，也即一上電，MOS 管Q3就會(huì)導(dǎo)通。

圖5 開(kāi)關(guān)電路Fig.5 Switch circuit

圖6 放電保護(hù)電路Fig.6 Discharge protection circuit

在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的同時(shí)，單片機(jī)引腳9 輸出高電平，使MOS 管Q7 導(dǎo)通，外在回路閉合。MOS 管Q7 采用的是低邊驅(qū)動(dòng)，可以很大程度上減少導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。放電保護(hù)回路原理為：當(dāng)單片機(jī)引腳Net-6 和Net-7 檢測(cè)到電池組電壓小于規(guī)定下限值時(shí)，單片機(jī)引腳9 會(huì)輸出低電平，斷開(kāi)外在回路，減少電池組的損壞。

2.4 過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

過(guò)電流保護(hù)電路如圖7 所示。該電路和放電保護(hù)電路類似，共用開(kāi)關(guān)MOS 管Q7，減少電路的復(fù)雜性，提高電路的實(shí)用性。過(guò)電流保護(hù)電路原理為：在外在回路中加一個(gè)0.15 mΩ 的采樣電阻，單片機(jī)引腳10 采集采樣電阻上的電壓值。當(dāng)回路中電流變大時(shí)，相應(yīng)回路中采樣電阻的電壓也會(huì)變大，單片機(jī)引腳9 輸出低電平，使MOS 管Q7 斷開(kāi)，從而起到保護(hù)電池組的作用。

圖7 過(guò)電流保護(hù)電路Fig.7 Overcurrent protection circuit

2.5 溫度保護(hù)電路設(shè)計(jì)

溫度保護(hù)電路如圖8 所示。該電路是溫度采集電路，控制電路與上述放電保護(hù)控制電路類似。溫度保護(hù)電路原理為：RT1 為熱敏電阻，用于采集電池組所在的環(huán)境溫度，輸入到單片機(jī)引腳15 A/D 轉(zhuǎn)換口，電阻和電容起濾波作用。放電過(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)到溫度超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，單片機(jī)引腳9 同樣會(huì)輸出低電平，使MOS 管Q7 斷開(kāi)；充電過(guò)程中，當(dāng)溫度超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，單片機(jī)引腳4 會(huì)輸出低電平，使MOS 管Q5 斷開(kāi)。

圖8 溫度電路保護(hù)設(shè)計(jì)Fig.8 Temperature circuit protection design

3 保護(hù)電路軟件設(shè)計(jì)

3.1 充電程序設(shè)計(jì)

充電流程圖如圖9 所示。當(dāng)電池組電壓＜6 V時(shí)，進(jìn)行100 mA 的涓流充電；當(dāng)電池組電壓＞6 V且＜8 V 時(shí)，進(jìn)行恒流充電；當(dāng)電池電壓＞8 V 時(shí)，進(jìn)行恒壓充電。當(dāng)充電電流＜50 mA 時(shí)，表明電池組充滿，斷開(kāi)充電。

圖9 充電流程圖Fig.9 Charging flow chart

3.2 放電程序設(shè)計(jì)

放電流程圖如圖10 所示。放電程序檢測(cè)電池組電壓、回路電流和環(huán)境溫度指標(biāo)，優(yōu)先級(jí)由高到低。當(dāng)電池組檢測(cè)到電壓＜6 V，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，停止放電；當(dāng)回路中電流檢測(cè)到過(guò)高（＞2A）或過(guò)低（＜50 mA）時(shí)，停止放電；當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境溫度超過(guò)60℃時(shí)，不利于電池組安全高效地放電，應(yīng)停止放電，待溫度降下去后，再重新放電。

圖10 放電流程圖Fig.10 Discharge flow chart

4 試驗(yàn)結(jié)果

充放電試驗(yàn)如圖11 所示。經(jīng)過(guò)軟硬件調(diào)試，最終制作出實(shí)物電路進(jìn)行測(cè)試，該電路在電池組充放電過(guò)程中均很好完成電池保護(hù)。充電試驗(yàn)中，觀察到當(dāng)電池組充到8 V 之后，電流開(kāi)始逐漸減小，當(dāng)充電電流＜50 mA 時(shí)，停止充電；放電試驗(yàn)中，改變電壓、電流和溫度指標(biāo)后，均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷開(kāi)放電。試驗(yàn)表明，該電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的電路保護(hù)功能。

圖11 充放電試驗(yàn)圖Fig.11 Charge and discharge test diagram

5 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了基于HT66F004 單片機(jī)的電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)，與以往保護(hù)電路相比，該電路具有簡(jiǎn)捷實(shí)用的特點(diǎn)。采用軟硬件結(jié)合的開(kāi)關(guān)電路保護(hù)，大大提高電池組的安全性能。主芯片采用合泰系列的單片機(jī)，具有低功耗、高性能特點(diǎn)。試驗(yàn)驗(yàn)證了該保護(hù)電路對(duì)電池組過(guò)充、過(guò)放和溫度的保護(hù)，具有體積小、便攜等特點(diǎn)，符合當(dāng)代電子化趨勢(shì)。