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PIC16单片机和 MCU辅助电路下的锂电池状态监控模型设计

作者 :邓文琪更新时间:2021-10-21

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摘要:手机电池的续航能力一直是国内电源业界研究的重点,续航能力强的电池能够满足大众的生活和工作需要,并且节约能源。本文首先分析了单片机锂电 池组电路系统的构造,包括 CPU 监测模块,两重保护电路,采用 MUC 完成通讯,进而研究了锂电池各主体电路部分设计和测试,包含均衡测控电路,均衡电流 选型和一次,二次保护电路设计,完成锂电池软件控制部分设计和测试,并给出了测试结论。 关键词:手机电池;续航能力;单片机;锂电池;CPU;两重保护(深圳迅泰德自动化科技有限公司   广东 东莞  523460 )  

1 引言 

      手机是当今社会必备的生活用品,其电池续航时间成为大众的关 注热点。通常采用质量轻,能量密度高并且易于携带的锂电池作为手 机电源。为避免现有的设计方案开销高,生产工艺繁杂,本文基于单 片机设计了一款移动锂电池组电路。 

2 单片机锂电池组电路系统的构造 

2.1 单片机锂电池组电路系统的整体结构 

      单片机具有测算速率快,程序编码灵活的特点,设计二重保护电 路能够在 CPU 监测中完成均衡控制。能够实现的功能包含:电量测 算,电量显示,电池组的两重防护和充电制衡功能。 

2.2 CPU监测模块 

      本文的锂电池状态监控模型选取 PIC16单片机为核心,该控制核 心性能强大,外围电路设计简约,完成的监测电路能够实现电量测算 与显示,可完成各组电压和充放电电流监测,温度信息获取,电源平 衡,并采用 MCU和主机通讯。 

2.3 两重保护电路 

      一重保护电路采用精致的 S8252芯片能够实现过充电,过放电, 过电流和短路保护功能。而二重保护电路则采用 S8261芯片,其确保 在其他电路与电池实效状况下能够关断电路。 

2.4 本章小结 

      本章主要研究了单片机锂电池组电路系统的构造,分析了单片机 锂电池组电路系统的整体结构,CPU监测模块和两重保护电路。 

3 锂电池各主体电路部分设计和测试 

3.1 均衡测控电路 CPU监测电路主要包含电源电路部分,电流,电压与温度采样电 路,主要包括充放电,电量显示电路,均衡测控电路与通信电路几个 板块,能够实现电量测算和显示,各组单体电池端电压监测,充放电 电流数据获取,温度监测,以及和采用 MCU完成和主机通信能力。 

3.2 均衡电流选型 电池组的单元电池在生产和组装过程中已完成匹配,但由于个体 差别,伴随电源应用时间增长,其单体差别拉大。均衡电流选择和电 池容量相关,本文选取 45毫安作为均衡电流,结合测算方法完成均衡。

3.3 保护电路设计 

3.3.1 一次保护电路设计 

      S8252芯片其电流的采样阻值与单片机的电流采样电路能够进行 复用,其过电流保护也较为精准。 1.过充电保护机理 其过充电保护的机理为,在充电进程中,由于四节锂电池的其中 一组电源电压超过 4.5V时,该引脚输出为高电阻状况。 2.过放电保护机理 在放电进程中,若任意一只电源的电压低于 2.8伏时,其第三脚 的输出呈现为高电平状况,关闭放电场效应管则放电停止。 3.过电流保护 若放电的电流值很大,并且第一个引脚为高电阻状态时,则采用 外部上接电阻的方式,关闭充电场效应管停止充电,若第三个引脚为 高电平,则需要关闭放电场效应管。 

3.3.2 二次保护电路设计 

      二次保护电路包括 S8261芯片,熔断保险丝与小功率场效应管。 若其中一节电池发生不良状态时,也可完成充放电,当电池状态不稳 定时,继续充电则容易引发鼓胀或者燃烧。若二次保护电路被激活则电池包不能够复原。 

3.4 锂电池软件控制部分设计 

3.4.1 锂电池软件控制部分功能板块 

      锂电池软件控制部分采用功能性,板块性设计模式,程序应当进 行电压数据获取,温度获取,容量测算与容量配准,并完成通信和时 序匹配。能够从功能上划分为通信,电压,电流,温度信息采集,容 量测算等功能。 

3.4.2调用锂电池参量初始化 

     调用锂电池参量的核心是循环主代码部分,并完成各个板块的时 序安排,其程序功能为每隔 1 秒对锂电池电压,电流和温度值完成测 算和采集,并依据获取的信息调节 MOS状态,实现电池容量测算与校 准。中断程序则在有 MCU通信需求时进行中断,并且实现通信调节。

3.5 锂电池测试 

3.5.1 测试过程 

      对所设计的锂电池完成性能测试,在实验过程中通过四节电池串 联的方式完成测试电路设计。为检验整个设计的循环状况,则对锂电 池完成循环测试。并在实验前采用恒流方式对单体电源处理,分析其 循环性。 

3.5.2 测试结论 

     采用PIC16单片机和MCU辅助保护电路设计的锂电池状态监控 模型能够有效处理电池充电时单体电源电压不一致的状况。本文设计 的锂电池电路能够达到精准测试电源电量的功能,并且有效实现防护 电路与均衡充电的功能。 

3.6 本章小结 

      本章主要分析了锂电池各主体电路部分设计和测试,研究了均衡 测控电路,均衡电流选型。给出保护电路设计,探究了一次保护电路 设计,研究了过充电保护,过放电保护机理,分析了过电流保护,二 次保护电路设计。完成锂电池软件控制部分设计,分析了锂电池软件 控制部分功能板块,调用锂电池参量初始化和锂电池测试,并给出了 测试结论。 

4 本文总结 

      锂电池电路需要满足准确的电池电量测算,有效防护和均衡充电 的功能,对手机电池的长时间续航有重要意义。 本文首先研究了锂电池状态监控模型设计的意义,进而主要研究 了单片机锂电池组电路系统的构造,分析了单片机锂电池组电路系统 的整体结构,CPU监测模块和两重保护电路。然后分析了锂电池各主 体电路部分设计和测试,研究了均衡测控电路,均衡电流选型。给出 保护电路设计,探究了一次保护电路设计,研究了过充电保护,过放 电保护机理,分析了过电流保护,二次保护电路设计。完成锂电池软 件控制部分设计,分析了锂电池软件控制部分功能板块,调用锂电池 参量初始化和锂电池测试,并给出了测试结论。 

参考文献: 

[1]王煜,董红政.基于 MSP430单片机的小功率锂电池组保护电路 的设计[J]. 洛阳理工学院学报, 2011,21(3): 44−47. 

[2]问立宁.用于锂离子电池热安全保护的正温度系数材料[J].北 京理工大 学学报,2004,11(24):653−656. 

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