带有数据显示功能的锂电池和镍镉电池充电系统
引言
鉴于市场上镍镉电池和锂电池共存的局面，本文设计的充电器可以对这两种电池进行充电，对镍镉电池组采用脉冲充电方式，对锂电池组采用恒流充电方式，这是依据电池的不同机理而设计的，真正做到了一机两用，此为该充电器的创新点，也是设计的难点。充电器的宽屏LCD可以同时显示4组充电器的充电状态，也可单独显示一组充电器上电池的各项参数，做到了对电池充电过程的实时监测。
系统整体设计
系统设计目标是：
1．可同时对4组8.4V的锂离子电池或9.2V的镍镉电池进行充放电。
2．可与电池组中的芯片通信，判断电池的化学性质。
3．对于不同化学性质的电池，将采用相应的充电方式。
4．可与电池组中的芯片通信，得到该电池组的电压、充电电流、容量等参数。
5．充电器带有LCD，可显示电池的各项数据。
该充电器的功能框图如图1所示。
系统硬件设计
总控单元的设计与实现
总控单元是由微控制器PIC16F873和键盘控制芯片ZLG7289A构成的。主要任务是负责与各个充电单元通信，并处理用户输入与LCD显示信息。键盘控制芯片在这里负责6个按键和12个LED的控制。ZLG7289A与微控制器之间通过SPI总线进行双向通信。主控单元每秒查询一次各个充电单元，获取当前充电单元的信息，如有无电池、电池性质、电池电压等。之后由LCD模块向用户显示。
充电单元的设计与实现
LTC4002锂离子电池充电控制芯片
LTC4002是一款高效独立开关模式锂离子电池充电控制器。该控制器有4.2V和8.4V两个版本。LTC4002-8.4具有500kHz开关频率，是高效电流模式的PWM控制器。通过驱动一个外部P沟道MOSFET，它可以提供4A的充电电流，而效率可高达90％。输出电压设置为8.4V，最终浮动电压并具1％的精度，而充电准确度为5％。此外，该器件可在9V～22V范围内的多种墙上适配器上运行。与迟滞拓扑结构充电器相比，LTC4002-8.4的快速运行频率与电流模式架构使之能够使用小型电感器和电容器。
锂离子／镍镉电池两用充电单元的总体设计
从前面对LTC4002的分析可知，该芯片是针对锂离子电池的充电控制器，要实现对镍镉电池充电需要解决以下问题：首先，LTC4002对电池电压进行监测，保证电池电压不超过8.4V。但对于镍镉电池组，充电截止电压可以达到9.2V。其次，镍镉电池充电即将结束时，需要对电池进行以正常电流30％和10％的涓流充电。所以，第二个需要解决的问题是如何控制恒流充电的电流大小。此外，对镍镉电池充电应使用脉冲充电方式。即以1s为周期，95％的时间用来充电，1％的时间用来放电，其余时间不充电也不放电。最后，如何判断某一个电池是锂离子电池还是镍镉电池，因为若把锂离子电池误判为镍镉电池，会使充电电压高于8.4V，这对锂离子电池是十分危险的，而将镍镉电池误判为锂离子电池，则可能造成电池充电不足。因此，必须保证极低的误判率。
本部分根据LTC4002的工作原理，设计了既可以对锂离子电池进行恒流-恒压充电，又可以对镍镉电池进行脉冲式充电的电路。充电单元的总体功能框图如图2所示。其中，信号调理电路使充电器既可以对8.4V的锂电池充电，又可以对9.2V的镍镉电池充电，同时也起到控制充电电流大小的作用。
利用微控制器控制LTC4002的工作状态，配合放电电路使充电器可以对镍镉电池进行脉冲方式充电。
微控制器通过一定的通信协议(HDQ16)与智能电池通信，确定其容量、化学性质等关键参数。
信号调理电路的设计
为了使LTC4002可对高于8.4V的电池进行恒流充电，并可调节充电电流，在LTC4002的BAT和SENSE端与采样电阻之间加入一级信号调理电路。该电路的主要功能是对采样电阻两端的信号进行运算，针对不同化学性质的电池，将相应的信号送给LTC4002。该信号调理电路如图3所示。
这里定义采样电阻两端的电压值是VBAT和Vsense，那么充电电流在采样电阻上的压降VRS为：VRS=Vsense-VBAT，该信号为减法器的输出。设乘法器的乘系数为K，那么乘法器的输出为KVRS。对于锂子电池，二选一开关将选通电池电压VBAT；对于镍镉电池，二选一开关将选通7V恒定电压。这里设二选一模拟开关的输出为V1，那么加法器的输出Vs应为：Vs=KVRS+V1，这样一来，送到LTC4002的BAT和SENSE两端的电压之差应为KVRS。只要正确控制K值，就可以使充电电流为正常充电电流的1／K。因此，可以通过二选一开关控制电流为恒流充电时的10％或30％。
对于LTC4002的BAT端输入值，当开关选通锂离子电池时，BAT的输入即是电池电压。此时，LTC4002可以控制整个锂离子的充电过程。不需任何外界的干预。
当开关选通了7V恒定电压后，BAT端的输入恒定为7V，此时，LTC4002无法知道电池的真实电压，只认为电池电压为7V。所以，尽管电池电压高于8.4V，仍会以恒定电流对电池进行充电。在这种情况下，需要微控制器的干预，否则，会造成电池的过充。由于微控制器内部带有ADC，可以监测电池电压的变化。当电池电压达到指定值时，减小充电电流，直至电池充满。这样就可以对9.2V的镍镉电池进行充电了。
脉冲充放电电路的设计
由于LTC4002是恒流充电控制芯片，因此，必须使用微控制器控制其充电使能引脚COMP。当需要LTC4002输出充电脉冲时，使控制COMP引脚的端口变为高阻态，使COMP引脚自行升至360mV以上时，便有充电电流输出。放电时，必须将COMP引脚拉低，使LTC4002关断充电电流。之后，再打开放电电路。微控制器选用PIC16F873，它是一款基于Flash的8位微控制器。内部有定时器、看门狗电路、10位ADC等模块。
微控制器以1s为周期对镍镉电池进行脉冲充放电。
系统软件设计
系统软件总体设计
充电单元中的微控制器主要负责充电过程的控制和与总控板的通信，程序流程如图4所示。充电单元首先判断是否有电池，如果有电池放入，则判断充放电状态，默认是充电状态，该状态可由总控单元改变。若充电单元处于充电状态，则继续判断电池的化学性质，针对不同的电池采用不同的充电方式。若处于放电状态，则对电池组进行放电，直到电池电压低于阈值电压后，转为充电状态。
除主程序外，总控单元与充电单元的通信是在中断服务程序中实现的。当充电单元收到总控单元的指令后，进入中断。若指令是查询数据指令，则向总控单元发送需要的数据。若是充电状态设置指令，则依据指令设置充电单元的充电状态。
通信协议的实现
通过与电池组中电能计量芯片通信的方法来判断电池的性质。本系统可以与遵循HDQ16接口协议的智能电池组进行通信，除了电池组的化学性质外，还可以将电池组的容量、电压、充电电流、编号等数据一并读取，供充电器显示之用。
充电单元可以通过HDQ总线对智能电池进行读操作。HDQ16接口协议是基于指令的协议。一个处理器发送8位指令码给智能电池，这个8位的指令码由两部分组成，7位HDQ16指令码(位0～6)和1位读／写指令。读／写指令指示智能 电池存储接下来的16位数据到一个指定的寄存器，或者从指定的寄存器输出16位数据。在HDQ16里，数据字节(指令)或者字(数据)的最不重要的位会优先传输。
一个块的传输包括三个不同的部分。第一部分经由主机或者智能电池把HDQ16引脚置逻辑低状态一个tSTRH：B时间后开始发送。接下来的部分是真正的数据传输，数据位在tDSU:B时间间隔里是有效的，负边界用来开始通信。数据位被保持一个tDH:DV时间间隔，以便允许主机或智能电池采样数据位。
在负边界开始通信后，最后一部分通过返回给HDQ16引脚一个逻辑高状态，至少保持tSSU:B时间间隔来停止传输。最后一个逻辑高状态必须保持一个tCYCH:B时间间隔，以便有时间让块传输完全停止。
如果发生通信错误(e.g.，tCYCB>250μs)，主机就发送给智能电池一个BREAK信号，让其控制串行接口。当HDQ16引脚在一个时间间隔，或者更长时间里为逻辑低状态时，智能电池就会侦测BREAK。然后，HDQ16引脚回到其正常预设高逻辑状态一个tBR时间间隔。然后，智能电池就准备从主机那里接收指令。
HDQ16引脚是开漏的，需要一个外部的上拉电阻。
图5是用逻辑分析仪显示的一次HDQ总线上的通信波形。
结语
本文提出的充电系统从技术上很好地解决了上述问题，通过LCD显示屏可以清晰便捷地读出电源的剩余容量、已有充放电次数、充电及放电电流、电池电压、容量统计和电池特性等重要内容，并且通过设定，可以判断电源是否达到报废标准，及时提醒操作者更新电源。为电源维护保养工作提供明确的参考数据，降低了对操作人员专业技术水平的要求，保证了列车尾部电源的安全使用。
鉴于市场上镍镉电池和锂电池共存的局面，本文设计的充电器可以对这两种电池进行充电，对镍镉电池组采用脉冲充电方式，对锂电池组采用恒流充电方式，这是依据电池的不同机理而设计的，真正做到了一机两用，此为该充电器的创新点，也是设计的难点。充电器的宽屏LCD可以同时显示4组充电器的充电状态，也可单独显示一组充电器上电池的各项参数，做到了对电池充电过程的实时监测。
系统整体设计
系统设计目标是：
1．可同时对4组8.4V的锂离子电池或9.2V的镍镉电池进行充放电。
2．可与电池组中的芯片通信，判断电池的化学性质。
3．对于不同化学性质的电池，将采用相应的充电方式。
4．可与电池组中的芯片通信，得到该电池组的电压、充电电流、容量等参数。
5．充电器带有LCD，可显示电池的各项数据。
该充电器的功能框图如图1所示。
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系统硬件设计
总控单元的设计与实现
总控单元是由微控制器PIC16F873和键盘控制芯片ZLG7289A构成的。主要任务是负责与各个充电单元通信，并处理用户输入与LCD显示信息。键盘控制芯片在这里负责6个按键和12个LED的控制。ZLG7289A与微控制器之间通过SPI总线进行双向通信。主控单元每秒查询一次各个充电单元，获取当前充电单元的信息，如有无电池、电池性质、电池电压等。之后由LCD模块向用户显示。
充电单元的设计与实现
LTC4002锂离子电池充电控制芯片
LTC4002是一款高效独立开关模式锂离子电池充电控制器。该控制器有4.2V和8.4V两个版本。LTC4002-8.4具有500kHz开关频率，是高效电流模式的PWM控制器。通过驱动一个外部P沟道MOSFET，它可以提供4A的充电电流，而效率可高达90％。输出电压设置为8.4V，最终浮动电压并具1％的精度，而充电准确度为5％。此外，该器件可在9V～22V范围内的多种墙上适配器上运行。与迟滞拓扑结构充电器相比，LTC4002-8.4的快速运行频率与电流模式架构使之能够使用小型电感器和电容器。
锂离子／镍镉电池两用充电单元的总体设计
从前面对LTC4002的分析可知，该芯片是针对锂离子电池的充电控制器，要实现对镍镉电池充电需要解决以下问题：首先，LTC4002对电池电压进行监测，保证电池电压不超过8.4V。但对于镍镉电池组，充电截止电压可以达到9.2V。其次，镍镉电池充电即将结束时，需要对电池进行以正常电流30％和10％的涓流充电。所以，第二个需要解决的问题是如何控制恒流充电的电流大小。此外，对镍镉电池充电应使用脉冲充电方式。即以1s为周期，95％的时间用来充电，1％的时间用来放电，其余时间不充电也不放电。最后，如何判断某一个电池是锂离子电池还是镍镉电池，因为若把锂离子电池误判为镍镉电池，会使充电电压高于8.4V，这对锂离子电池是十分危险的，而将镍镉电池误判为锂离子电池，则可能造成电池充电不足。因此，必须保证极低的误判率。
本部分根据LTC4002的工作原理，设计了既可以对锂离子电池进行恒流-恒压充电，又可以对镍镉电池进行脉冲式充电的电路。充电单元的总体功能框图如图2所示。其中，信号调理电路使充电器既可以对8.4V的锂电池充电，又可以对9.2V的镍镉电池充电，同时也起到控制充电电流大小的作用。
利用微控制器控制LTC4002的工作状态，配合放电电路使充电器可以对镍镉电池进行脉冲方式充电。
微控制器通过一定的通信协议(HDQ16)与智能电池通信，确定其容量、化学性质等关键参数。
信号调理电路的设计
为了使LTC4002可对高于8.4V的电池进行恒流充电，并可调节充电电流，在LTC4002的BAT和SENSE端与采样电阻之间加入一级信号调理电路。该电路的主要功能是对采样电阻两端的信号进行运算，针对不同化学性质的电池，将相应的信号送给LTC4002。该信号调理电路如图3所示。
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这里定义采样电阻两端的电压值是VBAT和Vsense，那么充电电流在采样电阻上的压降VRS为：VRS=Vsense-VBAT，该信号为减法器的输出。设乘法器的乘系数为K，那么乘法器的输出为KVRS。对于锂子电池，二选一开关将选通电池电压VBAT；对于镍镉电池，二选一开关将选通7V恒定电压。这里设二选一模拟开关的输出为V1，那么加法器的输出Vs应为：Vs=KVRS+V1，这样一来，送到LTC4002的BAT和SENSE两端的电压之差应为KVRS。只要正确控制K值，就可以使充电电流为正常充电电流的1／K。因此，可以通过二选一开关控制电流为恒流充电时的10％或30％。
对于LTC4002的BAT端输入值，当开关选通锂离子电池时，BAT的输入即是电池电压。此时，LTC4002可以控制整个锂离子的充电过程。不需任何外界的干预。
当开关选通了7V恒定电压后，BAT端的输入恒定为7V，此时，LTC4002无法知道电池的真实电压，只认为电池电压为7V。所以，尽管电池电压高于8.4V，仍会以恒定电流对电池进行充电。在这种情况下，需要微控制器的干预，否则，会造成电池的过充。由于微控制器内部带有ADC，可以监测电池电压的变化。当电池电压达到指定值时，减小充电电流，直至电池充满。这样就可以对9.2V的镍镉电池进行充电了。
脉冲充放电电路的设计
由于LTC4002是恒流充电控制芯片，因此，必须使用微控制器控制其充电使能引脚COMP。当需要LTC4002输出充电脉冲时，使控制COMP引脚的端口变为高阻态，使COMP引脚自行升至360mV以上时，便有充电电流输出。放电时，必须将COMP引脚拉低，使LTC4002关断充电电流。之后，再打开放电电路。微控制器选用PIC16F873，它是一款基于Flash的8位微控制器。内部有定时器、看门狗电路、10位ADC等模块。
微控制器以1s为周期对镍镉电池进行脉冲充放电。
系统软件设计
系统软件总体设计
充电单元中的微控制器主要负责充电过程的控制和与总控板的通信，程序流程如图4所示。充电单元首先判断是否有电池，如果有电池放入，则判断充放电状态，默认是充电状态，该状态可由总控单元改变。若充电单元处于充电状态，则继续判断电池的化学性质，针对不同的电池采用不同的充电方式。若处于放电状态，则对电池组进行放电，直到电池电压低于阈值电压后，转为充电状态。
除主程序外，总控单元与充电单元的通信是在中断服务程序中实现的。当充电单元收到总控单元的指令后，进入中断。若指令是查询数据指令，则向总控单元发送需要的数据。若是充电状态设置指令，则依据指令设置充电单元的充电状态。
通信协议的实现
通过与电池组中电能计量芯片通信的方法来判断电池的性质。本系统可以与遵循HDQ16接口协议的智能电池组进行通信，除了电池组的化学性质外，还可以将电池组的容量、电压、充电电流、编号等数据一并读取，供充电器显示之用。
充电单元可以通过HDQ总线对智能电池进行读操作。HDQ16接口协议是基于指令的协议。一个处理器发送8位指令码给智能电池，这个8位的指令码由两部分组成，7位HDQ16指令码(位0～6)和1位读／写指令。读／写指令指示智能 电池存储接下来的16位数据到一个指定的寄存器，或者从指定的寄存器输出16位数据。在HDQ16里，数据字节(指令)或者字(数据)的最不重要的位会优先传输。
一个块的传输包括三个不同的部分。第一部分经由主机或者智能电池把HDQ16引脚置逻辑低状态一个tSTRH：B时间后开始发送。接下来的部分是真正的数据传输，数据位在tDSU:B时间间隔里是有效的，负边界用来开始通信。数据位被保持一个tDH:DV时间间隔，以便允许主机或智能电池采样数据位。
在负边界开始通信后，最后一部分通过返回给HDQ16引脚一个逻辑高状态，至少保持tSSU:B时间间隔来停止传输。最后一个逻辑高状态必须保持一个tCYCH:B时间间隔，以便有时间让块传输完全停止。
如果发生通信错误(e.g.，tCYCB>250μs)，主机就发送给智能电池一个BREAK信号，让其控制串行接口。当HDQ16引脚在一个时间间隔，或者更长时间里为逻辑低状态时，智能电池就会侦测BREAK。然后，HDQ16引脚回到其正常预设高逻辑状态一个tBR时间间隔。然后，智能电池就准备从主机那里接收指令。
HDQ16引脚是开漏的，需要一个外部的上拉电阻。
图5是用逻辑分析仪显示的一次HDQ总线上的通信波形。
 |
结语
本文提出的充电系统从技术上很好地解决了上述问题，通过LCD显示屏可以清晰便捷地读出电源的剩余容量、已有充放电次数、充电及放电电流、电池电压、容量统计和电池特性等重要内容，并且通过设定，可以判断电源是否达到报废标准，及时提醒操作者更新电源。为电源维护保养工作提供明确的参考数据，降低了对操作人员专业技术水平的要求，保证了列车尾部电源的安全使用。