邱健蓄电池基于脉宽调制的锂电池快速、高效充电系统

摘要：有一个基于脉宽调制的锂电池的充电系统，它具备快速、高效的特点，这个动态的高效率充电系统涵盖多个主要模块，像电源变换模块、可编程单片机、脉宽调制充电模块、电量检测模块以及温度检测模块等。借助单片机进行编程，以此来控制脉宽调制以便实现快速充电，进而提高充电效率，与此同时也能够精准地检测电池的温度以及电量，依据实际需要去控制电池进行快速充电，并且还能够确保不会出现温度过高、过压、过充等一系列安全问题，最终达到延长电池寿命的目的。

涉及脉宽调制这个内容，关联锂电池，包含充电方面，还有单片机编程电源变换，以及电量检测 。

一引言

在现代生活里，数码产品持续增长，智能手机不断增加，智能穿戴日益增多，电动车也越发常见，还有移动式电动工具等产品同样在增多，锂电池需求量因而越来越多，电池容量也变得越来越大。然而，各种电池供电设备因为要与互联网云端传输数据，许多产品甚至内置了中央处理器CPU，其工作主频高达几百兆赫兹，乃至于2GHz以上，致使耗电越来越大，这对电池的续航能力颇不利。 。系统的耗电出现了增加的情况，这就需要将电池充电电流予以提高，然而当前电池的充电管理电路，一般采用的是线性充电系统，这种线性充电系统，它的基本原理是由一个内部MOSFET管跟热调节电机构成，并且借助一个对地电阻来设置充电电流限流，一旦充当输入电压大于所设置的门限电压，输入电压就会与电池接通，进而开展充电。当电池电压值比电池或者电池组的低压保护值低的时候，采用大约1/10设置的充点值进行涓流充电，当电压提升到一个安全值之际，转而使用预先设定的满电流充电，在达到浮充电压后，又变更为小电流涓流充电，一直到充满电自动停止。因为电路工作处于线性状态，效率比较低，发热量大，所以限制了最大充电电流仅能达到1.5A以下。没办法满足电子产品对大容量电池产品充电的需求。目前，多数锂电池充电电路采用线性充电电路、简单开关式充电电路，未检测充电输入端电流，无法依外接电源适配器耗电情况调整锂电池充电电流，可能因电源适配器功率低、充电电流大，损坏电源适配器或引发安全事故。可见，良好充电电路，对锂电池充电效率、充电时间、电池寿命及安全性有影响，且对外部供电电源系统能否正常至关重要， 。

二研究背景和意义

智能手机、平板电脑、智能穿戴、电动工具等，都得依靠给锂电池充电的锂电池充电系统。在实际使用当中，因为锂电池充电电路设计不合理，致使电池充电时温度过高、出现鼓包等故障，电池爆炸事故常常发生。传统线性充电电路的原理是，充电器电流持续注入电池，不过电流会随着电池电压持续上升而线性减小，效率较低，一般低于60%，所以温度升高较多，不利于大容量锂电池充电。现有线性充电系统与普通开关式充电系统存在以下缺陷：

（1）充电效率低，温升太高，电池寿命短；

（2）充电时间长，无法实现快充；

（3）过压保护精度不够，容易造成过充；

（4）没有内置充电时间限制，容易长期充电造成过热损坏。

综上所述，设计用可编程单片机产生脉宽信号，控制 MOS 管高调制脉宽的开关式充电，利用内置高精度模数转换器检测输入电压判断外接电源耗电流，调整合适锂电池充电电流实现自适应充电电流确保供电电源安全性，实现高效率、快充、高精度过压保护与内置充电定时器，满足互联网时代人们高效、快速充电急切需求，市场需求量巨大 。

三锂电池充电系统现状研究

20世纪末出现的锂电池，是相对环保的高效能可充电电池，因具备环保、轻便、高储能、自放电系数小、无记忆效益以及循环使用寿命长等优点，正逐步取代传统镍铬、镍氢电池，在2016年产量达78.4亿只，首破千亿元，于2017年全球锂离子电池产业规模超过420亿美元，2018年将维持平稳增长，随着互联网、智能控制、电子终端产品数字化飞速发展，可充电锂电池在近几年迎来了快速发展时期。可是，跟它相匹配的那种传统的锂电池充电系统，大多采用传统的线性充电电路，或者是简单的开关式充电电路，温度升高得比较快，需要挺大的散热面积，使得体积变大了，没办法符合体积越来越小的数字化电子产品的市场需求。因为脉宽调制的锂电池充电电路，有着效率高、充电电流大、发热很少、占用体积小等优势，所以受到越来越多消费者的喜爱，在近几年，国内外好多知名企业纷纷加大对这项技术研究的投入 。

四脉宽式锂电池快速充电的优势

一种脉宽式充电方面的系统，它涵盖着电源输变换模块，还有锂电池，另外还有能提供各种控制信号的可编程单片机。电源转换用的模块，会去把输入进来的电源，转变成锂电池所需的电压值，并且呢同时和脉宽调制快速充电那个模块以及单片机相连接；脉宽调制快速充电模块，会接收来自单片机给出的控制指令，依据电池的需求，针对锂电池做涓流充电或者快速充电；电量检测的模块，会接收来自锂电池经过涓流充电之后的电压值，判断电量情况后，把电量信息传送给单片机做模数转换，之后呢再由单片机发出指令，控制脉宽调制快速充电模块，去控制锂电池的充电电流；涓流充电模块，包含接收来自锂电池的温度数据，判断电池温度是不是超出了安全范围，以此来确保充电的安全性。籍由单片机内部定时器，展开充电计时，倘若超出充电时间，然而尚未达成电池充电，即刻切断充电电路，输出充电故障指示，用以保证充电系统安全；单片机操控脉宽调制进行快速充电，与此同时还精确检测电池温度及电量，依据需求控制电池快速充电，并且能够确保不会出现温度过高、过压、过充等安全问题，进而延长电池寿命。节省能源损耗，是取代传统线性锂电池充电系统的最佳选择。原理方框图如下。

五脉宽式充电系统电路与软件驱动

本设计采用高集成单片机，其内置高精度模数转换器 ADC、电流调节器及看门狗等功能，目的在于提高充电效率与电池安全性。为适合当下流行的编程系统，使用 Keil 编译环境，以 C 语言进行编写、编译，开发环境具备易学高效的特点。软件借助内部模数转换对外部电源电压值予以检测，把采用的模拟信号转变为数字信号，与软件所设置的参考值展开比对，进而判断供电电源的续航能力，依据此来控制PWM寄存器，对占空比寄存器作出调整，以此根据预判实现对占空比的控制，控制连接外部脉宽调制快速充电模块5的MOSFET，调整出合适的充电电流。单片机对电量检测电路2加以检测，判断电池电量是否充饱，确保不会因过充而造成损坏。会采用外接的温度检测模块中的相关信号，输入到单片机的模数转换器ADC里进行分析；由这种模数转换器展开分析，以此对温度值作出判断。要是测定出来的温度值超过了软件预先设定的值，那么就会实施关断操作；假温度值未超过软件预设值，那么就会继续进行充电。单片机内部的定时器会对充电时间实施监控，一旦出现时间超时的情况，就会结合温度检测模块传送过来的信息，通过这种综合判断来明确充电状态，进而关断充电电路，同时提示存在电池故障。要是并未出现超时情况，那就会持续进行充电，一直到电池达到充饱状态，之后传送相关信息给显示模块10，以此指示电池电量已经充饱 。

六脉宽式充电系统原理与控制流程

脉宽式充电系统，外接的电源，经由电源适配器，转换成为5V至18V的直流电源，该直流电源，用来给单机片内部的电压调整器，进行供电 。系统供电连接到由R4跟R5构成的分压器，经由电阻R6把外部检测电压值输出给单片机的模数转换器，动态检测外部电源电压波动的压差，借助单片机软件预设的算法，判断外部电源的带载能力；输入电源VCC接入脉宽充电调制模块的Q3与Q4，单片机依据收到的外部电源带载能力信息，单片机PWM1与PWM2生成脉宽调制信号控制Q3与Q4栅极，进而控制在不同电池电量状态下以合适的电流给锂电池充电；当每节锂电池电压低于2V时进入短路电流检测模式，当每节电池电压低于3V时进入预充电模式；每节电池充电截止电压为4.2V，充电完成后，要是每节电池因电流泄露下降到4.1V以下时，进入再充电周期，Pin9对地电阻R13和Rsns共同调节输出充电电流，I=K*Viset/（Rsns*Risen），其中K=2000V/A，Viset=1V，Rsns，电阻单位是欧姆；LED1显示模块能够显示电池电量与充电状态。系统原理图如下图二所示。

七结束语

此篇论文详尽阐述怎样提升锂电池充电效率，以及快速充电和安全充电的原理与办法，进而契合互联网时代人们对于高效、快速安全充电、节能环保智能数字化那份急切渴望，既能有效地将传统线性充电电路取而代之，又能把脉宽式充电系统相较于传统充电电路的优点、工作原理、软件驱动原理、以及系统控制流程进行系统介绍，还会对该充电系统的设计、调试方法予以详细讲解 。因该项技术持续完善，能够切实达成智能检测外部供电系统供电带载能力，对单片机脉宽予以调制，控制充电电流，防止供电系统因过载而损坏，为该领域企业响应国家倡导的节能减排，给予了技术保障 。