基于单片机控制的锂电池充电和保护系统研究
摘要： 加强锂电池充电和保护，是锂电池实践运用中的一项关键技术。基于单片机控制的视角，结合其在电动自行车中的运用，探讨了单片机控制的优势和价值，分析了系统运行机理，提出了相应措施。
关键词：锂电池；单片机；充电；控制；保护
锂电池具有重量轻、能量高、自动电率低、使用寿命长、绿色环保等特点。作为绿色环保电池的首选，近年来，锂电池的应用日益广泛，不仅应用于电力储能、移动通信电源系统，而且延伸到交通动力、新能源储能动力等电源系统。如何加强锂电池充电和保护，已成为其运用中的一项关键技术。现基于单片机控制的视角，结合其在电动自行车中的运用，对其充电和保护系统作一分析和探讨。
一、单片机控制的优势
先恒流、再恒压，是锂电池充电通常采用的策略。从电路看，既可以采用“单路电流 + 均衡电路”充电，也可以采用多路并联充电。通过试验可知，两种方式各有特点，各有各的优点与弊端，后一种方式，虽然效率是前一种方式的 3倍，但成本较高。前一种方式，虽然成本较低，但在充电过程中，在恒流在变为恒压时，由于均衡电路不能关闭，使得电流在此电路中持续流通；当电压为 4.2V 时，由于均衡电路电流较大，从而降低了充电效率。
那么，如何加强对均衡电路的控制和对锂电池的保护，以提升充电的效率与效益？综合 3 种控制手段和方法（见表 1），其性价比较高的，当数单片机控制。在锂电池充电过程中，采用单片机控制手段，能够通过有效控制均衡电路，提高锂电池充电效率与效益。
二、单片机控制下的系统运行机理
主供电回路如下 :+48V 为开关电源的输出 ,CN1 接器接电池组 ,PMOS 管 Q2 是电源调整管，受单片机的 PWM 控制，可以调节电池组的充电电流。电池组的负端接有两个 25mΩ 的电阻，充电电流在这两个电组上产生电压，经过放大路送入单片机的ADC 电路，每个单粒电池组的电压也送入单片机的 ADC 电路 ,单片机实时监控充电电流和电压。
在该系统中，单组锂电池恒流充电电流、截止电压分别为3A、4.2V，保护电路最小放电压、最大输出电流分别为 3V、24A。 电动车电池组为 10 个电池组串连，充电截止电压为42V, 放电截止电压为 30V。其运行机制是：外部交流电源上电时，充电电路工作输出高电平 PG 信号，PG 信号便会将之传递给单片机，“命令”锂电池进行充电。此时电池组的电压和电流被单片机严格监控。
刚开始充电时电池电压较低 , 单片机控制控制充电电路工作于恒流状态，以恒定电流给电池组充电。充电电流被转换成电压信号送入单片机的 ADC 电路，实时测控充电电流。因为电池组采用串联方式，所以单体电池电压存在“非均衡”现象。在单片机对其监测过程中，如监测到单体电池电压接近 4.2V时，即该单粒电池接近“满电”。便会向均衡电路“传送”地址码，均衡电路在通过译码后，输出一个控制信号打开并联在单体电池上的均衡电路。而没有达“满电”的电池组两端的均衡电路关闭 , 该电池组以正常方式充电。这样可以提高该阶段的充电效率。
三、以单片机控制促进系统高效运行的措施
通过对充电保护系统的运动机理分析，我们可以看出，其高效运行的关键措施，在于对各个电路的设计和控制。就单片控制电路而言，首先应根据充电器，选择适宜的性价比高的单片机。针对电动自行车锂电池的运用实际，笔者在上述系统运行机理分析中，选用的单片机为 PIC16F877 型，该单片机具有5 个基本输入接口，共有 33 个引脚可以使用，具有 10 位 ADC,可以满足每个电池组的电压检测和电检测。多个数字输出接口用于控制均衡电路的控制 , 以及充电电路的控制。内部 FLASH空间有 8K，数据空间 368 字节 ,13位数据指针，整个寻址空间 8K。指
令码 14 位，这是 PIC 单片机的特色 ,因此较普通的 MCS51 单片机速度更快、数据处理能力更强，能够较好满足锂电池的充电需要。本系统的一大特色是加入了均衡电路，单片机检测每个单粒电池的电压和电流，及时将地址码传递给充电器，并由其译码之后，导通相应的均衡电路，对一些充电电流进行“分流”, 实现高效率充电。对与开关电源而言，采用单端正激电路，输出 48V/3A,当外电源插入时，并输出 PG 信号，这个信号被单片机检测到，自动打开功率 PMOS 管 , 开始对电池充电。这个 PMOS 管受单片机的 CCP 引脚控制 , 该引脚工作在 PWM 方式，单片机输出不同宽度的 PWM 信号控制 PMOS 管，从而控制电池组的充电电流。