带有数据显示功能的锂电池和镍镉电池充电系统
介绍
针对目前市场上镍镉电池和锂电池并存的现状，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，对锂电池组采用恒流充电，这是根据电池的不同机理而设计的，真正做到了一举两得，这是该充电器的创新之处，也是设计的难点。该充电器的宽屏液晶屏可以同时显示4组充电器的充电状态，也可以分别显示一组充电器上电池的各项参数，从而实现对电池充电过程的实时监控。
总体系统设计
系统设计目标是：
1、可同时对4组8.4V锂离子电池或9.2V镍镉电池进行充放电。
2、它可以与电池组中的芯片进行通信，以确定电池的化学特性。
3、针对不同化学性质的电池，会采用相应的充电方法。
4、可以与电池组内的芯片进行通讯，获取电池组的电压、充电电流、容量等参数。
5、充电器配有LCD，可显示各种电池数据。
系统硬件设计
主控单元的设计与实现
主控单元由单片机和键盘控制芯片组成，主要任务是与各个充电单元进行通信，处理用户输入和LCD显示信息。键盘控制芯片负责6个按键和12个LED的控制。通过SPI总线与单片机进行双向通信。主控单元每秒查询一次各个充电单元，获取当前充电单元信息，如是否有电池、电池属性、电池电压等，然后通过LCD模块显示给用户。
充电单元的设计与实现
锂离子电池充电控制芯片
它是一款高效独立开关模式锂离子电池充电控制器。该控制器提供 4.2V 和 8.4V 版本。-8.4 具有开关频率，是一款高效电流模式 PWM 控制器。通过驱动外部 P 沟道，它可以提供 4A 的充电电流，效率可高达 90%。输出电压设置为 8.4V，最终浮动电压具有 1%，充电精度为 5%。此外，该器件可在 9V 至 22V 范围内的各种壁式适配器上工作。与滞后拓扑充电器相比，-8.4 的快速工作频率和电流模式架构允许使用小型电感器和电容器。
锂离子/镍镉电池两用充电装置总体设计
从前面的分析我们知道，这个芯片是锂离子电池的充电控制器。要实现镍镉电池的充电，需要解决以下几个问题：首先，要监视电池电压，保证电池电压不超过8.4V。但对于镍镉电池组来说，充电截止电压可达9.2V。其次，当镍镉电池即将结束充电时，需要以正常电流的30%和10%对电池进行涓流充电。因此，需要解决的第二个问题就是如何控制恒流充电的电流大小。另外，对镍镉电池充电应采用脉冲充电。即以1s为一个周期，95%的时间用于充电，1%的时间用于放电，其余时间既不充电也不放电。 ，如何判断电池是锂离子电池还是镍镉电池，因为如果锂离子电池被误判为镍镉电池，那么充电电压会高于8.4V，这对于锂离子电池来说是非常危险的，而如果镍镉电池被误判为锂离子电池，那么可能造成电池充电不足。所以必须保证非常低的误判率。
本部分根据工作原理，设计了一种既能对锂离子电池进行恒流恒压充电，又能对镍镉电池进行脉冲方式充电的电路。充电单元总体功能框图如图2所示。其中，信号调理电路使该充电器既能对8.4V锂电池充电，又能对9.2V镍镉电池充电，同时也起到控制充电电流的作用。
该充电器利用单片机控制工作状态，配合放电电路，对镍镉电池进行脉冲充电。
微控制器通过一定的通信协议（HDQ16）与智能电池进行通信，确定其容量、化学特性等关键参数。
信号调理电路设计
为了能够对高于8.4V电压的电池进行恒流充电，并调整充电电流，在BAT和SENSE端与取样电阻之间增加了一个信号调理电路，这个电路的主要作用是对取样电阻两端的信号进行运算，对不同化学性质的电池发出相应的信号。
这里，设取样电阻两端的电压值为VBAT，则充电电流在取样电阻上的压降VRS为：VRS=-VBAT，此信号即为减法器的输出。设乘法器的乘法系数为K，则乘法器的输出为KVRS。对于锂电池，双选开关会选择电池电压VBAT；对于镍镉电池，双选开关会选择7V恒压。这里，设双选模拟开关的输出为V1，则加法器的输出Vs应为：Vs=KVRS+V1，这样送往BAT与SENSE的电压差就应为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，电流可由双选开关控制为恒流充电的10%或30%。
对于BAT输入值，当开关选择锂离子电池时，BAT输入为电池电压。此时，整个锂离子充电过程可由外部控制，无需任何干预。
当开关选择7V恒压时，BAT端输入恒定在7V，此时无法得知电池的真实电压，仅认为电池电压为7V。因此，即使电池电压高于8.4V，仍会以恒流方式对电池进行充电。此时需要单片机的介入，否则会导致电池过充。由于单片机内部带有ADC，可以监测电池电压的变化，当电池电压达到规定值时，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。
脉冲充放电电路设计
由于是恒流充电控制芯片，所以它的充电使能引脚COMP必须由单片机控制。当需要输出充电脉冲时，控制COMP引脚的端口变为高阻态，当COMP引脚上升到360mV以上时，才有充电电流输出。放电时必须将COMP引脚拉低，关断充电电流，此后再开启放电电路。单片机选用的是基于Flash的8位单片机，内部有定时器、看门狗电路、10位ADC等模块。
单片机对镍镉电池进行周期为1s的脉冲充电、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控制充电过程以及与主控板的通信，程序流程如图4所示。充电单元首先判断是否有电池，若插入电池则判断充电、放电状态，默认为充电状态，可通过主控单元改变。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，直至电池电压低于阈值电压，再切换到充电状态。
主控单元与充电单元的通讯除主程序外，在中断服务程序中实现，当充电单元接收到主控单元的指令后，进入中断，若该指令为数据查询指令，则将所需数据发送给主控单元，若为充电状态设置指令，则根据该指令设置充电单元的充电状态。
通信协议实现
通过与电池组中的能量计量芯片进行通信来确定电池的属性，本系统可以与遵循HDQ16接口协议的智能电池组进行通信，除了可以获取电池组的化学属性外，还可以读取电池组的容量、电压、充电电流、序列号等数据，供充电器显示。
充电单元可以通过HDQ总线读取智能电池的数据。HDQ16接口协议是一种基于命令的协议。处理器向智能电池发送一个8位的命令代码。这个8位命令代码由两部分组成，一个7位的HDQ16命令代码（位0至6）和一个1位的读/写命令。读/写命令指示智能电池将接下来的16位数据存储到指定的寄存器中，或者从指定的寄存器输出16位数据。在HDQ16中，数据字节（命令）或字（数据）中不重要的位被首先传输。
块传输由三个不同的部分组成。第一部分从主机或智能电池将 HDQ16 引脚置于逻辑低状态并持续 tSTRH:B 时间开始。下一部分是实际的数据传输，数据位在 tDSU:B 时间间隔内有效，负边界用于启动通信。数据位保持 tDH:DV 时间间隔，以允许主机或智能电池对数据位进行采样。
在负边界上启动通信后，器件会通过至少在 tSSU:B 间隔内向 HDQ16 引脚返回逻辑高电平状态来停止传输。逻辑高电平状态必须维持 tCYCH:B 间隔，以便有足够的时间让块传输完全停止。
如果发生通信错误（例如，tCYCB>250μs），主机将向智能电池发送 BREAK 信号以控制串行接口。当 HDQ16 引脚处于逻辑低状态并持续一定时间间隔或更长时间时，智能电池将检测到 BREAK。然后，HDQ16 引脚在 tBR 时间间隔内返回其正常预设高逻辑状态。然后，智能电池即可接收来自主机的命令。
HDQ16 引脚为漏极开路，需要外部上拉电阻。
结论
本文提出的充电系统从技术角度很好的解决了上述问题，通过LCD显示，可以清晰方便的读取电源剩余容量、充放电次数、充放电电流、电池电压、容量统计以及电池特性等重要内容，并且通过设置可以判断电源是否达到报废标准，及时提醒操作人员更新电源，为电源的维护提供了明确的参考数据，降低了对操作人员的技术水平要求，保证了列车后部电源的安全使用。
关键词：