1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
經(jīng)實(shí)際測(cè)試，并留出一定裕量，設(shè)計(jì)選用9600mAh 12V鋰電池組。實(shí)際采用單節(jié)標(biāo)稱(chēng)電壓3.7V，充電限制電壓4.2V，容量2400mAh的鋰電池電芯，三串四并組成電池組，使用MM1414芯片完成過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流以及短路保護(hù)功能。鋰電池的典型充電算法是恒流與恒壓算法(CC/CV)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18287- 2000的要求首先恒流充電，電池電壓隨著充電過(guò)程逐步升高，當(dāng)電池端電壓達(dá)到12.6V，改恒流充電為恒壓充電，電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過(guò)程的逐步減小，當(dāng)減小到某個(gè)值時(shí)，認(rèn)為充電終止。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)選用0.2C倍率恒流充電，充電倍率達(dá)到0.01C時(shí)認(rèn)為充電結(jié)束，即分別對(duì)應(yīng)電流約為2A和100mA。根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)使用直流18~30V輸入，可以直接使用筆記本電源。D1用于防止電源方向插反。12.6V/2A恒壓限流電路為本電路核心，在輸出電壓低于12.6V時(shí)工作在2A恒流狀態(tài)，當(dāng)輸出電壓達(dá)到12.6V時(shí)，使輸出電壓恒定。D2、D3和C1完成電源切換功能。外部電源供電時(shí)，由于P端電壓總是保持在12.6V以上，S端通過(guò)外部電源供電，若無(wú)外部電源時(shí)，由于電池電壓比P端的電壓高，則通過(guò)電池對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電。穩(wěn)壓電路主要負(fù)責(zé)將S端的電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的各種電壓。ADC1和A DC2分別為電流和電壓采集端，ADC1和ADC2端的信號(hào)經(jīng)過(guò)OP電路放大，然后輸入到ADC電路，MCU把各種相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)RS232傳送到PC104系統(tǒng)。R4和D4完成供電狀態(tài)的檢測(cè)，用于檢測(cè)系統(tǒng)是外部電源供電還是電池供電，使系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整自動(dòng)關(guān)機(jī)或自動(dòng)待機(jī)的等待時(shí)間。電路同時(shí)提供聲光方式的報(bào)警及顯示功能，當(dāng)出現(xiàn)電壓過(guò)低等情況時(shí)，能以比較醒目的方式進(jìn)行提醒。PC104電源板和PC104系統(tǒng)是本電路的負(fù)載。電路中D1、D2、D3均為肖特基二極管，肖特基二極管具有正向壓降低、反向恢復(fù)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)；R1、R2、R3為1%精密電阻。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)工作時(shí)間與電池電量成線性關(guān)系，而電量與電池端電壓為非線性關(guān)系。圖2所示為本系統(tǒng)所用電池在2000mA恒流放電的情況下，電池端電壓與電量的關(guān)系曲線，其中橫軸為電池電壓，縱軸為剩余電量相對(duì)于總電量的百分比。根據(jù)此曲線，在MCU軟件中擬合一個(gè)電壓與電量關(guān)系的數(shù)據(jù)表，同時(shí)設(shè)置10V為告警電壓；系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)查詢(xún)諸如電池電壓、電流、剩余電量、估計(jì)供電時(shí)間等信息，并同時(shí)仿手機(jī)做成3段式顯示，使上位機(jī)全面掌握電池狀態(tài)，決定控制策略，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。MCU軟件使用KeiluV2軟件開(kāi)發(fā)，上位機(jī)軟件使用LabWindows軟件開(kāi)發(fā)。MCU除完成電量查詢(xún)相關(guān)功能，還要完成報(bào)警與顯示功能；上位機(jī)軟件同時(shí)要完成環(huán)境參數(shù)的相關(guān)采集與處理。
圖2 電池電壓與電量關(guān)系
3 系統(tǒng)測(cè)試
將該電路應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)并進(jìn)行測(cè)試。外部電源為DC20V，測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試結(jié)果如下：
(1)充分放電后進(jìn)行測(cè)試，5.1h完成充電，理論充電電流2000mA，理論時(shí)長(zhǎng)4.8h，基本正常；
(2)所有數(shù)據(jù)讀取正常，報(bào)警及顯示功能正常；
(3)各電壓值均在指定范圍內(nèi)，誤差低于2%，測(cè)試波形穩(wěn)定；
(4)2A額定電流工作，各種芯片溫度正常，系統(tǒng)工作正常；
(5)充滿電后，可以連續(xù)使用約4h；
(6)外部電源供電時(shí)效率約為85%，電池供電效率約為90%。
經(jīng)測(cè)試，該電路在性能上完全滿足要求，并同時(shí)可以做到對(duì)電池狀態(tài)準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)了解。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文從實(shí)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于硬件架構(gòu)和軟件控制的便攜式設(shè)備智能電源模塊解決方案。該方案充電速度快、充電電流易調(diào)、成本低。實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果表明，該方案完全能夠滿足系統(tǒng)需要，并且該電源模塊具備可見(jiàn)性、可控性和節(jié)能性。由于該電路軟硬件均具有可裁剪性，所以該電路適用于各種便攜式嵌入式系統(tǒng)等對(duì)體積和重量要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。