數字化智能充電器的設計

摘要：文章介紹一種基于單片機的通用智能充電器的設計。充電器可以實時采集電池的電壓、電流，對充電過程進行智能控制，計算電池已充的電量和剩余的充電時間，還可以通過串口和上位機進行通訊，并給用戶顯示必要的信息，有虛擬儀表的作用；另外，它也可以改變參數，適應各種不同電池的充電。列舉了幾種不同的電池充電試驗，來說明智能充電器的實用價值。

關鍵詞：智能充電器；智能控制；虛擬儀表

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2008）05-119-02

本文介紹一種基于單片機的通用智能充電器的設計。充電器可以實時采集電池的電壓、電流，對充電過程進行智能控制，計算電池已充的電量和剩余的充電時間，還可以通過串口和上位機進行通訊，并給用戶顯示必要的信息，有虛擬儀表的作用；另外，它也可以改變參數，適應各種不同電池的充電。這里列舉幾種不同的電池充電試驗，來說明智能充電器的實用價值。

一、智能充電器的硬件設計

智能充電器如圖所示。主要包括電源變換電路、采樣電路、處理器、脈寬調制控制器和電池組等，形成了一個閉環系統。下面對系統的工作原理分幾個部分進行簡述。

1.處理器

處理器采用51系列單片機89C51。單片機內部有兩個定時器，采用11.0592MHz的晶振。單片機的任務是通過采樣電路實時采集電池的充電狀態，通過計算決定下一階段的充電電流，然后發送命令給控制器控制電流的大小。單片機通過串口RS232和上位機相連，用于存儲數據和虛擬顯示。

2.采樣部分

電壓和電流采樣采用模/數轉換器AD574。AD574為±15V雙電源供電，12位輸出，最大誤差為±4bit，合計電壓0.01V。

充電電流通過電流傳感器MAX471轉換為電壓值。電流采樣的電壓值和電池組的端電壓值兩者經過模擬開關CD4051，再經過電壓跟隨器輸入到AD574，分別進行轉換，其結果由單片機讀取，并進行存儲和處理。

3.控制器

控制器采用脈寬調制(PWM)方式控制供電電流的大小。PWM發生器由另一個20MHz的單片機構成，主控制器和它采用中斷的方式進行通訊，控制其增大或減小脈寬。PWM信號通過光電隔離驅動主回路上的MOSFET。開關管、二極管、LC電路構成開關穩壓電源。用PWM方式控制的開關電源可以減小功耗，同時便于進行數字化控制，但母線的紋波系數相對較大。

二、智能充電器的軟件設計

1.數據測量

在單片機的測量中，電池電壓值和電流測量值經過多路選擇器進行選擇，然后通過A/D轉換器轉換為16進制數，直接存入單片機。電池電容量C則需要間接計算，由于每個循環周期檢測電流一次，，故可以利用電流值的積分求出電容量C。考慮電池內阻r的影響，可以得到計算電容量的計算公式為：

Cn+1=Cn+I·t-I2·r·t

充電時間和剩余充電時間由上位機進行計算，剩余充電時間等于預設的充電時間與已充電時間的差值。其中，預設時間可根據電池的型號預先得到。

2.單片機控制程序設計

對于不同的電池和不同的參數，單片機需要設定不同的充電參數，選擇不同的充電策略。另外，程序需要在電池過電流、過電壓等異常情況下強制終止充電。以鋰離子電池為例，一般采用恒流-恒壓充電方式，其充電過程包括小電流預充電、大電流充電、恒壓充電等幾部分。

在控制恒定電流和恒定電壓的過程中，采用比例控制，即如果充電電流I大于設定電流Is，就按照比例減小脈寬;反之按照比例增大脈寬。單片機還需要接收和處理上位機的命令，并根據上位機的要求將數據實時回送給上位機。兩者的通訊協議要在程序中預先設定。

3.上位機處理程序設計

上位機程序由VisualC++編寫。其任務是每隔1秒鐘向串口發送一個查詢命令，并讀取單片機回送的信息，提取充電電流、充電電壓、工作狀態等參數。參數經過數制轉換和計算后進行顯示。軟件有著良好的用戶界面，可以方便地觀測電池目前的工作狀態以及剩余充電時間等信息。上位機程序會同時把讀到的數據存儲到文件中，這些數據可以利用其它數學軟件(如Matlab)進行處理。

另外，程序在初始化時要把充電電池的型號參數發送給智能充電器，參數一般包括充電電池的種類(鋰離子電池、鎳鎘電池)、充電電池的容量(單位為mAh)等。根據不同的電池型號，單片機可以設定不同的充電參數，程序可以直接控制單片機的運行與停止。

三、智能充電器的應用試驗

1.充電性能試驗

這里選用型號為US18650的SONY鋰離子電池，其額定容量為1800mAh;經過測量，電池在4.2V左右時的內阻約為0.3Ω。取恒流充電電流為1/3C=0.6A，截止電壓為4.2V，充電結束標志電流為0.06A，進行充電試驗。右圖為充電過程的電壓、電流和電容量的曲線。

充電時間約為240分鐘，如果需要進一步縮短充電時間，只需在初始化時設定更大的充電電流即可。因為采用PWM控制器，所以電源供電的效率高，從供電電源到充電電池的工作效率，最低時在85%左右。充電電流波動較大，波動系數約為5%。

2.智能充電器通用性試驗

選用NOKIA6100鋰離子電池(額定容量為550mAh)，用恒流-恒壓充電方式進行充電，取恒流充電電流為0.15A，截止電壓為4.2V，充電曲線右圖所示。

從充電曲線來看，電池電壓達到3.96V時就不再上升了，充電電流也不再下降了。可以判斷商用電池內部有保護電路，將多余的電流旁路了，這樣的保護電路使充電過程中能量損耗很大。試驗曲線顯示在四小時電池電量已經達到550mAh，但實際上并沒有達到滿充。此實驗證明，此充電器可以作為一般的商用電池的通用充電器，充電速度快，效果良好。不足的是它與實際的充電電池在機械接口上還不能匹配，需要進一步改進。

參考文獻

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