可編程電池充電器設計

劉洋，王劍

（四川大學電氣信息學院，四川成都610065）

可編程電池充電器設計

劉洋，王劍

（四川大學電氣信息學院，四川成都610065）

為實現對不同充電方式的可編程控制的目的，采用由BUCK電路、STC12C5A60S2單片機和上位機軟件組成的可編程電池充電器設計方案。通過對通用充電器與可編程電池充電器對鋰電池充電測試結果的對比分析表明，本設計能夠實現恒流、恒壓以及混合多段式充電，合理控制充電過程能更好的利用電池的容量。本充電器可用于研究不同電池的最佳充電方案。

BUCK電路；單片機；上位機；充電器

隨著電力電子技術的飛速發展，現代各種電子設備都朝著輕量化和便攜化發展。可充電電池具有性價比高、壽命長和可反復使用等特點，廣泛用于便攜式電子設備中。目前市面上通用的充電器功能簡單，工作方式由硬件設定不可改變，單一的充電方式（恒壓或恒流充電）將造成電池浮充，減小電池使用壽命。針對鎳鎘電池（Nicd）、鎳氫電池（NiMH）和鋰離子（Li）電池所具有不同的充電特性和充電過程，應采用不同的充電控制技術。文獻［1-4］介紹了多種充電方式，都是按照控制充電電流和充電電壓實現。

開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式。與傳統整流半波充電方式相比，基于開關電源技術的充電器使得充電效率大為提高。文中采用開關電源技術，設計了一臺可通過上位機編程設定充電方式的電池充電器，具備完善的過流、過壓保護，可針對不同類型電池編程不同充電策略，對于研究各類電池的最佳充電方式具有重要意義。

1　技術方案

通用程控電池充電器由Visual Basic上位機（VB）、STC12C5A60S2單片機和BUCK變換電路組成。圖1為本設計的系統結構框圖。上位機編程充電方式，選擇一恒壓、恒流或混合多段式充電方法，并顯示來自單片機的充電信息反饋。單片機接收上位機指令進行不同充電方式切換。充電主回路有BUCK型電路構成，配合TL494芯片可實現對充電電流、充電電壓有效控制。

圖1　系統結構

1.1主電路設計

電池充電器的輸出電壓約為5 V，輸入為220 V市電經220/12變比的變壓器后再全波整流得到直流電壓15 V供功率變換電路使用，采用LM7805得到5 V供單片機使用，采用非隔離的BUCK拓撲作為充電器的主回路，開關管選擇IR9540作為開關管。當電路處于非正常工作狀態時，單片機發出保護信號（protect引腳）切斷BUCK電路的輸入電源，實現電路保護。其電路原理如圖2所示。

采用TL494作為控制芯片，TL494是一種固定頻率的脈寬調制電路，具有控制簡單、易于擴展的優點，被廣泛地用于開關電源控制領域。TL494的外圍接線如圖3所示。其中FB為反饋腳，PWM為輸出驅動信號。反饋信號可從電流采樣電路或電壓采樣電路獲得，電流采樣經放大和跟隨后得到電流反饋信號IFB，電壓采樣經過跟隨后得到電壓反饋信號VFB。

圖2　BUCK主電路

圖3　PWM控制電路

電路選取不同的反饋量（IFB或VFB），可實現不同的控制目的。電流反饋適用于恒流控制，電壓反饋適用于恒壓控制。單片機可通過對FB_Control的控制實現電池不同充電方式的切換。恒壓控制與恒流控制的電路如圖4所示。

1.2程控設計

上位機軟件采用VB程序語言編寫。VB擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應用程序開發（RAD）系統，可以輕松的使用VB提供的組件快速建立一個應用程序。本設計的上位機調用VB串口組件實現與單片機通信。上位機功能包括1）設定充電電流、充電電壓以及充電時間，由此可組合為不同充電方式；2）設定過流過壓保護動作值；3）顯示充電電流和充電電壓。

采用STC12C5A60S2單片機，該單片機屬于增強型1T單片機，具備雙串口，P1接口自帶8路10位精度的模數轉換器，使得本設計無需額外的AD轉換芯片，簡化設計，單片機電路如圖5所示。單片機硬件部分主要包括最小系統、MAX232串口電路以及DA轉換，其中DA轉換芯片采用TLV5616，分別輸出電流設定量Iset和電壓設定量Vset。單片機用于接收上位機的數據控制開關電源輸出，并且檢測負載的電流、電壓，上傳數據到上位機，程序流程圖如圖6所示。

圖4　恒流恒壓切換電路

2　測試

文中設計的程控電池充電器采用多段式恒流恒壓充電法［5-7］。充電過程分為以下3個階段：1）充電時先采用涓流充電，即充電器以恒定的小電流對電池進行充電，隨著充電的進行，電池兩端電壓逐漸升高；2）當電池電壓大于設定的電壓時，充電狀態切換到恒流充電，電池電壓繼續升高，本階段恒定電流的大小決定電池充電的快慢；3）在恒流充電過程中，當電池電壓大于設定的電壓時，充電狀態切換到恒壓充電，當充電電流小于設定電流時，判斷為電池充滿，充電過程結束。

為使充電器簡潔、方便使用，設計了充電器面板，另外在面板上添加了液晶LCD1602，方便觀察兩通道電流、電壓值。圖7為本設計的通用程控電池充電器實物，圖8為上位機界面。

采用標準充電器（型號為UltraFire神火18650型充電器）和本文設計的程控充電器對電池充電，通過對比電池充電結束后的容量來驗證程控充電器的工作情況，并觀察程控充電器對鋰電池的充電效果。

選用電池型號為Delipow德力普2 800 mAh鋰電池，UltraFire神火BCR18650型3 000 mAh鋰電池。測試開始前分別用KL283電池容量計對電池徹底放電。軟件設定充電電流分別為慢充（0.5 A）和快充（1.0 A），過流設定1.1 A，過壓設定4.6 V，涓流充電電流為20 mA，恒流充電時切換電壓為2.8 V，恒壓充電時切換電壓為電壓為4.2 V，恒壓充電時充電電流小于5 mA認為充電結束。充電完成后取下電池靜置半小時，再用KL283電池容量計測試實際的電池容量。測試的結果如表。

圖5　單片機電路

圖6　單片機程序流程圖

圖7　通用程控電池充電器實物

圖8　上位機界面

表1　1A電流充電結果

表2　0.5A電流充電結果

從表1、表2可以看出：1）程控充電器能夠完成涓流、恒流、恒壓3個充電階段對鋰電池的充電；2）使用慢充方式與快充方式相比，程控充電器慢充方式能對電池充更多電量；3）快、慢兩種方式充電量比標準型充電器充電量多5%-10%。

3　結束語

文中設計的的通用程控電池充電器，采用了單片機與開關電源技術，能夠方便對輸出的電流和電壓控制，通過控制充電方式和充電時間能較好的實現預充、快充、慢充三個階段。針對不同類型的電池具有不同充電方式的問題，通過上位機軟件設定相應充電策略和參數即可解決。實際對鋰電池充電測試表明，程控充電器與通用的鋰電池充電器相比，程控充電器能更穩定、高效地對電池充電，具有充電電池種類多、程控方便的特點，可用于研究充電電池的最佳充電方式。

［1］劉漢雨.鋰離子電池充電方法及壽命預測研究［D］.北京：北京工業大學，2014.

［2］Li J，Murphy E，Winnick J.The effects of pulse charging on cycling characteristics of commercial lithium-ion batteries［J］. PowerSources，2001（102）:302-309.

［3］姚和平.鋰離子電池充電器設計［D］.西安：西安電子科技大學，2008.

［4］PHL Notten.Boostcharging Li-ion batteries:A challenging new chargingconcept［J］.PowerSources，2005（145）:89-94.

［5］Zeng X J，Singh M G.A Relationship Between Membership Function and Approximation Accuracy in Fuzzy System［J］. IEEE Trans on Systems Man and Cybernetics，1999:31-36.

［6］Lin C W，Yen S C.The Application of Pulse Charge for Secondary Lithium Battery［C］.212thECS Meeting，2008，11（29）:55-62.

［7］徐磊.動力鋰電池充電技術研究［D］.太原：太原科技大學，2014.

Design of a programmable battery charger

LIU Yang，WANG Jian
（School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

In this paper，in order to operate at different charging modes by programmable controlling，the design of a programmable battery charger including BUCK converter，STC12C5A60S2 MCU and computer software，was proposed.The charging test of lithium battery show that the charger has a great charging performance in constant current，constant voltage and multistage modes.Moreover，its capacity can be largely improved by controlling the charging process reasonably and this charger can also be used to study the optimal charging strategy of different batteries.

BUCK converter；MCU；computer software；battery charger

TN709

A

1674－6236（2016）12-0128-03

2015-06-19稿件編號：201506195

劉洋（1993—），女，黑龍江黑河人。研究方向：電氣工程及其自動化。