基于單片機控制的鋰電池充電器設計

廣東金華達電子有限公司 金 龍 陳 煒 葉寶圖

0 引言

近年來，隨著電動摩托車、電動自行車的普及，原來用的鉛酸電池由于污染大、壽命低，逐漸被動力鋰離子電池取代，一款好的鋰電池充電器可以延長鋰電池的壽命，這就是本設計的目的。

1 設計方案

本設計方案主要運用MCU控制的靈活性，通過輸出電壓測量及電流測量采集鋰電池組工作狀態，根據當前狀態下確定充電方式，同時檢測散熱片的溫度，確定是否啟動風扇。

1.1 硬件設計

本智能鋰電池充電器使用東軟載波的單片機HR7P153P4SC，此MCU是一款8位高性能的單片機，最高運行時鐘達到20MHz，且片內集成有12位ADC模塊、時鐘模塊等常用模塊，可以滿足本系統的性能指標要求。

本充電器硬件包含：電源變換AC/DC部分、電壓測量部分、電流測量部分、溫度測量部分、輸出電子開關控制部分、顯示部分等。圖1是本充電器的方案系統結構圖。

圖1 方案系統結構圖

1.2 電壓、電流、溫度測量

本系統所使用的MCU內部集成12位ADC模塊，本設計采用10位精度，采樣0～5V電壓其精度可以達到10mV，可以滿足要求，圖2為原理圖。

圖2 電壓、電流、溫度測量電路圖

單片機的PA0口是輸出電壓采樣腳，PA3口是輸出電流采樣腳，PA2口是散熱器溫度采樣腳，PA5是風扇控制腳，PA4是輸出電子開關控制腳，PA6是紅色指示燈控制腳，PA7是綠色指示燈控制腳。

1.3 輸出電子開關

由于電動摩托車、電動自行車用的鋰電池組的電壓都較高，在28～72V之間，充電器輸出都有幾千uF的電解電容，如果沒有輸出電子開關，用戶在把充電器插頭插到鋰電池時，會產生較大的火花，存在安全隱患，用戶體驗也不好，所以充電器輸出必須增加電子開關，具體線路圖見圖3。

圖3 輸出電子開關框圖

圖4 初始化和溫度檢測部分

圖5 主運行程序部分

鋰電池沒有接時，單片機沒有檢測到鋰電池電壓B+時，單片機PA4送出低電平，Q9截止，Q6，Q7截止，輸出電壓就和鋰電池斷開了。當鋰電池接上時，單片機檢測到鋰電池電壓B+，單片機PA4送出高電平，Q9導通，Q6，Q7導通，延時0.5s打開輸出電子開關，進入充電狀態。

1.4 軟件設計

本設計采用C語言、模塊化方式進行程序編寫，利于后期硬件升級及程序維護。程序主要分為2部分：初始化和溫度檢測部分、主運行程序部分，其中初始化包含MCU的配置、變量的初始值、外圍電路的驅動配置。

如圖4初始化和溫度檢測部分，圖5主運行程序部分。

充電器剛開始啟動時，單片機會判斷溫度、電池電壓，如果都正常，智能充電器會恒流對鋰電池充電，電池接近充滿時，會以恒壓方式對鋰電池充電，當充電電流小于0.6A時，充電器關斷輸出，綠燈亮，表示電池充滿。

表1 智能充電器性能指標

表2 智能充電器功能指示燈狀態

2 實驗結果

本實驗采用廣東金華達電子有限公司生產的20AH錳酸鋰電池，電池放完電后用該充電器進行充電，4個小時后完全充滿。充電器剛開始啟動時，散熱片的溫度低于50℃，風扇不轉；隨著時間的推移，散熱片的溫度達到50℃，單片機啟動風扇進行散熱。如果風扇損壞，散熱片溫度達到95℃時，單片機會關閉充電器，保護充電器。同理，輸出過壓、欠壓，單片機都會關閉充電器起到保護的作用（見表1、表2）。

智能充電器產品實物如圖6所示：

圖6 智能鋰電池充電器實物

3 結論

本設計根據鋰電池特性，采用國產單片機設計的智能鋰電池充電器，性能優異，價格便宜，保護功能齊全。

[1]關健生.基于STM單片機的智能鋰電池組平衡充電器設計[J].通信電源技術,2014,31(6).

[2]李冶,陳赫,汪東洋,喬淑君,黃鵬輝.智能鋰電池充電器設計[J].吉林大學學報(信息科學版),2012,30(3).