現代通訊設備、便攜式電子產品、筆記本電腦、電動汽車、小衛星等普遍使用蓄電池作為電源,應用非常廣泛。然而大多數設備中的蓄電池,只能使用專用的充電器,而且普通的充電器大多充電時間長,無法判斷其充電參數和剩余的充電時間。
　　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。
1 智能充電器的硬件設計
　　智能充電器如(ru)圖1所示。主要包括電(dian)源變換電(dian)路(lu)、采樣電(dian)路(lu)、處理(li)器、脈寬調制(zhi)控制(zhi)器和電(dian)池(chi)組等,形成了(le)一個閉環(huan)系(xi)統[4]。下面對(dui)系(xi)統的工作原理(li)分幾個部分進(jin)行簡述(shu)。

圖(tu)(tu)1智能(neng)充電器電路(lu)模塊圖(tu)(tu)

點擊此處(chu)查看全部新(xin)聞圖片

   1．1 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、兩個外部中斷和一個串口中斷、三個八路的I/O口,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。
    1．2 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(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)通過(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)傳感(gan)器MAX471轉換為電(dian)(dian)(dian)(dian)壓值(zhi)。電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)采樣的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓值(zhi)和(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)池組的(de)(de)端電(dian)(dian)(dian)(dian)壓值(zhi)兩者經過(guo)模擬開關(guan)CD4051,再經過(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓跟(gen)隨器輸(shu)入到AD574,分別進行轉換,其(qi)結(jie)果由(you)單片機讀取,并進行存(cun)儲(chu)和(he)處(chu)理。主要的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)連(lian)接(jie)如圖2所示。

圖2 采樣電路

點擊(ji)此處(chu)查看全(quan)部新聞圖片(pian)

   1．3 控制器
　　控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)采(cai)用脈寬(kuan)(kuan)調制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(PWM)方式(shi)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)供電(dian)(dian)電(dian)(dian)流的(de)大小。PWM發生(sheng)器(qi)由(you)另一個20MHz的(de)單片機構(gou)成,主(zhu)(zhu)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)和它采(cai)用中斷的(de)方式(shi)進行通(tong)訊,控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)其增大或(huo)減小脈寬(kuan)(kuan)。PWM信號通(tong)過光電(dian)(dian)隔離(li)驅動(dong)主(zhu)(zhu)回路(lu)(lu)上的(de)MOSFET。開(kai)關(guan)管、二(er)極管、LC電(dian)(dian)路(lu)(lu)構(gou)成開(kai)關(guan)穩壓電(dian)(dian)源。用PWM方式(shi)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的(de)開(kai)關(guan)電(dian)(dian)源可以(yi)減小功(gong)耗,同時便(bian)于進行數(shu)字(zi)化控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi),但(dan)母線(xian)的(de)紋波系(xi)數(shu)相對(dui)較大。PWM控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)電(dian)(dian)路(lu)(lu)如圖(tu)3所示。

圖3 PWM控制電路

點擊此處(chu)查看全部新聞圖片

2 智能充電器的軟件設計
    2．1 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。
    2．2 單片機控制程序設計
　　對于(yu)不同的(de)(de)電(dian)池和(he)不同的(de)(de)參數,單(dan)片(pian)機需要設定不同的(de)(de)充(chong)(chong)電(dian)參數,選擇(ze)不同的(de)(de)充(chong)(chong)電(dian)策略。另外,程序需要在電(dian)池過(guo)電(dian)流、過(guo)電(dian)壓(ya)等異常情況下(xia)強制(zhi)終止(zhi)充(chong)(chong)電(dian)。以(yi)鋰(li)離子電(dian)池為(wei)例,一般采用(yong)恒流-恒壓(ya)充(chong)(chong)電(dian)方式,其充(chong)(chong)電(dian)過(guo)程包括小電(dian)流預(yu)充(chong)(chong)電(dian)、大電(dian)流充(chong)(chong)電(dian)、恒壓(ya)充(chong)(chong)電(dian)等幾(ji)部分。其充(chong)(chong)電(dian)控制(zhi)程序流程圖(tu)如圖(tu)4所示。

圖4 充電控(kong)制策(ce)略程序

點(dian)擊此處(chu)查看全部新聞圖片(pian)

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。
    2．3 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。
3智能充電器的應用試驗
    3．1充電性能試驗
　　這里選用型(xing)號為(wei)US18650的(de)SONY鋰離子電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池,其額定容量為(wei)1800mAh;經過測量,電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池在4.2V左右時的(de)內阻(zu)約為(wei)0.3Ω。取恒流(liu)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)為(wei)1/3C=0.6A,截止電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓為(wei)4.2V,充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)結束(shu)標志(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)為(wei)0.06A,進(jin)行充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)試驗(yan)。　圖(tu)5為(wei)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)過程的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)和電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容量的(de)曲線。

圖5 鋰離子電(dian)池充電(dian)性能試驗

點擊此處查看全部(bu)新聞圖片

　充(chong)電(dian)(dian)時(shi)間約為240分鐘,如果需要(yao)進一(yi)步縮短(duan)充(chong)電(dian)(dian)時(shi)間,只需在(zai)初(chu)始化時(shi)設定(ding)更大的(de)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流即可。因為采用PWM控制器,所以電(dian)(dian)源供(gong)電(dian)(dian)的(de)效率高,從供(gong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)源到充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)池的(de)工作效率,最低(di)時(shi)在(zai)85%左(zuo)右。充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流波動較大,

 3．2 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,充電曲線如圖6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。
 

圖6 NOKIA商用(yong)電池充電試(shi)驗

點擊此處查看全(quan)部新聞圖(tu)片