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(suo)示。主要包括電(dian)源變換電(dian)路(lu)、采樣電(dian)路(lu)、處理(li)器(qi)(qi)、脈寬調制控制器(qi)(qi)和電(dian)池組等,形(xing)成了一個閉環(huan)系(xi)(xi)統(tong)[4]。下面對(dui)系(xi)(xi)統(tong)的工作(zuo)原理(li)分(fen)幾(ji)個部分(fen)進行簡(jian)述。

圖1智(zhi)能(neng)充電(dian)(dian)器(qi)電(dian)(dian)路(lu)模塊圖

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   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。
　　充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流通過電(dian)(dian)(dian)流傳感器MAX471轉換(huan)為電(dian)(dian)(dian)壓(ya)值(zhi)。電(dian)(dian)(dian)流采樣的(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)值(zhi)和(he)電(dian)(dian)(dian)池組的(de)端電(dian)(dian)(dian)壓(ya)值(zhi)兩者經過模擬開關(guan)CD4051,再經過電(dian)(dian)(dian)壓(ya)跟隨器輸入到AD574,分別進行轉換(huan),其結果由(you)單片機讀取,并(bing)進行存(cun)儲和(he)處理(li)。主要的(de)電(dian)(dian)(dian)路連接(jie)如圖2所示(shi)。

圖2 采(cai)樣電(dian)路

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   1．3 控制器
　　控(kong)制器(qi)采用(yong)脈寬調制(PWM)方式(shi)控(kong)制供電(dian)(dian)電(dian)(dian)流的(de)(de)(de)(de)大(da)小(xiao)。PWM發生器(qi)由另(ling)一(yi)個(ge)20MHz的(de)(de)(de)(de)單片機構成,主控(kong)制器(qi)和它(ta)采用(yong)中斷的(de)(de)(de)(de)方式(shi)進行(xing)通訊,控(kong)制其增大(da)或(huo)減(jian)小(xiao)脈寬。PWM信號通過光(guang)電(dian)(dian)隔離驅(qu)動主回路上的(de)(de)(de)(de)MOSFET。開關管(guan)、二極管(guan)、LC電(dian)(dian)路構成開關穩壓電(dian)(dian)源。用(yong)PWM方式(shi)控(kong)制的(de)(de)(de)(de)開關電(dian)(dian)源可(ke)以(yi)減(jian)小(xiao)功耗,同時便(bian)于進行(xing)數字化控(kong)制,但母線的(de)(de)(de)(de)紋波系數相對較大(da)。PWM控(kong)制電(dian)(dian)路如(ru)圖(tu)3所示。

圖3 PWM控制電路

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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
　　對于不(bu)同的電(dian)(dian)池(chi)和不(bu)同的參數,單片機需要設定不(bu)同的充(chong)電(dian)(dian)參數,選(xuan)擇不(bu)同的充(chong)電(dian)(dian)策略。另(ling)外,程(cheng)序需要在電(dian)(dian)池(chi)過電(dian)(dian)流(liu)、過電(dian)(dian)壓(ya)等(deng)異常情(qing)況(kuang)下(xia)強(qiang)制(zhi)終止充(chong)電(dian)(dian)。以(yi)鋰離子電(dian)(dian)池(chi)為例,一般采用(yong)恒流(liu)-恒壓(ya)充(chong)電(dian)(dian)方式,其(qi)充(chong)電(dian)(dian)過程(cheng)包括小電(dian)(dian)流(liu)預充(chong)電(dian)(dian)、大(da)電(dian)(dian)流(liu)充(chong)電(dian)(dian)、恒壓(ya)充(chong)電(dian)(dian)等(deng)幾部分。其(qi)充(chong)電(dian)(dian)控制(zhi)程(cheng)序流(liu)程(cheng)圖如圖4所示。

圖4 充電控制策略程序

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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(yong)型號為US18650的SONY鋰離子電(dian)池,其額定容量為1800mAh;經過測量,電(dian)池在4.2V左右時的內阻約為0.3Ω。取(qu)恒流充(chong)(chong)電(dian)電(dian)流為1/3C=0.6A,截(jie)止(zhi)電(dian)壓為4.2V,充(chong)(chong)電(dian)結束(shu)標志電(dian)流為0.06A,進行(xing)充(chong)(chong)電(dian)試(shi)驗。　圖5為充(chong)(chong)電(dian)過程的電(dian)壓、電(dian)流和電(dian)容量的曲(qu)線。

圖5 鋰(li)離(li)子(zi)電池充電性能試驗

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　充電(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)間約為(wei)240分鐘,如果需要進一步縮短充電(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)間,只需在初始(shi)化時(shi)設定(ding)更(geng)大的(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流即(ji)可。因為(wei)采用PWM控制器,所(suo)以電(dian)(dian)(dian)(dian)源供電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)效(xiao)率高(gao),從供電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)源到充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)工作效(xiao)率,最(zui)低時(shi)在85%左右。充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流波動(dong)較(jiao)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(tu)6 NOKIA商用電(dian)池充電(dian)試驗

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