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
　　智能充電器如圖(tu)1所示。主要(yao)包(bao)括(kuo)電源變(bian)換電路、采(cai)樣電路、處理器、脈寬調制控制器和電池組等,形成了一個(ge)閉(bi)環(huan)系統[4]。下面對系統的工作原理分幾個(ge)部分進行簡述(shu)。

圖(tu)1智能(neng)充(chong)電(dian)(dian)器電(dian)(dian)路模(mo)塊圖(tu)

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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)電(dian)(dian)流通過(guo)(guo)電(dian)(dian)流傳感(gan)器(qi)MAX471轉換(huan)為電(dian)(dian)壓值(zhi)。電(dian)(dian)流采樣的電(dian)(dian)壓值(zhi)和電(dian)(dian)池組的端電(dian)(dian)壓值(zhi)兩者經(jing)(jing)過(guo)(guo)模擬開關CD4051,再經(jing)(jing)過(guo)(guo)電(dian)(dian)壓跟隨器(qi)輸入到(dao)AD574,分別進行(xing)轉換(huan),其結果由單片機讀取,并(bing)進行(xing)存儲和處理。主要的電(dian)(dian)路連接如圖2所示。

圖(tu)2 采(cai)樣(yang)電(dian)路

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   1．3 控制器
　　控(kong)制器(qi)采用(yong)脈(mo)寬(kuan)調制(PWM)方式控(kong)制供電(dian)電(dian)流的大(da)小。PWM發生器(qi)由(you)另一個20MHz的單片機構成(cheng),主(zhu)控(kong)制器(qi)和(he)它(ta)采用(yong)中斷的方式進(jin)行(xing)(xing)通訊,控(kong)制其(qi)增大(da)或減小脈(mo)寬(kuan)。PWM信號通過光電(dian)隔離(li)驅動(dong)主(zhu)回路上的MOSFET。開(kai)(kai)關管(guan)、二極管(guan)、LC電(dian)路構成(cheng)開(kai)(kai)關穩(wen)壓(ya)電(dian)源。用(yong)PWM方式控(kong)制的開(kai)(kai)關電(dian)源可以減小功耗,同時便于進(jin)行(xing)(xing)數(shu)(shu)字化控(kong)制,但母線的紋(wen)波系數(shu)(shu)相對較大(da)。PWM控(kong)制電(dian)路如圖(tu)3所(suo)示。

圖(tu)3 PWM控(kong)制(zhi)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
　　對于不同(tong)的(de)電(dian)池(chi)(chi)和(he)不同(tong)的(de)參(can)數(shu),單片機需要設定不同(tong)的(de)充(chong)電(dian)參(can)數(shu),選擇不同(tong)的(de)充(chong)電(dian)策(ce)略。另(ling)外(wai),程(cheng)序需要在電(dian)池(chi)(chi)過(guo)(guo)電(dian)流(liu)、過(guo)(guo)電(dian)壓(ya)等異(yi)常情況下強制終止充(chong)電(dian)。以鋰離子電(dian)池(chi)(chi)為(wei)例,一般采用恒(heng)流(liu)-恒(heng)壓(ya)充(chong)電(dian)方(fang)式,其充(chong)電(dian)過(guo)(guo)程(cheng)包括小電(dian)流(liu)預充(chong)電(dian)、大(da)電(dian)流(liu)充(chong)電(dian)、恒(heng)壓(ya)充(chong)電(dian)等幾部分(fen)。其充(chong)電(dian)控制程(cheng)序流(liu)程(cheng)圖如(ru)圖4所示。

圖4 充電控制策略(lve)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
　　這里選用型號為(wei)US18650的(de)SONY鋰離子電(dian)(dian)(dian)池,其額定容量為(wei)1800mAh;經(jing)過測量,電(dian)(dian)(dian)池在(zai)4.2V左右時的(de)內阻(zu)約為(wei)0.3Ω。取恒流充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流為(wei)1/3C=0.6A,截止(zhi)電(dian)(dian)(dian)壓為(wei)4.2V,充(chong)電(dian)(dian)(dian)結(jie)束標志(zhi)電(dian)(dian)(dian)流為(wei)0.06A,進行充(chong)電(dian)(dian)(dian)試驗。　圖5為(wei)充(chong)電(dian)(dian)(dian)過程的(de)電(dian)(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)(dian)流和電(dian)(dian)(dian)容量的(de)曲(qu)線。

圖5 鋰離子電池充電性(xing)能(neng)試(shi)驗(yan)

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　充(chong)(chong)電(dian)(dian)時(shi)(shi)間約(yue)為240分鐘,如果(guo)需要進(jin)一步縮短充(chong)(chong)電(dian)(dian)時(shi)(shi)間,只需在初始化(hua)時(shi)(shi)設定更大的充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流即可(ke)。因為采用PWM控制器,所以電(dian)(dian)源供(gong)電(dian)(dian)的效(xiao)率高,從供(gong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)源到充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)池的工作效(xiao)率,最(zui)低時(shi)(shi)在85%左(zuo)右。充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(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6 NOKIA商用(yong)電池充電試驗

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