課程設計---通用智能充電器的設計

1、<p>　　通用智能充電器的設計</p><p>　　摘要：為解決鋰離子電池和鎳氫/鎳鎘電池的充電問題，設計了一種以AT89C2051單片機為核心的通用智能充電器，介紹了智能充電器的工作原理、設計特點和三種充電模式，詳細討論了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及軟件實現(xiàn)方法。由于采用了高性能的微控制器及高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換電路，保證了充電器具有很高的精度。</p><p>　　關鍵詞：單片機 A

2、/D轉(zhuǎn)換 智能充電器 硬件構(gòu)成</p><p>　　Design of The General Intelligent Battery Charger </p><p>　　LIU Mei-jun</p><p>　　Hunan Institute of Engineering (xiangtan 411101)</p><p&g

3、t;　　Abstract: The reference design is developed for the charge of Li-ion and NiMH/NiCd battery pack based on AT89C2051 single-chip computer . The work principle and design characteristics and three charge mode are intro

4、duced, then the hardware structure and the implement of software are analyzed in detail. With the high performance of microcontroller and high resolution A/D convert circuit ,the design can guarantee high accuracy.</p

5、><p>　　Keywords: Single-chip computer A/D convert Intelligent battery charger Hardware structure</p><p><b>　　1.引言</b></p><p>　　可充電電池具有較高的性能價格比、放電電流大、壽命長等特點，廣泛應用于各種通信設備、

6、儀器儀表、電氣測量裝置中。但是不同類型的電池如鎳鎘電池（Nicd）、鎳氫電池（NiMH）和鋰離子電池具有不同的充電特性和過程。不同的電池應采用不同的充電控制技術。常用的控制技術有：電壓負增量控制、時間控制、溫度控制、最高電壓控制技術等。其中電壓負增量控制是目前公認的較先進的控制方法之一。充電時，當測量到電池電壓負增量時就可以確定該電池己經(jīng)充滿，從而將充電轉(zhuǎn)變?yōu)殇噶鞒潆?。時間控制預定充電時間，當充電時間達到后，使充電器停止充電或轉(zhuǎn)為涓流充

7、電，這種方法較安全。溫度控制法是當電池達到充滿狀態(tài)時，電池溫度上升較快，測量電池溫度或溫度的變化，從而確定是否對電池停止充電。最高電壓控制則是根據(jù)充電電池的最高允許電壓來判斷充電狀態(tài)，這種方法靈活性較好。本文介紹一種智能充電器，能對鎳鎘電池（Nicd）、鎳氫電池（NiMH）和鋰離子電池進行充電，并對充電電池具有自動檢測能力。</p><p><b>　　2充電器設計思想</b></p&

8、gt;<p>　　設計通用型智能充電器時．需要充分考慮3種電池的充電特性，針對每一種電池的特性給出不同的充電模式以及相應的算法．</p><p>　　2.1 鎳氫/鎳鎘電池充電模式[5]</p><p>　　這2種鎳類電池具有相似的充電特性曲線，因而可以用一樣的充電算法。這2種電池的主要充電控制參數(shù)為-ΔV和溫度θ．</p><p>　　對鎳氫／鎳鎘

9、電池由預充電到標準充電轉(zhuǎn)換的判據(jù)為：①單節(jié)電池電壓水平0.6～1V；②電池溫度-5～0oC． 電池飽和充電的判據(jù)為：①電池電壓跌落或接近零增長 –ΔV= 6～15 mV／節(jié)；②電池最高溫度θmax＞50℃；③電池溫度上升率dθ/dt ≥1.0℃／min。由于溫度的變化容易受環(huán)境影響,因而實際用于判別充電各階段的變量主要為–ΔV、θmax，其中對–ΔV的檢測需要有足夠的A／D分辨率和較高的電流穩(wěn)定度．-△V的測量與A/D分辨率、充電電流的

10、穩(wěn)定性與電池內(nèi)阻之間有以下關系:當電池內(nèi)阻等于50Ω(接近飽和充電)時，充電電流=1200mA，電流漂移等于5%，單節(jié)電池的最高充電電壓為1.58V，則此時電流漂移可能引起的電池電壓變化為3 mV。 </p><p>　　2.2 鋰離子電池充電模式[3]</p><p>　　在鋰離子電池充電采樣時，測量到的電壓是電池的在線電壓，一般在線電壓要高于靜態(tài)電壓（與內(nèi)阻有關）．在充電器設計中，對鋰

11、離子電池充電各階段轉(zhuǎn)換判斷的測量參數(shù)只有在線電壓，電壓采樣偏差小于 0.05 V．</p><p>　　2.3自適應充電模式[4]</p><p>　　智能充電器設置了一種自適應充電模式，在這種模式下，對未知型號的電池或放入某種電池后而未按相應的鍵，則充電器自動轉(zhuǎn)入自適應充電模式．此時充電器將提供一種公共算法對電池進行預充電，并對其進行型號識別判斷，然后轉(zhuǎn)入相應的充電模式，顯示相應的型號．

12、具體做法為：檢測充電電池電壓的變化率，并判斷是否檢測到有–ΔV。如果檢測到電池電壓V特別高，且無–ΔV，則轉(zhuǎn)入鋰離子電池充電模式，否則進入鎳類電池充電模式．</p><p><b>　　3．充電器硬件設計</b></p><p>　　由單片機和充電器芯片組成的通用充電器原理圖如圖1所示．</p><p>　　圖1 通用充電器原理圖</p&

13、gt;<p>　　圖中AT89C2051、ADC0832與MAX846A一起構(gòu)成充電器的核心。單片機的兩個PWM輸出(P1.3 ,P1.4)，經(jīng)輸出濾波分別與MAX846A的VSET以及ISET相連，以控制充電電壓及電流,其中P1.3控制浮動電壓，,P1.4控制充電電流。從ISET端引出電流量，BATT端電池分壓器讀出電壓量，引入微控制器，連續(xù)測量充電電壓及電流。由于從ISET以及VSET讀出的量均為模擬量，而AT89C2

14、051內(nèi)部沒有A／D轉(zhuǎn)換，所以需要外部增加A／D轉(zhuǎn)換器ADC0832。AT89C2051串行口工作于移位方式，P3.0為數(shù)據(jù)輸出線，P3.l為時鐘線。它有128個8位的RAM，2KB的程序存儲空間，完全滿足充電器的使用要求。在充電器中主要用來控制 MAX846A對電池的充電與否、實時檢測充電器的狀態(tài)及時顯示，4個共陽極 LED和4片串行輸入、并行輸出的 74HC164構(gòu)成顯示電路。 </p><p>　　ADC0

15、832為8位串行逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片，實時檢測充電電流、電壓的大小，該芯片的二個模擬量輸入通道是可編程軟結(jié)構(gòu)的，可由串行輸入口的3位串行控制字指定通道，并決定是單端輸入還是差分輸入方式，設計中選擇二個模擬量輸入通道（CH0和CH1）交替輸入。MAX846A是一種高性能充電芯片，它適用于鎳鎘電池（Nicd）、鎳氫電池（NiMH）和鋰離子電池等。 </p><p>　　電路中用單片機的PWM輸出特性對充電電池電流

16、進行控制，這樣設計的優(yōu)點是：用數(shù)字量對電流控制可達到很高的精確程度，可以適合不同種類不同容量的電池對充電電流的不同要求.其中脈寬調(diào)制有2個參數(shù)特別重要:一是工作頻率，在一定范圍內(nèi)，脈寬調(diào)制的工作頻率越高，所需電感越小。二是單步調(diào)整的分辨率，如果脈寬調(diào)制欲輸出穩(wěn)定度較高的充電電流，則需要較高的分辨率。例如在鎳氫/鎳鎘電池充電的各個階段，尤其是電池飽和充電判別點附近，對充電電壓的-△V進行采樣時，要求電池的充電電流要有較高的穩(wěn)定性或電流等效

17、值恒定，這時就有賴于脈寬調(diào)制輸出穩(wěn)定的電流值.而對于鋰離子電池在其限壓充電期間，其充電電流應可動態(tài)調(diào)整，以維持電池電壓的最大(但要小于最大充電電壓)而獲得較高的充電效率.</p><p>　　此外，設計中選擇濾波電容的主要依據(jù)是系統(tǒng)對電源紋波的要求。濾波電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）是造成輸出紋波的主要因素，而且也會影響到轉(zhuǎn)換效率，因此應盡量選用低ESR的電容。陶瓷電容和鉭電解電容具有較低的ESR，也可選用低ESR

18、的鋁電解電容，但應盡量避免標準鋁電解電容。容量一般在10μF～100μF，對于較重的負載設計選取大一點的電容。</p><p>　　4．系統(tǒng)軟件設計[5]</p><p>　　系統(tǒng)軟件流程采用中斷工作方式, 軟件功能的主要控制步驟均包括在定時中斷程序中，包括監(jiān)控電壓、測量電流及累加電流時間積等部分。系統(tǒng)的主要程序流程如圖2所示。</p><p>　　a) 定時中斷程

19、序 b) 檢測及顯示程序</p><p>　　圖2 系統(tǒng)主要程序流程圖</p><p>　　在開始充電時，對系統(tǒng)進行初始化，其中包括圖1中AT89C2051單片機各個端口初始化、堆棧指針初始化、寄存器初始化、中斷設定和根據(jù)不同的電池類型設定它所能夠承受的最大電壓VSET，標準的容量值CSET及對電壓、電流采樣的時間間隔。為了使測定結(jié)果更精確，采樣頻

20、率要盡量高。系統(tǒng)初始化后開定時器中斷服務程序，由于程序中利用了定時中斷，使得定時控制很方便。</p><p>　　電池的端電壓檢測硬件上使用單片機的片上高精度A/D模塊，軟件控制采用中斷方式，這樣可節(jié)省單片機在A/D轉(zhuǎn)換期間的等待時間。端電壓檢測的數(shù)據(jù)，通過充電算法計算電池的電壓負增長-△V是否滿足快速充電終止條件，及時實修改單片機的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。</p><p>　　針對

21、2.1～2.3所述的3種充電模式，設計了相應的程序模塊；鎳氫/鎳鎘電池充電控制模塊；鋰離子電池充電控制模塊；自適應充電控制模塊以及錯誤監(jiān)控處理模塊。主程序模塊根據(jù)系統(tǒng)相應的狀態(tài)條件控制并調(diào)用相應的模塊。同時，其他各模塊之間也根據(jù)系統(tǒng)當前狀態(tài)相互調(diào)用。在初始化程序模塊中，設置了預處理功能，主要是設置A/D轉(zhuǎn)換參數(shù)和通道，檢測電池的端電壓。將檢測數(shù)據(jù)同理論經(jīng)驗值比較，判斷電池的類別以及是否連接正確。對端電壓低的電池，采用短時間的脈動電流充電

22、，這樣有利于激活電池內(nèi)的化學反應物質(zhì)，部分恢復受損的電池單元。對端電壓在標稱范圍內(nèi)的電池選擇相應的充電控制模塊和算法，對端電壓不在標稱范圍內(nèi)的電池，軟件自動將其剔除。</p><p>　　5．設計特點及測試結(jié)果</p><p>　　5.1 模糊控制方法</p><p>　　根據(jù)充電電池電壓的變化，系統(tǒng)將充電過程分為三個階段，每個階段采取不同的控制方式。第一階段電池內(nèi)

23、的電量已基本用完，應采用恒定的大電流充電，以節(jié)省時間；第二階段為充電電池的敏感階段，充電過多會損壞電池，應采用模糊控制，以便獲得最佳充電效果；第三階段電池已充電滿，應進行點滴充電，以防止電池自行放電。下面重點講述模糊控制方法的主要原理。</p><p>　　系統(tǒng)采用的模糊控制的兩個輸入量分別是理想電壓與實際電壓的差值Δμ和Δμ的變化率Δμ／Δt，輸出量是對充電電流大小的控制量。在模糊控制系統(tǒng)中，Δμ和Δμ／Δt被

24、劃分為5個模糊狀態(tài)，即負大(—2)、負小(—1)、零(0)、正小(+1)、正大(+2)。模糊控制系統(tǒng)對這兩個輸入量進行決策，求出模糊控制表，如表1所示。表中的I值表示在不同的輸入量作用下，所對應的輸出控制量的大小。輸出控制量也分為5個等級，它們代表的意義是：+2表示使充電電流增大兩個等級，+1表示使充電電流增大一個等級，0表示使當前的充電電流值保持不變，－1表示使充電電流減少一個等級，—2表示使充電電流減少兩個等級。</p>

25、<p>　　表1 模糊控制規(guī)則表</p><p><b>　　5.2 均衡充電</b></p><p>　　均衡充電是本充電器的一個重要特點。在充電的過程中，由于電池的質(zhì)量不相同，容量小、質(zhì)量差的電池端電壓在充入相同電量后會出現(xiàn)電壓增長比另一個電池多的情況，如果不采取措施，它們的電壓差將會增大，以至其中一個電池很快達到規(guī)定的安全電壓，充電過程也將被迫停止

26、。此時應該停充電壓高的電池，即均衡充電。這樣有利于恢復電池內(nèi)受損的單元，使充電過程能順利地進行下去。這種控制主要是通過軟件實現(xiàn)的，在系統(tǒng)程序轉(zhuǎn)人中斷程序后（如圖2 a），系統(tǒng)開始對電壓進行采樣，檢查電池電壓值是否超過最大允許值，若超過，則使用單片機的PWM功能進行調(diào)節(jié)。電壓正常之后，便對電流進行采樣，并對電流時間做乘積，然后跳出中斷程序。以后每經(jīng)過采樣時間間隔后，都會重復以上步驟，而且要累加電流時間的乘積，此即為電池當前容量值。當容量達

27、到標準容量值時，立即結(jié)束相應程序，停止對該電池的充電。這里在對容量進行計算時，使用了積分的方法。由于每一段采樣時間間隔都非常小，可以認為電流值恒定，于是這段時間電池儲存的容量可以用兩者乘積來表示，整個充電過程的容量便可以用累加的方法。</p><p><b>　　5.3 測試結(jié)果</b></p><p>　　充電器對鎳氫電池（NiMH）、鋰離子電池和鎳鎘電池（Nicd

28、）進行充電實驗測試，得到的測試曲線如圖3所示，圖3 a) 為鎳氫電池的充電曲線，表2為鎳氫電池充電后的性能特性。圖3 b)為鋰離子電池的充電曲線。圖3 c)為鎳鎘電池（Nicd）的充電曲線</p><p><b>　　a) </b></p><p>　　表1 鎳氫電池的性能</p><p><b>　　b)</b><

29、/p><p><b>　　c)</b></p><p><b>　　6．結(jié)束語</b></p><p>　　在智能充電器控制系統(tǒng)設計過程中，主要側(cè)重點是保證充電器對充電電池電壓的精確控制，設計中元器件的選型也都是圍繞著這個重點來完成的。經(jīng)過實驗電路的實際測試，由電源變壓器、整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路構(gòu)成AC/DC變換電路，在

30、AT89C2051、ADC0832與MAX846A的配合控制下可實現(xiàn)很高的系統(tǒng)精度．具體對鋰離子電池來說，系統(tǒng)可以保證鋰離子電池充電電壓的精度為l％，而對鎳氫／鎳鎘電池來說，系統(tǒng)可檢測到很高精度的–ΔV值，在分辨率為12位時小于5mV.</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　［1］余永權 flash單片機原理及應用［ M］ 北京 電

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