数字化智能充电器的设计

现代通讯设备、便携式电子产品、笔记本电脑、电动汽车、小卫星等普遍使用蓄电池作为电源,应用非常广泛。然而大多数设备中的蓄电池,只能使用专用的充电器,而且普通的充电器大多充电时间长,无法判断其充电参数和剩余的充电时间。

本文介绍一种基于单片机的通用智能充电器的设计。充电器可以实时采集电池的电压、电流,对充电过程进行智能控制,计算电池已充的电量和剩余的充电时间;还可以通过串口和上位机进行通讯并给用户显示必要的信息,有虚拟仪表的作用;另外,它也可以改变参数,适应各种不同电池的充电。这里列举几种不同的电池充电试验,来说明智能充电器的实用价值。  

1 智能充电器的硬件设计

智能充电器如图1所示。主要包括电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组等,形成了一个闭环系统。下面对系统的工作原理分几个部分进行简述。


  
图1智能充电器电路模块图

1．1 处理器

处理器采用51系列单片机89C51。单片机内部有两个定时器、两个外部中断和一个串口中断、三个八路的I/O口,采用11.0592MHz的晶振。
单片机的任务是通过采样电路实时采集电池的充电状态,通过计算决定下一阶段的充电电流,然后发送命令给控制器控制电流的大小。单片机通过串口RS232和上位机相连,用于存储数据和虚拟显示。

1．2 采样部分

电压和电流采样采用模/数转换器AD574。AD574为±15V双电源供电,12位输出,最大误差为±4bit,合计电压0.01V。

充电电流通过电流传感器MAX471转换为电压值。电流采样的电压值和电池组的端电压值两者经过模拟开关CD4051,再经过电压跟随器输入到AD574,分别进行转换,其结果由单片机读取,并进行存储和处理。主要的电路连接如图2所示。
  
1．3 控制器

控制器采用脉宽调制(PWM)方式控制供电电流的大小。PWM发生器由另一个20MHz的单片机构成,主控制器和它采用中断的方式进行通讯,控制其增大或减小脉宽。PWM信号通过光电隔离驱动主回路上的MOSFET。开关管、二极管、LC电路构成开关稳压电源。用PWM方式控制的开关电源可以减小功耗,同时便于进行数字化控制,但母线的纹波系数相对较大。PWM控制电路如图3所示。

  
  
图3 PWM控制电路

2 智能充电器的软件设计

2．1 数据测量   

在单片机的测量中,电池电压值和电流测量值经过多路选择器进行选择,然后通过A/D转换器转换为16进制数,直接存入单片机。电池电容量C则需要间接计算,由于每个循环 周期检测电流一次,故可以利用电流值的积分求出电容量C。考虑电池内阻r的影响,可以得到计算电容量的计算公式为:

Cn+1=Cn+I·t-I2·r·t

充电时间和剩余充电时间由上位机进行计算,剩余充电时间等于预设的充电时间与已充电时间的差值。其中,预设时间可根据电池的型号预先得到。

2．2 单片机控制程序设计

对于不同的电池和不同的参数,单片机需要设定不同的充电参数,选择不同的充电策略。另外,程序需要在电池过电流、过电压等异常情况下强制终止充电。以锂离子电池为例,一般采用恒流-恒压充电方式,其充电过程包括小电流预充电、大电流充电、恒压充电等几部分。其充电控制程序流程图如图4所示。

  
图4 充电控制策略程序

在控制恒定电流和恒定电压的过程中,采用比例控制,即如果充电电流I大于设定电流Is,就按照比例减小脉宽;反之按照比例增大脉宽。单片机还需要接收和处理上位机的命令,并根据上位机的要求将数据实时回送给上位机。两者的通讯协议要在程序中预先设定。

2．3 上位机处理程序设计

上位机程序由VisualC++编写。其任务是每隔1秒钟向串口发送一个查询命令,并读取单片机回送的信息,提取充电电流、充电电压、工作状态等参数。参数经过数制转换和计算后进行显示。软件有着良好的用户界面,可以方便地观测电池目前的工作状态以及剩余充电时间等信息。上位机程序会同时把读到的数据存储到文件中,这些数据可以利用其它数学软件(如Matlab)进行处理。

另外,程序在初始化时要把充电电池的型号参数发送给智能充电器,参数一般包括充电电池的种类(锂离子电池、镍镉电池)、充电电池的容量(单位为mAh)等。根据不同的电池型号,单片机可以设定不同的充电参数,程序可以直接控制单片机的运行与停止。

3 智能充电器的应用试验

3．1 充电性能试验

这里选用型号为US18650的SONY锂离子电池,其额定容量为1800mAh;经过测量,电池在4.2V左右时的内阻约为0.3Ω。取恒流充电电流为1/3C=0.6A,截止电压为4.2V,充电结束标志电流为0.06A,进行充电试验。图5为充电过程的电压、电流和电容量的曲线。   

  
图5 锂离子电池充电性能试验

充电时间约为240分钟,如果需要进一步缩短充电时间,只需在初始化时设定更大的充电电流即可。因为采用PWM控制器,所以电源供电的效率高,从供电电源到充电电池的工作效率,最低时在85%左右。充电电流波动较大,波动系数约为5%。  

3．2 智能充电器通用性试验   

选用NOKIA6100锂离子电池(额定容量为550mAh),用恒流-恒压充电方式进行充电,取恒流充电电流为0.15A,截止电压为4.2V,充电曲线如图6所示。  

  
图6 NOKIA商用电池充电试验   

从充电曲线来看,电池电压达到3.96V时就不再上升了,充电电流也不再下降了。可以判断商用电池内部有保护电路,将多余的电流旁路了,这样的保护电路使充电过程中能量损耗很大。试验曲线显示在四小时时电池电量已经达到550mAh,但实际上并没有达到满充。此实验证明,此充电器可以作为一般的商用电池的通用充电器,充电速度快,效果良好。不足的是它与实际的充电电池在机械接口上还不能匹配,需要进一步改进。