可編程電池充電器設(shè)計(jì)

劉洋，王劍

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都610065）

可編程電池充電器設(shè)計(jì)

劉洋，王劍

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都610065）

為實(shí)現(xiàn)對不同充電方式的可編程控制的目的，采用由BUCK電路、STC12C5A60S2單片機(jī)和上位機(jī)軟件組成的可編程電池充電器設(shè)計(jì)方案。通過對通用充電器與可編程電池充電器對鋰電池充電測試結(jié)果的對比分析表明，本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)恒流、恒壓以及混合多段式充電，合理控制充電過程能更好的利用電池的容量。本充電器可用于研究不同電池的最佳充電方案。

BUCK電路；單片機(jī)；上位機(jī)；充電器

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代各種電子設(shè)備都朝著輕量化和便攜化發(fā)展?？沙潆婋姵鼐哂行詢r(jià)比高、壽命長和可反復(fù)使用等特點(diǎn)，廣泛用于便攜式電子設(shè)備中。目前市面上通用的充電器功能簡單，工作方式由硬件設(shè)定不可改變，單一的充電方式（恒壓或恒流充電）將造成電池浮充，減小電池使用壽命。針對鎳鎘電池（Nicd）、鎳氫電池（NiMH）和鋰離子（Li）電池所具有不同的充電特性和充電過程，應(yīng)采用不同的充電控制技術(shù)。文獻(xiàn)［1-4］介紹了多種充電方式，都是按照控制充電電流和充電電壓實(shí)現(xiàn)。

開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。與傳統(tǒng)整流半波充電方式相比，基于開關(guān)電源技術(shù)的充電器使得充電效率大為提高。文中采用開關(guān)電源技術(shù)，設(shè)計(jì)了一臺可通過上位機(jī)編程設(shè)定充電方式的電池充電器，具備完善的過流、過壓保護(hù)，可針對不同類型電池編程不同充電策略，對于研究各類電池的最佳充電方式具有重要意義。

1　技術(shù)方案

通用程控電池充電器由Visual Basic上位機(jī)（VB）、STC12C5A60S2單片機(jī)和BUCK變換電路組成。圖1為本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。上位機(jī)編程充電方式，選擇一恒壓、恒流或混合多段式充電方法，并顯示來自單片機(jī)的充電信息反饋。單片機(jī)接收上位機(jī)指令進(jìn)行不同充電方式切換。充電主回路有BUCK型電路構(gòu)成，配合TL494芯片可實(shí)現(xiàn)對充電電流、充電電壓有效控制。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1主電路設(shè)計(jì)

電池充電器的輸出電壓約為5 V，輸入為220 V市電經(jīng)220/12變比的變壓器后再全波整流得到直流電壓15 V供功率變換電路使用，采用LM7805得到5 V供單片機(jī)使用，采用非隔離的BUCK拓?fù)渥鳛槌潆娖鞯闹骰芈?，開關(guān)管選擇IR9540作為開關(guān)管。當(dāng)電路處于非正常工作狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)發(fā)出保護(hù)信號（protect引腳）切斷BUCK電路的輸入電源，實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)。其電路原理如圖2所示。

采用TL494作為控制芯片，TL494是一種固定頻率的脈寬調(diào)制電路，具有控制簡單、易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地用于開關(guān)電源控制領(lǐng)域。TL494的外圍接線如圖3所示。其中FB為反饋腳，PWM為輸出驅(qū)動信號。反饋信號可從電流采樣電路或電壓采樣電路獲得，電流采樣經(jīng)放大和跟隨后得到電流反饋信號IFB，電壓采樣經(jīng)過跟隨后得到電壓反饋信號VFB。

圖2　BUCK主電路

圖3　PWM控制電路

電路選取不同的反饋量（IFB或VFB），可實(shí)現(xiàn)不同的控制目的。電流反饋適用于恒流控制，電壓反饋適用于恒壓控制。單片機(jī)可通過對FB_Control的控制實(shí)現(xiàn)電池不同充電方式的切換。恒壓控制與恒流控制的電路如圖4所示。

1.2程控設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用VB程序語言編寫。VB擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應(yīng)用程序開發(fā)（RAD）系統(tǒng)，可以輕松的使用VB提供的組件快速建立一個應(yīng)用程序。本設(shè)計(jì)的上位機(jī)調(diào)用VB串口組件實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)通信。上位機(jī)功能包括1）設(shè)定充電電流、充電電壓以及充電時(shí)間，由此可組合為不同充電方式；2）設(shè)定過流過壓保護(hù)動作值；3）顯示充電電流和充電電壓。

采用STC12C5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)屬于增強(qiáng)型1T單片機(jī)，具備雙串口，P1接口自帶8路10位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使得本設(shè)計(jì)無需額外的AD轉(zhuǎn)換芯片，簡化設(shè)計(jì)，單片機(jī)電路如圖5所示。單片機(jī)硬件部分主要包括最小系統(tǒng)、MAX232串口電路以及DA轉(zhuǎn)換，其中DA轉(zhuǎn)換芯片采用TLV5616，分別輸出電流設(shè)定量Iset和電壓設(shè)定量Vset。單片機(jī)用于接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)控制開關(guān)電源輸出，并且檢測負(fù)載的電流、電壓，上傳數(shù)據(jù)到上位機(jī)，程序流程圖如圖6所示。

圖4　恒流恒壓切換電路

2　測試

文中設(shè)計(jì)的程控電池充電器采用多段式恒流恒壓充電法［5-7］。充電過程分為以下3個階段：1）充電時(shí)先采用涓流充電，即充電器以恒定的小電流對電池進(jìn)行充電，隨著充電的進(jìn)行，電池兩端電壓逐漸升高；2）當(dāng)電池電壓大于設(shè)定的電壓時(shí)，充電狀態(tài)切換到恒流充電，電池電壓繼續(xù)升高，本階段恒定電流的大小決定電池充電的快慢；3）在恒流充電過程中，當(dāng)電池電壓大于設(shè)定的電壓時(shí)，充電狀態(tài)切換到恒壓充電，當(dāng)充電電流小于設(shè)定電流時(shí)，判斷為電池充滿，充電過程結(jié)束。

為使充電器簡潔、方便使用，設(shè)計(jì)了充電器面板，另外在面板上添加了液晶LCD1602，方便觀察兩通道電流、電壓值。圖7為本設(shè)計(jì)的通用程控電池充電器實(shí)物，圖8為上位機(jī)界面。

采用標(biāo)準(zhǔn)充電器（型號為UltraFire神火18650型充電器）和本文設(shè)計(jì)的程控充電器對電池充電，通過對比電池充電結(jié)束后的容量來驗(yàn)證程控充電器的工作情況，并觀察程控充電器對鋰電池的充電效果。

選用電池型號為Delipow德力普2 800 mAh鋰電池，UltraFire神火B(yǎng)CR18650型3 000 mAh鋰電池。測試開始前分別用KL283電池容量計(jì)對電池徹底放電。軟件設(shè)定充電電流分別為慢充（0.5 A）和快充（1.0 A），過流設(shè)定1.1 A，過壓設(shè)定4.6 V，涓流充電電流為20 mA，恒流充電時(shí)切換電壓為2.8 V，恒壓充電時(shí)切換電壓為電壓為4.2 V，恒壓充電時(shí)充電電流小于5 mA認(rèn)為充電結(jié)束。充電完成后取下電池靜置半小時(shí)，再用KL283電池容量計(jì)測試實(shí)際的電池容量。測試的結(jié)果如表。

圖5　單片機(jī)電路

圖6　單片機(jī)程序流程圖

圖7　通用程控電池充電器實(shí)物

圖8　上位機(jī)界面

表1　1A電流充電結(jié)果

表2　0.5A電流充電結(jié)果

從表1、表2可以看出：1）程控充電器能夠完成涓流、恒流、恒壓3個充電階段對鋰電池的充電；2）使用慢充方式與快充方式相比，程控充電器慢充方式能對電池充更多電量；3）快、慢兩種方式充電量比標(biāo)準(zhǔn)型充電器充電量多5%-10%。

3　結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的的通用程控電池充電器，采用了單片機(jī)與開關(guān)電源技術(shù)，能夠方便對輸出的電流和電壓控制，通過控制充電方式和充電時(shí)間能較好的實(shí)現(xiàn)預(yù)充、快充、慢充三個階段。針對不同類型的電池具有不同充電方式的問題，通過上位機(jī)軟件設(shè)定相應(yīng)充電策略和參數(shù)即可解決。實(shí)際對鋰電池充電測試表明，程控充電器與通用的鋰電池充電器相比，程控充電器能更穩(wěn)定、高效地對電池充電，具有充電電池種類多、程控方便的特點(diǎn)，可用于研究充電電池的最佳充電方式。

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Design of a programmable battery charger

LIU Yang，WANG Jian
（School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

In this paper，in order to operate at different charging modes by programmable controlling，the design of a programmable battery charger including BUCK converter，STC12C5A60S2 MCU and computer software，was proposed.The charging test of lithium battery show that the charger has a great charging performance in constant current，constant voltage and multistage modes.Moreover，its capacity can be largely improved by controlling the charging process reasonably and this charger can also be used to study the optimal charging strategy of different batteries.

BUCK converter；MCU；computer software；battery charger

TN709

A

1674－6236（2016）12-0128-03

2015-06-19稿件編號：201506195

劉洋（1993—），女，黑龍江黑河人。研究方向：電氣工程及其自動化。