一種基于單片機的智能充電器的設(shè)計與實現(xiàn)

黃福明

摘要 本文設(shè)計實現(xiàn)了一種以單片機AT89C51為核心的智能電池充電器，可方便地實現(xiàn)多模式充電，包括涓流充電、大電流充電、預(yù)充電和均衡充電，具有較強的智能性，并具有良好的充電性能，實驗結(jié)果表明，本充電器的充電效率高，調(diào)節(jié)時間快，可使蓄電池具有較長的循環(huán)壽命和較高的使用價值，能夠滿足不同類型的動力電池復(fù)雜充電的要求，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 單片機；鉛酸蓄電池；智能充電

中圖分類號 TM91 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2095—6363（2016）17—0054—01

隨著能源缺乏和空氣污染的加劇，目前新的研究越來越重視交通電動車，電池和充電器作為電動車的核心部件，研究具有良好性能的智能充電器，將會給經(jīng)濟和社會帶來良好的效益。

電動車對電池的要求也高，為了研究性能更好的充電器，我們要找到一種最優(yōu)的充電模式。理論和實踐表明，浮充電、均衡充電、預(yù)充電、大電流充電4種充電模式組合起來的充電方式可以達到較為良好的效果。該課題研究單片機中的智能充電器，基于STC89C51基礎(chǔ)的智能型快速充電器開發(fā)。

1智能充電過程分析

智能充電作為目前較為先進的電池充電技術(shù)，其原理為使電池在充電過程中能夠適應(yīng)電流的動態(tài)變化，核心是引入了du/dt技術(shù)。

本文以傳統(tǒng)充電方法作為基礎(chǔ)，然后利用預(yù)充電的過程來對電池的初始狀態(tài)進行判斷，接著通過PWM軟件控制技術(shù)，對多個階段的充電進行控制，對充電電壓、充電電流以及充電的時間來進行實時顯示。其主要的充電過程有預(yù)充電過程、大電流充電過程以及均衡充電過程和涓流充電過程。

1）預(yù)充電過程。對于一個在很長的時間內(nèi)都沒有進行過充電的電池，如果在一開始的時候就進行快速充電，那么就會對電池的使用壽命帶來影響，因此，我們在這里引入了一個預(yù)充電的過程，具體實現(xiàn)方法是：在充電之前，先用一個較小的電流對電池充電，待充電達到某一個要求時才進行下一階段的充電。

2）大電流充電。在大電流充電過程中，根據(jù)電池所能夠承受的最大電流來選定充電器，電池所能夠承受的電流則是通過電池的數(shù)值容量來確定的。電池的起始狀態(tài)和電池的容量往往影響到充電時間，在一段相當(dāng)短的時間中的電壓迅速增加充進盡可能多的電量。

3）均衡充電。和快速大電流充電階段相比，均屬于不足充電階段。在前一個階段充電結(jié)束時，電池并不是完全沖滿，還需把不超過充電容量的0.3C補足，因為電池并不是完全充滿，這樣可進一步增加該電池的電壓。

4）涓流充電。涓流充電的別名叫浮充電。涓流充電電壓基本上是恒定的，稍稍高過電池組的斷路電壓，涓流充電的顧名思義就是電流比較小，充電的后電流會衰減到零。

在實際的工作過程中。首先對電池的電壓進行檢測，進一步確定電池是應(yīng)該是處于哪一個充電階段中。在開始的時候，所檢測出來的實際電壓如果較低，那么就會進入到大電流快速充電階段，實現(xiàn)方法是提高對應(yīng)的輸出PWM波的占空比，這樣可以在短時間內(nèi)對電池填充具有相對大的量。當(dāng)蓄電池的電壓接近均衡充電壓時，進入均衡充電，輸出相對的PWM波。最后，當(dāng)電池的電壓達到涓流充電標(biāo)準(zhǔn)，即達到一定的充電電壓標(biāo)準(zhǔn)時候，用較小的電流對電池充電。這樣一來就可以盡可能的延長蓄電池的使用的時間。

設(shè)計的充電模式中，其中有大電流充電、均衡充電和涓流充電功能，在運行中，具體進行哪個階段是充電、會根據(jù)采樣到的充電數(shù)據(jù)以及事先設(shè)定的程序來決定何時加入停止充電過程。

2智能充電設(shè)計

系統(tǒng)包含單片機模塊、電壓/電流采集模塊、電源模塊、充電模塊以及顯示模塊。

1）主充電源電路設(shè)計。本文充電電路采用BUCK充電主電路，在PWM控制的信號中，當(dāng)高電平脈沖出現(xiàn)時，MOSFET導(dǎo)通，電感的電流不斷增大，進行電容充電，此時的BUCK變換器不斷存儲能量，并通過電感對電池充電。

2）MOS管驅(qū)動電路。該電路的功能是將PWM波變成能夠直接驅(qū)動MOS管的電壓信號。本文直接采用一個三極管放大電路。單片機所輸出的PMW信號在通過三極管放大電路之后，就會產(chǎn)生一個較大的反相脈沖信號輸出，這個信號會直接加到場效應(yīng)管的柵極之上，將MOS管的源級進行接地處理，然后通過AC-DC變幻來獲得直流穩(wěn)壓電壓。這樣就可以讓MOS管也工作在脈沖開關(guān)的狀態(tài)下，此時只需要對輸出的PWM的占空比進行控制就能夠控制MOS管的導(dǎo)通時間長短，進而實現(xiàn)控制充電電壓的大小。

3）電壓及電流檢測。電流的檢測采用的是最簡單直接的方法即電阻采用法，通過電阻把電流轉(zhuǎn)換成電壓，所使用的電阻為0.1Ω/2W的金屬膜電阻。本充電電路的被檢電流Ⅰ是直流電流，數(shù)值比較大。電阻上的電流變化范圍為0.5A～1.3A。

4）顯示及按鍵電路。本系統(tǒng)中設(shè)計了4位LED，在正常充電時顯示充電電壓充電電流，充電時間以及充電容量。LED驅(qū)動芯片我們選用74LS47BCD顯示譯碼器。利用74LS47的解碼功能，在數(shù)碼管上直接顯示數(shù)字，進而簡化了程序，節(jié)約了單片機的10開銷。按鍵電路的實現(xiàn)只設(shè)計了4個獨立按鍵，分別代表充電時間，充電電壓，充電狀態(tài)，充電開始。

3軟件設(shè)計主程序

本文系統(tǒng)主程序主要是利用電壓電流檢測電路獲得的電壓，電流等相關(guān)采樣數(shù)據(jù)，據(jù)此確定電池具體的工作狀態(tài)，然后采取相應(yīng)的方式（PWM占空比）來控制程序的執(zhí)行，實現(xiàn)四種充電模式的合理控制，能夠?qū)崟r顯示按鍵部分傳遞過來的信息功能。

具體實現(xiàn)過程：一開始進行初始化后，系統(tǒng)開始工作，首先根據(jù)采樣到的電壓電流的大小決定要進入預(yù)充電還是大電流充電。判斷的依據(jù)是對比采集的端電壓以及閾值電壓的大小，閾值電壓為10.2V。如果電池端電壓小于閡值電壓，則系統(tǒng)進入預(yù)充電狀態(tài)，以小電流給電池進行涓流充電；反之，則進入大電流充電過程，以電池能夠承受的最大允許電流對其進行充電。與此同時系統(tǒng)繼續(xù)進行電池電壓的檢測，并跟門限電壓（15V）比較，當(dāng)電池充電電壓已經(jīng)達到到門限電壓的90%左右，即13.5V時，結(jié)束大電流充電，轉(zhuǎn)入均衡充電狀態(tài)，以小的均衡充電電流給電池充電。

4智能充電實現(xiàn)

本次實驗的電路用到的電是12V/1.3Ah的鉛酸蓄電池，通過對整個充電過程中的實時的電壓和運行狀態(tài)的跟蹤測試，得到充電過程圖，從結(jié)果上看，充電器一開始時處于預(yù)充電狀態(tài)，隨著預(yù)充電的進行，當(dāng)電池電壓達到接近10V左右，立即轉(zhuǎn)換到大電流充電狀態(tài)。經(jīng)過2h后，電池電壓達到13.5V（電池容量的90%）后，充電過程切換到均衡充電過程，當(dāng)電池容量達到100%時，充電結(jié)束，充電過程進入涓流充電過程。從測試結(jié)果看，整個充電過程能夠按照事先設(shè)定的4個充電狀態(tài)進行，符合充電要求。