智能充电器的设计方案

智能充电器的设计方案（共8篇）

智能充电器的设计方案 篇1

随着便携式设备的快速发展, 供电技术越来越普及。为了适应通信、生物医学、军工等领域对便携式电源的新要求, 微电子技术与传统电池技术相结合, 形成智能电池, 其具有维护简单、充电效率高、扩展能力强、使用寿命长等特点。

充电器开发的主要驱动力是便携式设备的开发。手机、笔记本电脑、相机、MP3播放器等移动设备的发展, 对体积小、重量轻、高性能的充电电池的需求不断增大。镍氢电池与其他电池类型相比, 具有大容量, 高充放电效率, 长周期寿命, 重量轻, 无记忆, 安全可靠, 绿色环保, 无污染, 价格适中等优势。镍氢电池的特性与充电控制技术的匹配问题, 将直接影响镍氢电池的使用寿命和充放电效率。

1 电池充电原理

电池的特性决定其安全性能和充电效率。电池的最佳充电方式是由电池的化学成分决定的 (锂离子, 镍金属氢化物, 镍镉和铅酸蓄电池等) 。充电过程包括三个阶段:第一, 低电流调节阶段;第二, 恒流阶段;第三, 恒压阶段/充电终止。

所有电池都采用功率传输的方法充电。电池的最大充电电流取决于电池的额定容量 (碳) 。例如, 电流1000m A充电1 000m Ah的电池容量, 可以充1C (发电量的1倍) , 也可以用1/50 (20m) 或更低的电流给电池充电。然而, 这只是一个普通的低电流充电模式, 不适合快速充电方案。现在使用的大多数充电器在给电池充电时, 都是既使用低电流充电方式, 又使用额定充电电流的方法。低充电电流通常用于充电的初始阶段, 在电池的芯片里, 开始存在一些热效应, 这是必不可免的, 其目的是尽量减少充电过程终止后造成的危害。在充电的中级阶段, 通常使用容积充电, 电池的大部分能量都储存在该阶段。

2 智能充电器硬件设计原理

2.1 充电过程

与其他化学电池相比, 锂离子电池具有较高的能量和容量, 该特点使锂离子电池的应用越来越广泛。目前, 大多数的锂离子电池充电器通过渐弱终止电荷和电流最小化的方法来确保电池完全充电。

2.2 快速转换器

快速转换器的目的是实现充电过程由强到弱, 再到终止, 这是所采用的最为经济的一种方式, 快速转换器是一种能量存储单元, 该单元使用一个电感器和一个电容器或一个变压器 (需要被隔离) 作为能量存储单元, 从而能将能量以能量包的形式传输到另一个地点。其中还有一个是反馈电路, 其是用来对晶体管中的能量进行调节的。不仅如此, 转换器还能作为一个过滤器, 能够确保在负载中电流与电压的稳定。

2.3 快速调节器操作

通过控制开关的占空比来实现调节器的操作。当电池电压低于参考电压时, 比较器将被关闭。当电池电压低于基准电压时, 比较器开关断开, 并启动另一个周期。在较大范围内, 如果占空比 (缩短时间) 缩短, 平均电压会下降, 反之亦然。因此, 它是必要的调整电压或电流的所需的值, 通过控制的占空比。

2.4 校正

为了保证电压和电流测量的准确性, 该算法采用了一一点或两点系统校正方案。在这个方案中, 用户假定使用2已知的电压和2已知的电流, 一个是接近地面的水平, 和其他是接近原始测量值。然后, 该算法利用这两点来计算电流和电压通道的斜率和偏置值, 并将结果存储在闪存中。在所有的转换后计算相对于斜率和偏置值。但是, 要注意的是, 如果当前的通道是使用外部放大器, 它也需要使用类似的两点校正方案, 以确保其准确性。

2.5 温度

使用芯片温度传感器的温度监测。温度传感器没有校正, 但仍能提供全方位的温度测量精度。为了实现更高的温度测量精度, 可以实现双温度校正。

2.6 电流

电池的充电电流由灵敏电阻的小而精确采集。在PGA芯片后, 电流被放大, 16位分辨率, 8位的ADC芯片的使用。还想要获得更高的测量值的精度, 这就要求使用一个外部增益。

2.7 电压

电池的电压衰减和外部电阻监测。本文的例子是电源电压作为ADC的参考电压。为了更准确的检测, 必须检测到基准电压的电压值。如果需要一个更精确的基准电压, 则可使用外部引用, 并相应地调整部分压力电阻的值。

3 智能充电器软件设计原理

智能充电器的软件设计思想是, 每个功能模块都可以实现模块化编程, 使得应用程序的软件过程清晰、可读性强, 易于调试和产品的维护和升级。软件部分主要由主程序、电动自校验、电池初始化状态判断和预充电控制、电池端判断、充电时序控制等。

3.1 上电自检

首先, 温度测量电路的检测是正常的, 如果正常的测试电池温度是在65和3之间。否则, 0.5秒后, 使橙色灯闪烁, 温度测量电路检测。

其次, 检测充电电路是否正常, 如果不正常, 关闭电流, 红灯闪烁0.5秒。

一旦电池的初始状态的判断以及充电预控制, 电池是否是好还是不好, 如果是, 根据电压的测量 (<1.0V) , 快速充电 (1.0V时, 没有足够的 (<) >1.4V) 。如果预充电时间超过预定时间, 对于电池不好, 红灯闪烁1秒。

3.2 充电结束判断

停止充电:电池电压>55, 电池温度>为+3, 充电时间超过。否则, 选择特征点, 第五判断。整个控制模型的核心是使系统能够在最合理的时间内进入到最合理的检测, 并尽可能在短时间内进行控制。为了避免在长时间的假充电-第五, 第一次使用水平阈值法。首先在充电前的85%的时间, 不是判断保证系统没有提前停止;其次利用d2v/DT2控制概念和电池充电电压变化率的变化趋势。

4 充电方式分析

正常充电:它是在标准收费率, 充电电流一般是电池容量的10%, 充电电压不超过额定电压17-22%, 充电时间一般为10-15小时。

涓流充电:它以较小的充电电流 (约5%的电池额定容量) , 和较低的充电电压 (约115%的额定电压的电池) , 对维护电池充电状态或只抵消电池自放电, 并对电池的放电深度, 有效地恢复充电性能。

快速充电:大电流 (30%电池容量) , 高电压 (125-130%的电池额定电压) 在3-4小时内充满电池。

恒压充电:充电过程中的恒压充电始终保持相同的充电电压, 充电电流非常大, 随着时间的增加, 逐渐变小, 最后为零, 采用恒压充电方式的电压和时间是如下:

缓充充电:用来保持完整的电池充电状态的电池, 以弥补电池的自放电, 充电约17-22%的电池的额定电压, 时间长。

浮充充电:将电池与负载并联在一只手上, 电池负载在负载上, 一方面要接受充电器。充电电压通常为110%, 时间长。

快速充电:对于电池的全放电, 电池容量为1小时至80%小时, 3至2小时充电容量为120%。充电器的电压太高会导致电池过严重, 充电器的电压过低会导致电池充电。为了防止充电瞬间电流过大, 上海太阳用电的恒电压充电充电器进行改进, 面向市场推出了恒压恒流充电。

恒压和恒流充电器是充电器的精密电压调节器, 它是由一个可控硅调压精度高, 隔离变压器降压, 整流桥整流输出全波脉动直流电流给电池充电。充电电流、充电电压可连续调节, 可进行恒流、恒压控制, 适合所有需要充电的电池。该机广泛应用于电动叉车、高尔夫球车、观光车、电动汽车、电动洗衣机、电动洗衣机、电力供应、电力通信铁路系统等。确保电池充充, 但不能充电。也被用在汽车修理厂队, 航空, 发电机组, 程控交换机等通信设备、船用电池充电, 确保电池但收费, 不收费少。它可以用作一般直流电源。

5 充电控制程序设计

常用的充电控制方法是电压控制方法、时间控制方法和温度控制方法。该方法的优点和缺点。为了保证电池在任何情况下的充电状态, 该系统采用了一种全面的控制方法, 包括电压, 时间和温度控制。为了保证最佳充电曲线, 本软件采用模糊控制器对充电电压进行控制。

智能电池与传统电池组只在信息接入方式、控制方式相同的智能电池内部具有精确的测量电路, 因此数字智能充电器只需读取智能电池的充电信息, 根据需要选择合适的充电电压和电流充电。

6 系统调试

6.1 PFC电流波形出现失真

功率因数校正电路的输入电流波形畸变, 在过零相位的上升后出现了尖峰和尖峰。原因是, 在PFC电流环的反馈补偿网络是不合适的, 它可以使电流波形的过冲现象。该解决方案是基于精确的控制回路模型。采用计算机辅助设计控制参数对控制系统进行仿真。控制参数的功能被发现。

6.2 直流输出特性差

双管正激电路的输出直流电压随着负载的增加将降低, 负载能力低。原因分析:由于隔离反馈回路的双管正激电路采用光纤输入和输出的灾难, 但也提供信号稳定控制回路的一个渠道, ka431工作电流为轻灾的输出电压成正比, 与提供的直流增益”然而工作电流和ka431常常诅咒的光没有一个系统的匹配, 如果只是为了满足系统稳定性的要求, 往往会导致系统的直流增益下降, 从而提高了静态误差和输出阻抗, 负载容量变化”的解决方案是在两个端耦合电阻, R4, 补偿的ak431电阻的工作电流来提高系统, 直流增益”, 经过反复试验, ZK的电阻值, 系统的承载能力提高。

6.3 系统装机后无法正常工作

该系统可以在分层调试的情况下进行调整。该系统不能被干扰的面板输入指令。显示部分显示的数据是混乱的, 系统不能正常工作。虽然系统可以偶尔启动成功, 也会在较短时间内出现保护信号不正常, 进入待机状态和报警系统”时, 断开触摸按钮面板上, 经过分析, 其原因是:正常”的回收系统, 整个系统分为套管, 套管为屏蔽器, 干扰信号通过面板上的接触模式按钮进入系统, 系统不能正常工作”的解决方案是地面系统的调整, 重新选择系统底盘接地”经过反复测试, 在“高压电容CI, 与2n2/2k V高压电容器的阳极和Ⅰ之间磁电容, 电容的情况下, 磁性阳极连接到n2/2vk, 问题都解决了。

7 结语

经过测试, 系统的工作电压范围90-270VAC, 输出电压12ogv (12V输出) 和24.06v (24V输出) 和14.iv15ow26.2v, 输出功率为SA, 输出电流, 输出电压纹波小。整机83%以上的系统可以为12V、14V镍氢、镍福电池和锂离子72v7%和效率, 14.4V和25.2v组有效, 快速充电, 并有电池反极性, 破坏, 开放, 过充和欠充电保护功能。

摘要：为了满足高功率因数的要求, 实现先进的充电控制策略, 并将系统加入开关电源的有源功率因数校正电路中。在硬件电路设计中, 电源管理芯片TDA16888为核心, 有源功率因数校正电路和双管正激的驱动控制电路的设计方法和选择过程的控制参数进行了详细的描述, 并对主电路参数的关键部件进行了详细介绍。硬件设计部分还介绍了充电电路的结构、各功能单元的工作原理以及辅助电源的设计。本文主要分为四大部分, 一是电池充电原理, 二是智能充电器硬件设计原理, 三是智能充电器软件设计原理, 四是充电过程分析, 五是充电控制程序设计, 六是系统调试。

关键词：智能,充电器,工作原理,方案设计

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智能充电器的设计方案 篇2

整个充电器在工作模式下消耗不足100μA的典型电流，而处于静止状态(即锂电池不处于充电状)时典型消耗电流不到20μA。

1.2 对DS2770芯片功能与特点作一介绍

DS277是一款集成了电池电量计量和锂离子或镍基电池充电控制器的新型芯片, 其框图见图2所示。它还包含一个可选择的25mΩ检测电组，用来实现充电电流测量。内置的测量电路能检测电压和温度值，作为充电终止的判据和安全充电环境的判据。所有测量结果保存在16字节的SRAM存储器中，它的40字节的EEPROM留给用户使用。与主系统所有信息交换都通过它的标准的l-Wire通信接口实现。该芯片为低功耗,工作状态耗电仅为80μA，静态消耗电流为0.5μA,

其引脚功能说明:

UV: 当电池电压检测为低值时的输出端，其低电平有效.

CC: 充电控制输出,其低电平有效.

Vch: 充电电压输入.

SnS: 电流捡测电阻连接端.

Vdd与Vss:芯片电源端

Vss: 地端

DATA:数据输入/输出端

LS1与LS2: 电流检测输入端.

Vin: 电池电压检测输入

2 关于充电组合电路的保护特性

见图1中部.应用外接的二只N沟道MOSFET保护管(IRF840)VP3与VP4和DS2720芯片来实现对单体Li+或锂聚合物电池安全保护. 即可以达到保护电池免受过量充电、过量消耗、过高放电电流以及过高温度损害等安全特性。DS2720具有细小电流充电功能，可恢复已深度放电的电池。用主系统软件还能够通过DS2720与DS2770芯片的DQ引脚检测到电池产生故障的原因并由主系统向用户汇报。

需要指出的是MOSFET 管被接在了充电组合电路的高端，位于充电电源和Li+电池正端之间，见图1所示. 为确保其数据在发生保护性故障或当充电组合电路处于休眠模式时不丢失，最好由Li+或锂聚合物电池直接给DS2770和DS2415供电。否则的话，当MOSFET被关掉时数据将丢失。该DS2720芯片为低功耗,工作状态耗电仅为12.5μA，静态消耗电流为1.5μA.

其DS2720其引脚功能:

PLS电池组的正端输入

PS: 系统(功率)开关捡测输入，低电平有效。

DQ: 数据输入/输出.

CP: 电量储存容量.

CC: 充电控制输入

DC: 放电控制输出.

3 关于充电与控制

DS2770的功能之一是利用简单的限流型电源给电池充电,.通过控制外部PNP晶体管(VP1(FMMT718型)和VP2(4403型)，DS2770能以恒定电流给Li+或锂聚合物基的电池组进行充电，直到电压上升到工厂没定的4.1V或4.2V限值。然后，它以脉冲充电方式注满电池。

DS2770还提供了一 ・个辅助的充电终止控制，即当电池温度超过+50℃或超过用户设定的最大充电时间均能终止充电。要启动充电，只需接・个限流型电源(最高15V)到chargesource端即可。

(本网网收集整理)

4 关于充电电量计数

DS2770也可用作一个高精度电量计。电流测量通过一个内部的25mΩ检测电阻实现(见图2所示)，其最低分辨率为62.5μA，动态范围高达±2A的平均电流。

在GSM/CDMA应用中，DS2770可十分容易地跟踪放电电流，它内部的自动补偿功能可在芯片整个工作范围之内保持测量的精确度,并能对所累加的电流、电压和温度进行实时测量，再加上保存于DS2770内EEPROM的电池特性数据，使得主系统处理器能够精确计算出电量，同时仅消耗很少的系统资源。而且由于DS2770直接由电池驱动，电量计数信息在电池组被拿开或由于保护性故障电源失效时不会被丢失。

5 实时时钟RTC

DS2415为主系统提供了一个精度达2分钟/月的RTC。它需要一个32.768kHz/6pF的外部晶体连接到DS2415的Xl和X2引脚。由于DS2415直接由电池供电，这是种结构是其它充电器电路所没有的优势。而将DS2415时钟置于MOSFET管的内侧，可以为主系统提供 一个高精度保障的时钟，甚至当主系统电源失去时也可以保持正确的时间信息，免去了在主系统中增加超级电容或纽扣电池作为备用电源的麻烦。

DS2415引脚功能:

Vbat充电电压输入脚2.5v.-5.5v.

其它类似上述也标明.

6 电池组信息的保存

DS2770含有40字节的EEPROM留给用户访问，而DS2720又额外增加了8个字节。电池组制造商可以利用这些空间保存相关的电池组信息，例如电池化学类型，组装日期，用于电量计数的电池特有信息等,一旦写入EEPROM将永久锁定，甚至于当主系统电源丢失和ESD事件发生时仍能保证数据的完整性.此外，每个芯片具有一 个唯一 ・的64位序列码，以便于让主系统或充电器识别。

结束语

按此方案实施的高性能锂电池充电组合路

电池智能充电器软件的设计 篇3

充电的电流源由单片机的PWM输出产生：其输出为方波，可由占空比来调整大小。图1给出了PWM波形的一个例子：占空比为波形为高电平的时间与PWM信号的周期之比。对于一个PWM实现来说，其输入是一个数值，通常为整数，该数值与所需要的输出波形的占空比成正比。

PWM技术的基本原理是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。通过调整PWM的周期、PWM的占空比从而达到控制充电电流的目的，图2为几种典型的PWM输出波形，可以看出，占空比取决于PWM寄存器的值。

8位PWM方式的占空比由方程1给出。

由方程1可知，最大的占空比为100%(PCA0CPHn=0)，最小占空比为0.39%(PCA0CPHn)。可以通过清‘0’ECOMn产生0%的占空比。

2 A/D与温度传感器

C8051F310单片机是10位ADC单片机。转换速度可达200ksps, 可多达21或17个外部单端或差分输入，VREF可在外部引脚或VDD中选择，内置温度传感器(±3℃)，外部转换启动输入。

(1)温度传感器部分。温度传感器产生一个与器件内部温度成正比的电压，该电压作为一个单端输入提供给ADC(模/数转换器)的多路选择器。当选择温度传感器作为ADC的输入并且ADC启动一次转换后，可以通过简单的数学运算将ADC的输出结果转换成用度数表示的温度。

为了能使用温度传感器，它首先必须被允许，ADC及其相关的偏置电路也必须被允许。ADC可以使用内部电压基准，也可以使用外部电压基准。本电路使用的是内部电压基准。通过将TEMPE (REF0CN.2)设置为“1”来允许温度传感器工作。模拟偏置发生器和内部电压基准的允许位也位于REF0CN总;所有这些位可以在一次写操作被允许，例如：

Mov REF0CN, #07 h;允许温度传感器、模拟偏置发生器和电压基准

下一步，必须选择温度传感器作为ADC的输入。这可以通过写AMX0SL来完成，例如：

下一步必须正确设置位于ADC0CF中的ADCSAR时钟分频系数，特别是ADC转换时钟周期至少应为500ns。

接下来选择ADC的增益。在单端方式下，ADC能够接受的最大直流输入电压等于VREF。如果使用内部电压基准，则该值大约为2.4V。温度传感器所产生的最大电压值稍大于1V。因此可以安全地将ADC的增益设置为“2”，以提高温度分辨率。设置ADC增益的配置在ADC0CF中。所以，有

其余的ADC配置位在ADC0CN中。这是一个可一位寻址的特殊功能寄存器。可以选择任何一种有效的转换启动源：定时器2或定时器3溢出、向ADBUSY写“1”或使用外部CNVSTR。

向AD0BUSY写“1”提供了用软件控制ADC0转换的能力。AD0BUSY位在转换期间被置“1”，换结束后复“0”, AD0BUSY位的下降沿触发中断(当被允许时)并置位ADC0CN中的中断标志(AD0INT)。

通过写入下面的控制字，将ADC配置为低功耗跟踪方式，采用向ADBUSY写“1”作为转换启动信号，输出数据采用左对齐格式：

至此，可以通过向ADBUSY写“1”来启动一次转换;

Setb ADBUSY;启动转换

现在等待转换完成：

JnbADCINT, $;等待转换完成

一旦转换完成，ADC输出寄存器(即ADC0H和ADC0L中的16位值)包含与器件内部的绝对温度成正比的代码。温度传感器产生一个与器件内部绝对温度成正比的电压输出。方程4给出这一电压与温度的摄氏度数值之间的关系。

其中Vtemp———温度传感器的输出电压;

Temp———器件内部的摄氏温度值。

温度传感器的传输特性如图3所示, 温度传感器的电压不能直接在器件外部测量。它出现在ADC多路选择器的输入端，允许ADC测量该电压值并产生一个与电压成正比的输出代码。ADC在左对齐、单端方式下产生的输出代码与输入电压成正比。

其中CODE———左对齐的ADC输出代码;

Gain———PGA的增益;

VREF———电压基准的电压值，如果使用内部VREF, 则大约为2.43V。

把方程2代入方程3，并假设Gain=2和VREF=2.43V，解方程得到输出温度值。

(2) A/D部分。C8051F310/1/2/3的ADC0子系统集成了两个25通道模拟多路选择器(合称AMUX0)和一个200ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC, ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。AMUX0、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过特殊功能寄存器来配置。ADC0可以工作在单端方式或差分方式，可以被配置为用于测量P1.0～P3.4、温度传感器输出或VDD(相对P1.0～P3.4或GND)。只有当ADC控制寄存器(ADC0CN)中的AD0E位被置1, ADC0子系统才被使能。当AD0EN位为0, ADC0子系统处于低功耗关断方式。

模拟多路选择器(AMUX0)选择去PGA的正输入和负输入，P1.0～P3.4、片内温度传感器输出和正电源(VDD)中的任何一个都可以被选择为正输入;P1.0～P3.4和GND中的任何一个都可以被选择为负输入。当GND被选择为负输入时，ADC0工作在单端方式;在所有其它时间，ADC0工作在差分方式。ADC0的输入通道由寄存器AMX0P和AMX0N选择转换码的格式在单端方式和差分方式下是不同的。每次转换结束后，寄存器ADC0H和ADC0L中保存ADC转换结果的高字节和低字节。转换数据在寄存器对ADC0H:ADC0中的存储方式可以是左对齐或右对齐，由AD0LJST位(ADC0CN)设置决定。当工作在单端方式时，转化码为10位无符号整数，所测量的输入范围为0-VREF/1024。

采用过采样和求均值提高ADC分辨率：每增加一位分辨率，信号必须以4倍的速率过采样，即，

其中w———希望增加的分辨率位数;

fs———初始采样频率要求;

fos———过采样频率。

假设一个系统使用了12位的A/D，每秒输出一个温度值。为了将分辨率增加到16位，按下式计算过采样频率，即

因此如果以256Hz的采样频率对温度传感器进行采样，则将在所要求的采样周期内采集到足够的样本，对这些样本求均值便可得到16位的输出数据。

下面对温度测量中的分辨率改善情况进行比较。

片内温度传感器的满度输出略大于1V。假设使用2.4V的基准电压(Vref)，可以计算10位和16位测量的代码宽度和温度分辨率(可测量的最小温度变化)。

(1) 10位温度分辨率

在不采用过采样技术的情况下，将得到10位的温度测量结果。温度每变化1℃，片内温度传感器的电压将变化2.8mV。在使用2.4V的Vref且PGA的增益等于2时，电压分辨率是

10位温度分辨率是：

因此对于每个ADC码，可以测量的最小温度变化是0.418℃。通过使用过采样和求均值技术，可以达到16位的分辨率。

(2) 16位的温度分辨率

这样可以测量到的最小温度变化为

在采用过采样技术的情况下，用同一个片内10位ADC可以测量的最小温度变化是0.007℃。这就允许高于1/100℃的精度进行测量。

3 充电过程及充电各参数

3.1 校正

为确保电压和电流的测量值的精确性，算法采用一个两点系统校正方案。在这个方案中，假定用户使用两个已知的电压和两个已知的电流，一个点接近于地电平，另一个点接近于原测量值，然后算法采用这两个点为电流和电压通道计算一个斜率和一个偏置值，并将结果存储在FLASH中。所有以后的转换都是相对于这些斜率和偏置计算值而言的。但需要注意的是，如果电流通道使用的是一个外部放大器，那么该放大器同样也需要使用一个类似的两点校正方案进行校正以确保其精度。

3.2 温度

本例的算法使用片上温度传感器监测温度。温度传感器是没有经过校正的，但仍然可以提供充分精度的温度测量。如果需要获得更高精度的温度测量，可以通过一点或两点温度校正方案来实现。当然，也可以使用一个外部温度传感器检测温度，可以通过重新配置AMUX来引入这个额外的输入电压。

3.3 电流

电池的充电电流是通过采集一个小的但精确的敏感电阻的差分电压的值来进行监控的。经片上的PGA将电流放大后，采用片上8位ADC使用过采样的和均值的方法来获得16位的分辨率，再通过斜率和偏置校正系数计算出相应地电流值，如果想获得更高精度的电流测量值，就需要使用一个外部增益。

3.4 电压

电池的电压是通过外部的电阻进行衰减和监测的，需要注意的是本程序是用电源电压作为ADC的参考电压。为了更精确地检测，必须将检测到的高于参考电压的电压值衰减。如果需要更精确的参考电压，可以使用外部参考，并同时相应地调节分压电阻的值。

4 充电程序流程

4.1 充电流程

4.1.1 充电的第一阶段

在第一阶段，为了便于描述，我们假定电池在充电开始时是处于放电状态。F31x调节电池的电流至ILOWCURRENT (典型值1/50C) 直到电池的电压达到VMINVOLTBULK。需要注意的是电池的充电电流需要限定至ILOWCURRENT以确保安全地启动充电并将电池的自热效应减至最小。如果温度在任何时候超过限定值充电就会自动停止。

4.1.2 充电的第二阶段

一旦电池到达VMINVOLTBULK，充电就进入了第二阶段。在这一阶段，电池的算法控制PWM通路开关以确保输出电压为电池提供一个恒定的充电电流IBULK (充电速率或容积电流通常为1C，并且和ILOWCURRENT与VMINVOLTBUL一样可以在头文件中定义) 。

4.1.3 充电的第三阶段

电池到达VTop (在单节充电器中的典型值为4.2V) 以后, 充电器算法进入第三阶段，在这一阶段，PWM将信号反馈回来并调节电池的电压。在第三阶段，电池继续充电直到电池的充电电流到达IMINIBULKl。此后，电池将被额外充电30min，随后，充电终止。充电的绝大部分时间都用在第三阶段。

注意在大多数实际应用中(比如便携式PC机)，当启动电池充电时，充电状态可能会处于三阶段中的任一阶段。但这不会影响充电效果，因为系统只是在监视电池的电流状态并在那一点启动充电过程。

5 结束语

C8051F单片机的高模拟集成度、小体积、集成的FLASH存储器以及低能耗等特点使得该产品成为灵活的新一代电池充电器应用的理想选择。

以开关充电电源为充电器电路的硬件基础, 单片机为控制部件, 能准确地对电池进行状态监测、充电控制、停充控制、温度补偿控制。依据充电波形知道电流在充电过程中慢慢减小，提高了蓄电池充电接受率，延长了电池的寿命。

摘要：论述利用PWM脉宽调制产生可用软件控制的充电电源, 以适应不同阶段的充电电流的要求。温度传感器对电池温度进行监测, 并通过AD转换和相关计算检测电池充电电压和电流, 以判断电池到达哪个阶段, 以此达到智能充电的目的。

关键词：智能控制,PWM,温度传感器

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一种智能镍氢电池充电器的设计 篇4

关键词：镍氢电池,智能充电器,MAX713

0 引言

目前, 国内对矿用或石油天然气用防爆电子产品 (包括本质安全型和隔爆型) 的电源要求十分严格。国家煤矿安全工程中心和相关部门规定:除特别产品外, 使用非镍氢电池的电子电器产品严禁下井。由此可见, 镍氢电池在矿用电子产品中的应用十分广泛, 因此, 与其对应的镍氢电池充电器也有着重要地位。但目前市场上各类镍氢电池充电器大多存在使用不方便、电池虚充满等问题。本文提出了一种智能镍氢电池充电器的设计方案。该充电器以MAX713为基础, 增加了单片机定时检测功能, 不仅解决了电池虚充满现象, 并且电池充满后充电器可自动关断, 适用于不同种类的镍氢电池充电。

1 MAX713的原理与性能

MAX713是由美国MAXIM公司生产的一款镍氢电池专用充电管理芯片, 它仅需要少量外围器件便可构成1～16节镍氢电池快速充电器, 应用十分简单。MAX713采用电压斜率方式 (或称为电压梯度方式) 快速充电, 当电池电量达到额定值后, 电池组电压开始下降, 即du/dt为负值时, MAX713从快速充电状态转到涓流充电状态, 此时电池电压继续下降到一定值后保持不变, 电池温度也随之降低[1]。

MAX713的充电方式分为线性模式和开关模式, 一般在充电电流不大时可采用线性模式, 该模式在充电的同时, 可正常为其它电路供电;在充电电流较大 (超过500 mA) 时采用开关模式, 该模式在充电时禁止供电。

图1为MAX713管脚图。MAX713的使用只需要设定好充电时间、充电电池数量 (只能在1～16节) 、充电电流即可。以下为MAX713几个重要管脚功能以及使用简介[2]。

VLIMIT:单节电池的最大电压, 即ULIMIT。电池组的最大电压Em不能超过nULIMIT (n为电池数量) , 且ULIMIT不能超过2.5 V。当VLIMIT接V+时, Em=1.65n V, 通常将VLIMIT与REF连接。

PGM0、PGM1:可编程引脚。通过对PGM0和PGM1脚电压的设定可设置充电电池的数量。MAX713支持1～16节镍氢电池。

PGM2、PGM3:可编程引脚。通过对PGM2和PGM3脚电压的设定可设置快速充电的最大允许时间 (33～264 min) , 还可设定快速充电和涓流充电的速率。

MAX713采用的是恒流充电方式, 只需要设定管脚GND与管脚BATT-间的电阻值就可确定充电电流大小。设充电电阻为R, 充电电流为I, 则R=U/I, U为充电电阻两端电压, 取值为0.25 V。如果充电电流I为1 A, 则充电电阻R=0.25 Ω[3]。

2 MAX713的实际应用

图2为基于MAX713的镍氢电池充电器充电电路, 该电路在充电电池数量为1～16节范围内可以通用。

将MAX713的管脚VLIMIT与REF连接, 限定了每节电池的最大电压, 可有效保障电池的安全。为了更好地保护电池, 一般采用的方式都是小电流长时间充电方式。因此, 该充电器将MAX713的管脚PGM2、PGM3接到BATT-端, 此时快速充电时间设置为264 min。为了使该充电器适用于不同的镍氢电池, 将MAX713的管脚PGM0、PGM1设计为跳线[4,5]。IRF9540的功率应根据充电电流的大小来选择 (TO220封装的IRF9540的功率可达到65 W) , 必要时可给IRF9540加一个散热片。另外, 电感L1的选择特别重要, 如果L1的品质不好, 设计出来的镍氢电池充电器有可能无法正常工作, 一般应选择带铁氧体磁棒的电感。同时, L1还要根据充电电流的大小来确定, 如果充电电流大于1 A, 可自己用漆包线绕制L1, 只要电感值匹配即可。需要特别注意的是充电电阻的选择, 图2给出的是以2 A充电电流给8 A·h电池充电的电路, 其中R9为0.13 Ω, 由于该处电阻发热量大, 所以选择的是功率为2 W的线绕电阻。

3 智能镍氢电池充电器的设计

由于MAX713只能支持最多16节镍氢电池充电, 因此, 当镍氢电池数量大于16节时, MAX713给出的应用电路已经无法满足要求。中煤科工集团重庆研究院研发的DTC-150防爆地质超前探测仪使用24节镍氢电池, 与电池配套的充电器在使用一段时间后频繁发生故障, 影响了该仪器的正常使用。因此, 设计了一种数量超过16节的智能镍氢电池充电器, 其充电电路如图3所示。

图3中, 24节电池分为2组, 每12节为1组, 通过继电器的常闭端 (端点3和端点5) 连接。电池处于工作状态即向负载供电时, 2组电池为一整体;当电池充电时, 继电器断开, 电池立刻分为独立的2组, 电池组1接充电模块1, 电池组2接充电模块2。其中, 充电模块电路如图2所示。需要特别注意的是, 2组充电模块采用的是2个独立的开关电源。若电池数量较大, 也可采用同样电路通过3级、4级甚至更多级联来完成。

MAX713在实际使用中, 存在一个很大的问题就是快速充电时间太短, 转入涓流充电状态后, 镍氢电池很难达到设计容量。为了能充分发挥镍氢电池的作用, 在充电过程中必须要保证其完全充满。该镍氢电池充电器利用单片机89C2051控制时钟芯片DS1302, 组成定时电路, 获取整个充电过程所用时间。通过软件设定在某时刻, 如上电3 h、6 h时, 89C2051控制继电器重启, 充电状态由涓流充电状态又重新进入快速充电状态, 这样即可确保镍氢电池完全充满。同时, 在镍氢电池充满之后还可完全切断充电, 实现智能关机, 保证了电池的安全性。

图4为智能镍氢电池充电器充电重启和智能关机电路, 其中CN2、CN3接交流电, IC3为电源模块HAW205-220S12, 它为89C2051、MAX713供电。

4 结语

针对MAX713只能用于1～16节镍氢电池充电管理、而且存在虚充满现象的问题, 介绍了一种智能镍氢电池充电器的设计。该充电器已成功应用在DTC-150防爆地质超前探测仪、YCS40矿用本质安全型瞬变电磁仪等多种产品中, 具有一定的实用性。

参考文献

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[4]张睿.新型便携式仪表用氢/镍铬快速充电器[J].山东工程学院学报, 2002, 16 (1) :58-60.

智能充电器的设计方案 篇5

太阳能的开发及利用在大力提倡发展低碳经济的时代背景下日益受到瞩目。随着环境污染、生态破坏及资源枯竭的日趋严重, 太阳能作为一种新型能源, 正以能源丰富、无污染的特点, 越来越受到人们的喜爱。

在太阳能的有效利用中, 大阳能光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域之一[1,2]。我国光伏产业以每年30%的速度增长, 最近三年全球太阳能电池总产量平均年增长率高达49.8%以上[3]。

通信设备、田间测量仪器等便携式电子产品的普及使得以太阳能电池板为基础的便携式充电装置倍受青睐, 不受地域限制, 能够在传统充电器无法工作的场合进行应急或可持续充电。

本文设计研究的模块式智能充电器, 有效使用了升压芯片和充电线性集成芯片, 通过试验验证了其可靠实用性, 为其投入市场提供了保证。

1 系统设计

1.1 系统总体框图

系统主要包括太阳能电池组供电模块、储能模块、升压稳压电路模块、充电电路模块及自动切换正负极模块等。充电器组成框图如图1所示。

1.2 系统的功能

太阳能充电器是专门给便携式电子设备充电的, 与一般充电器不同, 在有阳光的时候, 太阳能电池板吸收光能转化电能储存在蓄电池内, 同时可以给手机或者数码产品充电, 因此不需要任何普通电源给其供电。在没有阳光时, 蓄电池还可以继续给数码产品充电。另外, 当蓄电池电能耗尽时, 除了放在阳光下可以充电外, 同时也可以接驳市电, 通过市电给蓄电池充电。

2 电路设计

设计的电路分为太阳能供电模块、升压稳压模块、充电模块、自动切换正负极模块和储能模块五部分, 电路如图2所示。

2.1 太阳能供电模块

本模块是主要的发电设备, 通过可以自动调节占空比的供电网络保证在光照强度变化和负载变化时, 输出电压基本稳定, 同时为充电芯片TP4057提供稳定的电压输入。本设计中, 太阳能板上接了两个肖特基二极管1N5819, 主要是防止电流回流, 充满电后又放电。

2.2 储能模块

平时不充电的时候可以给内置的锂电池充电, 然后再给USB或者手机电池充电式快速充电。

2.3 升压稳压电路模块

该部分选用由BL8530升压芯片及其外围电路组成的升压稳压电路模块。BL8530是BOOST结构、电压型PFM控制模式的DC-DC转换电路, 芯片采用了低阈值耗尽CMOS工艺制造, 使得芯片的静态功耗小于5.5μA。芯片内部包括输出电压反馈和修正网络、启动电路、震荡电路、参考电压电路、PFM控制电路、过流保护电路以及功率管。PFM控制电路是BL8530的核心, 根据其他模块传递的输入电压信号、负载信号和电流信号来控制功率管的开关, 从而达到控制电路恒压输出的作用。在PFM控制系统中, 固定震荡频率和脉宽, 稳定的输出电压是根据输入-输出电压比例以及负载情况通过消脉冲来调节在单位时间内功率管导通时间来实现。震荡电路提供基准震荡频率和固定的脉宽。同时, 在电路设计中, 选择合适的外围器件, 选择合适的电感、电容、肖特基二极管获取高转换效率。转换效率最高可达到85%以上。本模块的输出的电压给充电电路模块供电, 保证其能正常工作。

2.4 充电电路模块

充电电路模块由充电线性芯片TP4057及其外围电路组成。芯片采用了内PMOSFET架构, 加上防倒充电路, 所以不需要外部检测电阻器和隔离二极管。热反馈可对充电电流进行自动调节, 以便在大功率操作或者高环境温度条件下对芯片温度加以限制。充满电压固定于4.2 V, 而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当电池达到4.2 V之后, 充电电流降至设定值1/10, TP4057将自动终止充电。芯片具有充电电流可调节性, 电池欠电时自动减小充电电流, 保护电池, 充电状态显示其中6脚和GND脚间的1.66 kΩ的电阻可换滑动电阻, 可以设置充电电流, 同时支持单片机控制, 4脚 (VCC) 和接地端有个1μF的电容, 主要是防止尖峰和毛刺电压引起的芯片损坏。3脚和GND间的10μF的电容主要用于测试充电芯片能否正常工作。模块中设有充电状态指示器, 当红灯亮时, 表示工作中;绿灯亮时, 表示电池充满。

2.5 自动切换正负极模块

本模块的设计主要是利用电池控制三极管8550及8050的导通及截止, 自动辨别正负极, 实现智能充电。当AO为+时, Q4通导, AI就负极接通;当AO为-时, Q2通导, AI就接通正极;当AI为-时, Q1通导, AO就接通正极;当AI为+时, Q3通导, AO就接通负极。自动切换正负极模块的设计, 使用者不必考虑充电电池的正负极, 使用方便。

3 试验数据及结果分析

3.1 试验研究

将设计好的充电器, 在不同的光照条件下, 储能锂电池模块完全充放电的实验数据, 结果如表1所示。

3.2 结果分析

通过试验结果看出, 在光照好的时候, 太阳能吸收的能量大。锂电池在三种不同天气情况下, 充电相同的时间, 放电的时间, 晴天时最长, 不论哪种天气状况下, 蓄电池的使用时间都超过3 h, 可以满足应急或户外使用。

4 结语

本设计有效利用了BL8530升压芯片和充电线性芯片TP4057, 其设计过程 (外围电路) 简单, 具有体积小、重量轻, 并且性能可靠、稳定, 适用性强, 充电电流可调节、保护功能齐全和使用方便等一系列优点, 适合户外各种小型锂电池设备充电使用。

摘要：详细介绍了太阳能智能充电器的设计过程, 设计的电路分为太阳能供电模块、升压稳压模块、充电模块、自动切换正负极模块和储能模块5部分。该控制电路能够在传统充电器无法工作的场合进行应急或可持续充电, 具有重要的实际意义。

关键词：模块式,智能,太阳能,充电,锂电池

参考文献

[1]蒋鸿飞, 胡淑婷.绿色能源——太阳能充电器[J].上海应用技术学院学报:自然科学版, 2007, 7 (2) :147～149

[2]刘征宇.太阳能手机电池充电器设计研究[J].漳州师范学院学报:自然科学版, 2004, 17 (4) :41～44

[3]孙道宗, 王卫星, 姜晟, 等.基于TPS5430和MAX1674的智能充电器[J].电子设计工程, 2010, 18 (8) :143～146

智能充电器的设计方案 篇6

某型无人机备用电源采用镉镍蓄电池组,其充电器采用半波倍压充电方式,充电工作电压高达440 V,结构简单,故障率低。但其工作电压高,操作人员有触电危险;充电控制方式落后,充电时间长;无充电控制,需要操作人员监控,使用不便。在市场上,镉镍电池也常用作各类设备备用电源,但充电器多为常规充电器,其充电方式大致可分为恒压充电、恒流充电、脉冲充电或组合充电方式。从本质上来讲,这些充电方式的充电电流无法随镉镍电池充电状态自动调节,没有实现充电过程的最优化,进而影响了电池性能和使用寿命。许多研究只是对这些方法从硬件上进行更好的物理实现,并没有改变充电方式,例如参考文献[1,2,3]等。本充电器采用模糊控制设计,能够根据电池状态对充电电流进行调整,使充电电流随电池的状态相应变化,优化了充电方式。本充电器可扩展应用于同类型镍氢电池组,主程序和模糊控制器经过参数调整则可扩展应用于各容量镉镍和镍氢电池组。

1 镉镍电池充电策略分析

镉镍电池充电时把电能转化为化学能进行储存,在充电初期,电池接受电流能力强,随着充电的进一步进行,电池接受电流能力越来越小。上世纪60年代中期,美国科学家马斯提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受的最佳充电曲线,如图1所示。以后的实验也表明,如果充电过程中充电电流处于M区,则电流过大,会导致电池温度过高,损害电池极板;充电电流处于N区是可接受的,但充电时间不可能达到最短;充电电流沿着曲线道变化,是最理想的充电状态,可以大大缩短充电时间,并且对电池的容量和寿命也没有影响。

充电过程中,由于电池的可接受电流受温度,电压,内部压力等因素影响,是一个多输入非线性复杂

系统,模糊充电控制就是根据电池电压、温度和电压上升率等外部特性,依据操作人员或专家经验采用相关控制策略,实现优化控制,使充电电流始终接近理想充电曲线。

恒流充电时镉镍电池充电特性曲线如图2所示。当恒定电流充入完全放电的电池时,由于电池内阻产生压降,所以电池电压很快上升(A点)。此后,电池开始接受电荷,电池电压以较低的速率持续上升。在这个范围内(AB之间),电化学反应以一定的速率产生氧气,同时氧气也以同样的速率与氢气化合,因此,电池内部的温度和气体压力都很低。可以看出,在充电的起始状态,电池的端电压上升很快,直至A点。A点后,电压经过B段缓慢上升阶段,然后电池电压进入C段快速上升阶段至最高点D。从D点处开始电池电压会随着继续充电而下降,出现负增量。此时电池已充足电,电池温度急剧上升,内部压力也继续上升,若此刻还继续快速充电会损坏电池,甚至出现危险,应及时停止快速充电。

充电控制根据充电原理特性,将GN和NH电池的电压曲线分为3段。具体划分为:进入C段之前,采用恒定的大电流快速充电;C段时,采用模糊控制方法,根据电压变化情况控制充电电流,使电池电压按理想充电模式变化,以达到最佳充电效果;C段后充电完毕,可进入浮充维护充电状态,或停止充电。充电终止可采用终止以及V控制等多方式判断。

2 模糊控制器设计

无人机充电器模糊控制器设计主要模仿人的决策行为,基于操作人员的实际控制过程,根据充电过程的状态变化,对充电过程实现优化控制。

在充电器设计中,输入量主要包括电池电压、电压上升率、温度和温度上升率等参数,在实际应用中,考虑到温度测量极大地增加了系统复杂性,且误差较大,系统输入量仅考虑电压和电压上升率2个参数。输出量为电压,经受控恒流源转换为电流对电池进行充电。由于经过量化的输入量个数有限,设计中针对输入情况的不同组合离线计算出相应的控制量,组成控制表,实际控制直接控制表,在线运算量很少,较好地满足了实时控制的要求。相关模糊控制控制器离线计算,在线查表结构可参看参考文献[4]。

2.1 输入量模糊化及隶属度

模糊化是把精确量转换成模糊量的变换过程。其具体过程需要进行量化、模糊划分和模糊表达。量化实质是把连续输入精确值的范围离散化;模糊划分就是对论域范围确定模糊量的个数;模糊表达就是对模糊量的隶属函数进行定义[4]。

针对论域为离散或连续的情况,隶属度函数有不同的描述方式,论域连续时隶属度函数常用函数来描述,常见的参看参考文献[4];论域离散时常用数值描述法。在充电器模糊控制器设计上,针对输入参数电压、电压上升率为连续量,采用对其先进行离散化,根据经验值对输入空间模糊分割,确定输入隶属度的方法。这种离线计算,在线查表,对硬件处理器性能要求大大降低,软件设计也相对简化,同时提高了控制的实时性。

输入量离散化的方法通常根据经验值给定,给定后离散论域的隶属度函数可参考文献[5]介绍的MATLAB给定的11种内置常用隶属度函数类型,对其参数进行调整确定,也可用自定义函数。

2.2 模糊控制规则与模糊推理

模糊控制规则采用状态评估形式,模糊控制规则的建立主要基于专家的经验、操作人员的实际控制过程和文献数据资料,对其进行综合,它是模糊控制的核心。模糊推理采用模糊蕴含积算法,“and”运算用最小值法(min),“or”运算用最大值法(max),输出合成“Aggregation”用最大值法(max),清晰化用面积中心法(centroid)。用MATLAB编程计算得出充电器模糊控制表。

由于本充电器模糊控制器设计中,数据和模糊推理相对较少,因此,根据充电理想模型和经验,可对模糊控制规则表进行人工检查,发现不理想的控制数据后,对相应离散化的论域值重新调整隶属度函数,对相应的模糊控制规则也进行相应调整,使规则表更加符合要求,充电过程更加优化。

2.3 软件流程

软件实现是设计思路体现的过程。本充电器设计适用对象为20节串联型镉镍电池组,充电前可进行相关电池组参数选择。进入C阶段(模糊充电控制阶段)前以0.5 CA(大电流)快速充电。

充电时进入模糊控制阶段,是根据当前电压值和充电时间共同确定的。根据充电理论和实际经验,电压值大于23 V或恒流充电时间1 h时,进入模糊控制阶段。程序先根据这2个条件判断是否进入模糊控制阶段。若满足其中一个条件,进入模糊控制阶段,首次进入时充电电流为0.3 CA。单片机根据检测电池的数据,计算出电池理想的最高电压与测量得到的实际电压之差ΔV及电池在相邻2个电压采样点的变化率ΔV/Δt,再根据输入量的模糊化算法将这2个数据转化为相应的模糊量。根据模糊化的输入量查模糊控制规则表,得到下一个输出电流值,将此值清晰化后,乘相关系数即得下一个阶段输出电流值。

3 充电效果分析

图3为本充电器对电池充电曲线以及其他充电器对电池充电曲线对比图。

本文设计充电器对5 Ah、24 V(20节串联型)镉镍电池组进行充电试验时,电池组放电至截至电压20 V;原配备充电器CDQ-1型充电方式本质为脉冲-小电流恒流充电,无充电终止判定;其他充电方式主要是恒流充电和脉冲充电方式。

图3中脉冲充电电流和模糊控制充电前阶段电流均为2.5 A,CDQ-1型充电器与小电流恒流充电电流均为0.5 A,为图示清晰,曲线未重合。通过与前面理想充电曲线比较,本模糊控制充电器充电曲线实测充电曲线比其他控制方式充电曲线更为接近。充电效果与小电流恒流充电和原CDQ-1型充电器充电比较,充电时间大大缩短;与脉冲充电比较,在充电中后期能根据充电程度判断电池状态,按电池可接受状态调整充电电流,优于脉冲充电的先固定大电流充电,然后直接切换小电流涓流充电的方式。另外,在整个充电过程中,电池温度明显低于其他方式充电时的温度,显示本充电器充电的良好性能。

4 结束语

在无人机智能型模糊控制充电器控制系统设计过程中,主要侧重点是保证充电器对充电电流的最优控制,使充电电流始终处于镉镍/镍氢电池的可接受最大电流附近,一方面保护了电池,另一方面最大可能的提高了充电速度,设计中相关参数的选择也围绕着这个重点来进行。经过MATLAB模糊控制设计及参数调整、仿真和实验电路的实际测试,具有较好的充电效果,满足了实际使用的需要。

参考文献

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[4]孙增圻.智能控制理论与技术[M].北京:清华大学出版社,2004.

[5]吴晓莉,林哲辉.MATLAB辅助模糊系统设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.

智能充电器的设计方案 篇7

随着人们生活水平的提高，汽车，电动车在人们的生活中日益普遍，汽车的电瓶作为储存电能的主要设备, 如启动马达, 大灯, 雨刷器, 车载电脑等等，都离不开汽车电瓶；作为电动车的主要动力来源的铅酸蓄电池也需要不断的及时充电，才能满足日常生活的需要。

普通的汽车电瓶充电器，不能够对充电器的电流大小进行控制，往往以恒压的方式进行充电，这种充电的方式的特点是控制简单，但是在开始充电时，充电电流过大，由于待充电电池的初始电压与设定的恒压值之间电压差值较大，容易在接触端发生电火花，过大的电流容易使电池发热，使两极电解水，析出气体，影响电池的寿命。

所以在开始充电阶段，一定要加保护措施，限制电流的最大值[1]。因此，设计一种智能的汽车电瓶充电器，能够控制充电电流的大小是非常有意义的。

2、智能充电的系统结构

MSP430F169是美国TI公司生产的16位超低功耗单片机，它具有超低功耗的结构体系（0.1～400微安的额定工作电流，1.8～3.6伏的工作电压），丰富的存储器和外设，编程相对简单，良好的可扩展性。且其ADC12是高精度的12位A/D转换模块, 具有高速、通用的特点[2]。如果采用传统的微处理器8051，则需要在外部扩展A/D转换模块，电路复杂，且很难达到较高的精度。在此使用MSP430F169多功能超低功耗混合信号处理器则可以解决以上问题。其内置8通道12bit A/D，电路简单且精度高。MSP430F169内置256B Flash存储器能够方便的保存重要数据，且掉电不失。MSP430F169功耗极低，能够减小系统的电源负荷，同时也为系统的电池供电提供了可能[4]。

基于MSP430F169的智能充电器有两大部分组成，开关电源和MSP430F169控制部分。开关电源提供（10v～14v）直流电源，而单片机着对充电器的充电流和电压进行控制，充电器系统结构如图1所示：

2.1 电流和电压采样模块

电流的采样由单片机内部的12位A/DC12转换来完成。由定时器触发A/D中断, 在接通外部电路后，开始进行电流采样，电流的采样是由单片机的P6.2口读取电阻网络组成的输出回路的电压值，即通过三个电阻值为0.47欧并联电阻的电压值，除以并联部分的电阻值, 从而获得相应的电流值。将采样值装入ADC12MEM1寄存器中。为提高采样的精度, 在中断中取10次采样的结果求和，然后取平均值为最后的采样结果。

电压采样同电流采样过程大致相同，也是由定时器触发A D中断，进行多次采样求平均值，并将采样值保存在寄存器ADC12MEM0中。主要不同点在于采样电路不同。MSP430F169是通过P6.1口读取串联电阻网络中R4两端的电压值，MSP430可以使用内部、外部的参考电压，内部为0～1.5v或0～2.5v，外部为0～3.3v[2]。通过寄存器设置，选择外部采样电压的输入范围最大为0～3.3即AVss～AVcc，作为采样电压的基准电压范围，使用外部AVss～AVcc作为参考电压不够稳定，但是精度高，所以将外部采样电压的范围控制在0～3.3v之间，因为直流电源的电压范围在10v～14v, R4和R5的阻值分别为4k和16k，根据串联电路的电阻与电压的关系，可知R4两端的电压值为2v～2.8v之间，也即采样电压的范围为2v～2.8v，在控制范围之内。

2.2 电流和电压显示模块

对于保存在寄存器ADC12MEM0中的电压采样值，因为MSP430F169内部的ADC12模块是一个带有采样与保持功能的12位转换器, 采样所得结果具有12位转换精度。模块内部的参考电压选择0～2.5v之间，输入的模拟量VIN与转换数字量NADC之间的关系为：

其中内部转换参考电压的下限是VREF-的值是0，内部转换参考电压的上限VREF+的值是2.5v。在单片机内部，根据上述公式，计算出模拟值对应的数字值。然后将结果通过74HC595的8位移位寄存器保存到74HC595的存储器中，最后在数码管上进行显示。

对于保存在寄存器ADC12MEM1中的电流采样值，其处理过程原理和电压显示过程相同。

下图是数码管接口部分的电路图。

2.3 键盘控制和电流调节模块

键盘控制和电流调节采用中断的方式实现，MSP430F169可以在没有中断时进入低功耗状态，有中断时唤醒CPU，处理完中断请求后，再次进入低功耗模式，这样提高了执行效率，降低了功耗。控制电流的四个按键：key0, key1, key2, key3, 分别与P1.0, P11, P1.2, P1.3四个端口相连。通过P1端口的中断标志位，判断按下的是哪个键以进行相应的处理。Key0实现从电压和电流轮流显示，到仅显示当前电流值；key1每按键一次，电流值增加002A;key2每按键一次电流值减少0.02A;key3从调节电流大小界面返回到设置好后的显示界面。

3、充电过程

通过MSP430F169控制充电过程，本文所设计的智能充电器将电池充电过程分成四个阶段，在电池电压低于标称电压时，先以小电流进行充电；当电压达到标称值时，在以恒流对电池进行充电；当电池达到设定的电压值时，在进行恒压充电；最后以小电流浮充，当电流值低于某一小电流值时，停止对电池进行充电。

4、软件设计

软件开发在IAR Embedded Workbench c语言开发环境, 既能够在线仿真，又能够实现在线调试运行，功能强大，操作方便。软件设计的主程序包括CPU的初始化，定时器Timer A的初始化，ADC12的初始化（控制寄存器，存储寄存器，通道的选择等），充电电压的采样和显示模块，充电电流的采样和显示模块，对于快速充电阶段，可以对电流大小进行设置。程序的流程图如图4:

由单片机程序控制的智能充电器，如图上所示，分为四个阶段，根据充电过程中，电压和电流的大小能够实现对充电电流和电压的实时监测，进行预充电是为了避免传统的充电方法，开始充电时电流过大，增加密封电池的析气量；而当电池电压上升到额定值值后，采用恒流充电是实现对电池的快速充电，恒流值的大小可以手动设置，也可以按照程序默认的电流值进行充电；恒压充电是当电池快充满时，过大的电流不能是电能全部转换为化学能，而会在两极电解水，产生氢气和氧气，使电池发胀，为了避免这种情况产生，应在此充电过程中减少电流大小，最后的小电流恒压充电时为了由于单体电池间的电压不等，而会在单体间发生自放电现象，而采取的措施，这样充电以使电池充满。

4、结论

论文所设计实现的基于MSP430F169智能充电器，将充电过程分为四个阶段，在充电过程中，通过对充电电流和电压的大小实时监测，根据电流和电压值的不同而进入不同的阶段，同时在快速充电阶段用户可以自己设置电流的大小，从而可以方便的掌控充电时间。

基于MSP430F169的智能充电器，电路简单，携带方便，造价较低，有很好的市场前景。我们通过对风帆铅酸蓄电池近半年的跟踪实验，取得了很好的充电效果。

摘要：针对铅酸蓄电池充电器, 在充电过程中, 不能对电流、电压实时性监测, 交互能力和控制能力弱等问题, 设计了一种基于MSP430F169单片机能够实时显示电流、电压大小, 并且可以调节电流大小的智能充电器。这种充电器具有硬件电路简单, 功耗低等特点。

关键词：铅酸蓄电池,MSP430F169,智能充电器

参考文献

[1]何广胜.电动汽车车载智能充电器的研究[D].天津:天津大学电气与自动化工程学院, 2006.2-5

[2]李景.基于单片机控制的智能型稳压电源充电器的开发与设计[J], 电气传动自动化.2008

[3]曹卫.基于MSP430单片机的智能多功能电流测试仪[J], 仪器仪表装置.2008

智能充电器的设计方案 篇8

现代社会, 人们使用便携式设备包括手机、M P 3、数码相机等的机会越来越多, 而这些设备大部分都使用充电电池, 不同设备的充电电压、电流不同使得我们要对不同的设备电池购买不同的充电器, 造成不便和浪费。

通过该题目的实施, 可以实时采集和计算电池的参数, 根据不同的电池调整充电策略, 进行智能控制, 从而实现数字化、智能化、通用化和低功耗的特点。

1.1 本课题在国内外的发展概况及存在的问题

目前, 市场上手机充电器种类繁多, 但其中也有很多质量低劣的不合格产品。其主要问题出现在:与交流电网电源的连接, 电源端子骚扰电压, 辐射骚扰场强和充电电压几个方面。另外, 一些产品的低温性能、额定容量、放电性能、安全保护性能等方面存在质量问题。这些质量问题会影响到手机的正常使用, 还会影响手机的使用寿命, 严重时还可能伤害消费者。

2 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、采样电路、处理器、脉宽调制解调器和电池组等, 形成了一个闭环系统。

2.1 处理器

处理器采用51系列单片机AT89C51。单片机内部有两个定时器、两个中断和一个串口终端、三个八路的I/O口, 采用1 1.0592HZ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。

2.1.1 单片机AT89C51

(1) 主要性能参数。

●与MCS-51产品指令系统完全兼容

●4K字节可重复擦写Flash闪速存储器

●1000次擦写周期

●全静态操作:0HZ~24MHZ

●三级加密程序存储器

●128*8字节内部RAM

●32个可编程I/O口线

●2个16位定时/计数器

●6个中断源

●可编程串行UART通道

●低功耗空闲和掉电模式

(2) 管脚功能 (引脚图见图2) 。

VCC:供电电压;GND:接地

P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口, 每脚可吸收8TTL门电流。

P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口。

P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口:P3口即可以作通用I/O口使用, 又可以作第二功能使用。

RST:复位输入。

ALE/PROG:当访问外部存储器时, 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

/PSEN:外部程序存储器的选通信号。

/EA/VPP:当/EA保持低电平时, 则在此期间外部程序存储器 (0000H-FFFFH) , 不管是否有内部程序存储器。

XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2:来自反向振荡器的输出。

2.2 电源变换电路

电源变换电路图见图3。220V交流输入, 一端经过一个1N4007半波整流, 另一端经过一个10欧的电阻后, 由10μF电容滤波。这个1 0欧的电阻用来做保护的, 如果后面出现故障等导致过流, 那么这个电阻将被烧断, 从而避免引起更大的故障。右边的1N4007、4700pF电容、82KΩ电阻, 构成一个高压吸收电路, 当开关管13003关断时, 负责吸收线圈上的感应电压, 从而防止高压加到开关管13003上而导致击穿。13003为开关管 (完整的名应该是MJE13003) , 耐压400V, 集电极最大电流1.5A, 最大集电极功耗为14W, 用来控制原边绕组与电源之间的通、断。当原边绕组不停的通断时, 就会在开关变压器中形成变化的磁场, 从而在次级绕组中产生感应电压。

左端的510KΩ为启动电阻, 给开关管提供启动用的基极电流。13003下方的10Ω电阻为电流取样电阻, 电流经取样后变成电压 (其值为10×I) , 这电压经二极管4148后, 加至三极管C 9 4 5的基极上。当取样电压大约大于1.4V, 即开关管电流大于0.14A时, 三极管C945导通, 从而将开关管13003的基极电压拉低, 从而集电极电流减小, 这样就限制了开关的电流, 防止电流过大而烧毁 (其实这是一个恒流结构, 将开关管的最大电流限制在140mA左右) 。变压器左下方的绕组 (取样绕组) 的感应电压经整流二极管4148整流, 22uF电容滤波后形成取样电压。

为了分析方便, 我们取三极管C 9 4 5发射极一端为地。那么这取样电压就是负的 (-4 V左右) , 并且输出电压越高时, 采样电压越负。取样电压经过6.2 V稳压二极管后, 加至开关管13003的基极。当负到一定程度后, 6.2 V稳压二极管被击穿, 从而将开关13003的基极电位拉低, 这将导致开关管断开或者推迟开关的导通, 从而控制了能量输入到变压器中, 也就控制了输出电压的升高, 实现了稳压输出的功能。而下方的1KΩ电阻跟串联的2700pF电容, 则是正反馈支路, 从取样绕组中取出感应电压加到开关管的基极上, 以维持振荡。

右边的次级绕组, 经二极管R F 9 3整流, 220uF电容滤波后输出6V的电压。RF93是一个快速回复管, 例如肖特基二极管等, 因为开关电源的工作频率较高, 所以需要工作频率的二极管。这里可以用常见的1N5816、1N5817等肖特基二极管代替。同样因为频率高的原因, 变压器也必须使用高频开关变压器, 铁心一般为高频铁氧体磁芯, 具有高的电阻率, 以减小涡流。

2.3 采样部分

采样电路连接图4所示。电压和电流采样采用模/数换器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。

2.3.1 模/数转换器AD574

其主要功能特性如下:

●分辨率:1 2位

●非线性误差:小于±1/2 L B S或±1LBS

●转换速率:2 5 u s

●模拟电压输入范围:0~1 0 V和0~20V, 0~±5V和0~±10V两档四种

●电源电压:±1 5 V和5 V

●数据输出格式:1 2位/8位

●芯片工作模式:全速工作模式和单一工作模式

AD574A的引脚说明 (引脚图见图5) :

Pin1 (+V) 为+5V电源输入端

Pin2 () 为数据模式选择端, 通过此引脚可选择数据纵线是1 2位或8位输出

Pin3 () 为片选端

Pin4 (A0) 为字节地址短周期控制端。与端用来控制启动转换的方式和输出格式。须注意的是, 端TTL电平不能直接+5V或0V连接

Pin5 () 为读转换数据控制端

Pin6 (CE) 为使能端

Pin7 (V+) 为正电源输入端, 输入+15V

Pin8 (REF OUT) 为10V基准电源电压输出端

Pin9 (AGND) 为模拟地端

Pin10 (REF IN) 为基准电源电压输入端

Pin (V-) 为负电源输入端, 输入-15V电源

Pin1 (V+) 为正电源输入端, 输入+15V电源

Pin13 (10V IN) 为10V量程模拟电压输入端

Pin14 (20V IN) 为20V量程模拟电压输入端

Pin15 (DGND) 为数字地端

Pin16-Pin27 (DB0-DB11) 为12条数据总线

Pin28 (STS) 为工作状态指示信号端, 当STS=1时, 表示转换器正处于转换状态, 当STS=0时, 声明A/D转换结束

当AD574工作在单极性输入电路。当输入电压为VIN=0V--+10V时, 应从引脚“10VIN”输入。输入数字量D为无符号二进制码, 计算公式为

D=4096VIN/VFS或VIN=DVFS/4096

式中VIN为输入模拟量 (V) , VFS为满量程, 如果从“10VIN”引脚输入, VFS=10V。

2.3.2 电流传感器MAX471

MAX471采用8脚DIP封装, 具有如下特点 (MAX471的引脚排列如图6所示) 。

●内含精密的内部检测电阻 (MAX471) 。

●具有完美的高端电流检测功能。

●在工作温度范围内, 其精度为2%。

●具有双向检测指示, 可监控充电和放电状态。

●内部检测电阻和检测能力为3 A, 并联使用时还可扩大检测电流范围。

●电压范围为3V~36V;最大电源电流为100μA;关闭方式时的电流仅为5μA。

M A X 4 7 1的电流增益比已预设为500μA/A, 由于2kΩ的输出电阻 (ROUT) 可产生1V/A的转换, 因此±3A时的满度值为3V。用不同的ROUT电阻可设置不同的满度电压。

MAX471电流传感放大器的独特布局大大简化了电流监控的设计。MAX471包含两个放大器, 如图7所示。传感电流Isense通过传感电阻Rsense从RS+流向RS- (反之亦然) 。输出电流Iout流过RG1和Q1还是R G 2和Q 2取决于传感电阻中电流的方向。内部电路 (图中没有画出来) 不允许Q 1和Q 2同时打开。

以图7为例, 若传感电流Isense从RS+经精密传感电阻Rsense流向RS-, 输出端OUT通过输出电阻ROUT接地 (GND) 。此时, Q2断开, 放大器A 1工作, 输出电流Iout从Q 1的发射极流出。由于没有电流流过RG2, A1的反向输入端的电位就等于Rsense和RG2交点的电位;因A1的开环增益很大, 其正向输入端与反向输入端基本上保持同一电位。所以, A 1的正向输入端的电位也近似等于Rsense和RG2交点的电位。因此, 传感电流Isense流过Rsense所产生的压降就等于输出电流Iout流过RG1所产生的压降, 即Iout×RG1=Isense×R;Iout= (Isense×Rsense) /RG1;Vout= (Iout×Rout) = (Isense×Rsense×Rout) /RG1。

同理, 若传感电流Isense从RS-经传感电阻Rsnse流向RS+, 则可得

Vout= (Isense×Rsense×Rout) /RG2

综合上述两种情况, 可得M A X 4 7 1输出电压方程V o u t= (I s e n s e×Rsense×Rout) /RG。

其中Vout为期望的实际输出电压;Isense为所传感的实际电流;Rsense为精密传感电阻;R o u t为输出调压电阻;R G为增益电阻 (RG=RG1=RG2) 。

对于MAX471, 所设定的电流增益为:

Rsense/RG=500×106, Vout=500×106×Isense×Rout

当输出电阻Rout=2kΩ时, 在传感电流Isense允许变化范围 (-3A≤Isense≤3A) 内, 输出电压Vout的变化范围为:-3V≤Vout≤3V, 即满标电压值为3V。

特定的满标范围所对应的输出调压电阻Rout为

Rout= (Vout×RG) / (Isense×Rsense)

对于MAX471, Rout=Vout/Isense×500×10-6。

但要注意, 变化Rout时, 须保证MAX471输出电压的上限值不能超过VRS+1.5V;对于MAX472, 其输出电压的的上限值不超过Vcc-1.5V。

2.3.3 控制器

控制器采用脉宽调制 (P W M) 方式控制供电电流的大小, P W M控制电路如图8所示。P W M发生器由2 0 H Z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。P W M信号通过光电隔离驱动主回路的M O S F E T。开关管、二极管、L C电路构成开关稳压电源。用P W M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, 但母线的波纹系数相对较大。

本方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口, 在不改变PWM方波周期的前提下, 通过软件的方法调整单片机的P W M控制寄存器来调整P W M的占空比, 从而控制充电电流。

在调整充电电流前, 单片机先快速读取充电电流的大小, 然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较, 若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整P W M的占空比;若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整P W M的占空比。在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰, 合理采用算术平均法等数字滤波技术。

3 智能充电器的软件设计

3.1 程序功能

(1) 检测电池的电压, 如果低于一个阈值电压, 就要进行涓流充电。

(2) 电池充到一定电压 (一般设置为2.9 V) 时, 进行全电流充电。

(3) 当电池电压达到预置电压 (锂离子电池一般为4.2 V) 时, 开始恒压充电, 同时充电电流降低。

(4) 当电流逐渐减小到规定的值时, 充电过程结束。

3.2 单片机控制程序设计

对于不同的电池, 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。其充电控制程序流程图如图9所示。

3.3 充电终止综合控制法

3.3.1 LI电池

在恒压充电状态下不断检测充电电流。由于L I电池会随着充电的进行内阻不断上升, 所以在恒压充电阶段, 电流会随着充电的进行而不断下降。当检测到充电电流下降到恒流充电时, 认为电池已经充满, 进入浮充维护状态。同时在充电过程中, 用单片机的定时器设定定时, 时间为5小时。充电开始时启动定时器, 当计时5小时到达后电池还在恒流或恒压充电阶段, 充电器转入浮充维护状态;同样在充电过程中当电池温度超过4 0℃, 充电器也转入浮充维护状态。充电终止判别流程框图见图1 0。

3.3.2 GH/NH电池

GN/NH电池是以负 (零) 增量检测为主, 时间、温度和电压检测为辅的方式。单片机在充电过程检测有无负 (零) 增量出现, 作为判断电池已充满的正常标准, 同时判断充电时间、电池温度及端电压, 是否超过预先设定的保护值作为辅助检测手段。当电池电压超过检测门限时, 单片机会检测有无负 (零) 增量出现, 若出现△V, 则认为电池正常充满, 进入浮充维护状态;在充电过程中, 单片机会一直判断充电时间、电池温度及端电压是否己到达或超过了充电保护条件。若其中有一个条件满足, 单片机会终止现有充电方式, 进入浮充维护状态。

3.4 系统软件抗干扰措施的设计

3.4.1 利用冗余指令

当前所用单片机指令均不超过3个字节, 且多为单字节指令。单字节指令仅有操作码, 隐含操作数;双字节指令第一个字节是操作码, 第二个字节是操作数;三字节指令第一个字节是操作码, 后两个字节为操作数。C P U取指令过程是先取操作码, 后取操作数。C P U复位后, 首先取指令的操作码, 而后顺序取出操作数, 这些操作时序完全由程序计数器P C控制, 因此, 一旦P C因干扰而出现错误, 程序便脱离正常运行轨道, 出现“乱飞”。

为了使“乱飞”程序在程序区迅速纳入正轨, 应该多用单字节指令, 并在关键地方人为地插入一些单字节指令N O P, 或将有效单字节指令重写, 称之为指令冗余。

3.4.2 设置软件陷阱

所谓软件陷阱, 就是一条引导指令, 将强行捕获的程序引向一个指定的地址, 在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。若该程序段入口标一号为ERR, 则软件陷阱即为一条“LJMP ERR”指令。软件陷阱一般安排在下列地方: (1) 未使用的中断向量区。当干扰使未使用的中断开放, 并激活这些中断时, 会引起系统程序的混乱, 如果在这些地方布上陷阱, 就能及时捕捉到错误中断。 (2) 未使用的大片程序ROM区。对于剩余的大片未编程的R O M空间, 一般都维持原状。程序飞到这一区域后, 将顺流而下, 不再跳跃 (除非受到新的干扰) 。这时只要每隔一段设置一个陷阱, 就能捕捉到弹飞的程序。 (3) 程序区。程序区是由一系列执行指令构成, 不能在其间任意安排陷阱, 否则, 正常执行的程序也可能被抓走。

3.4.3 设置运行监视系统 (WDT)

利用CPU内部的WDT (看门狗) 可以实现系统的定时复位。在程序正常运行时, 每隔一段时间对W D T清零, 一旦程序运行不正常, 没有及时给W D T送清零信号, 则在W D T计数溢出时系统自动复位。

4 结语