智能充电器的设计与实现

    韩一平+张明

    

    

    

    摘 要：随着越来越缺乏能源和空气污染的加剧，目前新的研究越来越重视交通电动汽车，作为电动车的核心部件：电池和充电器，其性能的好坏，直接影响到电动车的质量状况，由此可得，研究性能良好的智能充电器，会给经济和社会带来显著的和良好的效益。

    关键词：能源 污染 智能充电器

    智能充电原理

    图1 智能充电曲线

    至今电池充电方法中较为先进的是智能充电，它的原理是充电曲线动态变化，使它可充电中能被电池接受。du/dt 技术的引入，蓄电池可以根据充电的参数自动判断当它在充电过程中状态，如图1，使充电的电流的充电曲线一直处于在蓄电池可接受的动态变化，如果电池在充电状态下析出少量气体，电池就可以受到保护。

    充电过程分析

    本课题是在三阶段充电的基础上，加上了预充电判断电池初始状态并结合PWM软件控制法，可以在多个阶段的充电控制。具体的充电过程为：预充电、大电流充电、均衡充电和涓流充电。

    预充电：快速充电一开始就对长一段时间没有使用电池的或新电池充电使用，会对影响电池的使用时间，所以，预充电的过程是，首先对电池充电用小电流，待充电到某一充电状态。

    大电流充电：在这种模式下充电器是最大电池所承受的电流给电池进行充电，最大电流和电池容量有一定的关系，往往是和电池的数值容量有关系。

    均衡充电：当大电流充电阶段结束时，还需要把不超过补充充电率0.3 C补足，因为电池并不是完全充满，因为大电流充电之后，会增加自身电压，所以需要补足此时的电压。

    涓流充电：根据电池的断电压判断应电池处于哪一阶段。当单片机的检测到电压比较低的时，就进入大电流快速充电，相对应的控制输出按输出相对的占空比脉冲波，在相对短的时间对电池，填充有相对大的量，而不会损坏电池。当电池的电压上升到预定值时，这时候就达到涓流充电标准，在这个情况下，用对以较小的电流对电池充电。

    硬件设计与实现

    1、总体设计要求和方案

    基本功能：①通过AD0809芯片转换输出，之后通过软件编程PWM控制MOS管输出迫性，实现一个PWM占空比控制的开关电源。②通过检测电路采集到的电池两端的电压，经过AD转换，送给单片机，并通过单片机的处理根据采集到的充电信息控制不同充电阶段。③可以通过按键实时显示检测电池的充电时间、电流、电压和充电电量。

    系统的方框图如图2：

    图2 系统原理方框图

    2、单片机部分

    单片机选用可编程Flash存储器大小是8K，微控制器是高性能CMOS8位由STC公司生产的一种低功耗的STC89C52芯片。在一个单芯片内有一个系统可编程闪存，该单片机灵活度极高，可以为许多嵌入式产品的应用提供解决的途径。

    STC89C52RC单片机里面具有8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 接口，MAX810复位电路，，3个16 位/计数器，内置4KB EEPROM，一个7向量4级中断结构，全双工，4个外部中断。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

    3、主充电源电路设计

    12V电源稳压接头作为直流电源在左边接入电路，电感L、电容器C3、二极管D和场效应管（MOSFET）构成BUCK电路。在工作过程中，在工作过程中，当高电平脉冲的PWM控制信号出现，则场效应管的传导，电感L电流增加，电容C3充电，降压转换器的能量连续存起来，电池充电在电感L2通过时，反向偏压二极管截止了续流。持续时间之后的高电平脉冲的PWM变为低信号，场效应管截止，电感L电流在下降，二极管导通是电动势的原因，存储电荷的L和C3给电池充电。在PWM信号的持续时间，PWM信号和一个高电平脉冲的低电平到达再次使MOSFET的导通。上述过程重复发生。电感LZ的作用是平滑充电电流。

    4、MOS管驱动放大电路

    驱动电路功能是控制发送到电压信号的PWM波电路可以直接驱动 MOSFET（场场效应管）。本课题直接采用一个三极管放大电路。

    单片机输出的PMW信号经过三极管的放大电路，输出比较大的反相脉冲信号。场效应管的栅极上管源极接地，漏极接地经过AC-DC变换而来的直流稳压电压。这样MOS管也工作在脉冲开关状态。控制充电电压的方式中，是通过单片机PWM输出的占空比变化，控制MOS管的导通时间控制间接的。

    5、A/D转换电路

    5.1 ADC0809的结构

    ADC0809是能将模拟信号转换为数字信号的一种8路模拟输入8位数字输出的A/D转换器件。其内部为树形开关和多个比较器。其将256等分参考电压U，然后通过比较器得出数字信号。单5v供电，输出电压为0～5v范围的TTL标准电压，与微处理器的兼容性好，输出为三态（高电平、低电平、高阻态）。

    5.2 ADC0809与系统的连接

    MCU的ALE经74LS375D触发器分频，送给时钟CLOCK。单片机中WR和REST结合TXD，ADC通过或非门控制的数据读取。转换结束标志位送给P3.2。结合软件控制便可实现对输入电压的转换结果并读取转换结果，之后针对数据进行处理。

    系统软件测试

    系统上电后，程序初始化，系统开始工作，判断电池端电压的大小，由端电压的大小决定进入涓流充电还是大电流充电。阈值电压的10.2V如果大于它检测到该电池的端时，系统的状态处于预充电，这时候对电池的充电要用比较小的电流；如果电池电压在已经超过检测系统，直接进入大电流充电状态，跳过判断预充电状态，同时系统继续检测电池端电压，当检测到电池端电压超过最大门限电压15V时，电池充电容量已经恢复到90%左右，此时大电流充电状态结束，系统转入均衡充电状态，以小的均衡充电电流给电池充电。在过充电状态下，减少电池与过度充电终端电压，当系统检测到下降到13.5V的蓄电池端电时，电池容量已经达到100%，表示充电过程结束，同时自动转入浮充电状态，以较小电流给电池维持充电，让电池容量一直保持在满值状态。系统软件的主控程序流程如图3：

    图 3 系统主程序方框图

    智能充电器的测试

    1、系统软件测试

    系统软件的调试在KEIL4 MDK编译器的界面上进行。边调试边修改，方便简单易于掌握。

    1.1 预充电

    充电各阶段的电压、PWM波形和电压波形如下，实际电压值U=9.82V.对应波形图如图4：

    图 4 预充电波形图

    1.2 大电流充电

    U=12.16，D=90%。对应波形如图5

    图5 大电流充电波形

    1.3 均衡充电

    U=15.14V .D=20%。对应波形图如图6：

    图 6 均衡充电波形图

    1.4 涓流充电

    U =14.22V，D=4%。如图7：

    图 7 涓流充电波形图

    2、充电过程电压波形

    实验电路是对一组12V/1.3Ah的密封铅蓄电池进行充电，充电器充电起始是在预充电状态，蓄电池电压攀升到接近10V左右，马上转换到大电流充电状态。峰值点的电压转换由高阻抗的电池是内部生成的。经过2小时后，电池充满到容量的90%，充电过程切换到过充电状态，当电池容量达到100%时，充电结束，充电过程进入浮充状态。从测试结果看，整个充电过程的发展都是按设定的四个充电状态进行，符合充电要求。

    参考文献：

    [1] 胡大友.快速充电基本模式与停充控制方式[J].电气时代，2010，（7）：10-20.

    [2] 王瑞凤.基于单片机的智能充电器设计[D].天津：天津工业大学，2009.

    [3] 宋庆阳.汽车铅蓄电池充电方法的分析与探究[J]：内燃机，2010，（3）：2-6.

    （作者单位：武汉理工大学华夏学院）