一種基于單片機的智能充電器的設計與實現

黃福明

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

關鍵詞 單片機；鉛酸蓄電池；智能充電

中圖分類號 TM91 文獻標識碼 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的充電模式。理論和實踐表明，浮充電、均衡充電、預充電、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基礎的智能型快速充電器開發。

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，其原理為使電池在充電過程中能夠適應電流的動態變化，核心是引入了du/dt技術。

本文以傳統充電方法作為基礎，然后利用預充電的過程來對電池的初始狀態進行判斷，接著通過PWM軟件控制技術，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）預充電過程。對于一個在很長的時間內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充電的過程，具體實現方法是：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值容量來確定的。電池的起始狀態和電池的容量往往影響到充電時間，在一段相當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，實現方法是提高對應的輸出PWM波的占空比，這樣可以在短時間內對電池填充具有相對大的量。當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，當電池的電壓達到涓流充電標準，即達到一定的充電電壓標準時候，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、會根據采樣到的充電數據以及事先設定的程序來決定何時加入停止充電過程。

2智能充電設計

系統包含單片機模塊、電壓/電流采集模塊、電源模塊、充電模塊以及顯示模塊。

1）主充電源電路設計。本文充電電路采用BUCK充電主電路，在PWM控制的信號中，當高電平脈沖出現時，MOSFET導通，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管驅動電路。該電路的功能是將PWM波變成能夠直接驅動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變幻來獲得直流穩壓電壓。這樣就可以讓MOS管也工作在脈沖開關的狀態下，此時只需要對輸出的PWM的占空比進行控制就能夠控制MOS管的導通時間長短，進而實現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。本系統中設計了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驅動芯片我們選用74LS47BCD顯示譯碼器。利用74LS47的解碼功能，在數碼管上直接顯示數字，進而簡化了程序，節約了單片機的10開銷。按鍵電路的實現只設計了4個獨立按鍵，分別代表充電時間，充電電壓，充電狀態，充電開始。

3軟件設計主程序

本文系統主程序主要是利用電壓電流檢測電路獲得的電壓，電流等相關采樣數據，據此確定電池具體的工作狀態，然后采取相應的方式（PWM占空比）來控制程序的執行，實現四種充電模式的合理控制，能夠實時顯示按鍵部分傳遞過來的信息功能。

具體實現過程：一開始進行初始化后，系統開始工作，首先根據采樣到的電壓電流的大小決定要進入預充電還是大電流充電。判斷的依據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，則系統進入預充電狀態，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。與此同時系統繼續進行電池電壓的檢測，并跟門限電壓（15V）比較，當電池充電電壓已經達到到門限電壓的90%左右，即13.5V時，結束大電流充電，轉入均衡充電狀態，以小的均衡充電電流給電池充電。

4智能充電實現

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的跟蹤測試，得到充電過程圖，從結果上看，充電器一開始時處于預充電狀態，隨著預充電的進行，當電池電壓達到接近10V左右，立即轉換到大電流充電狀態。經過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，當電池容量達到100%時，充電結束，充電過程進入涓流充電過程。從測試結果看，整個充電過程能夠按照事先設定的4個充電狀態進行，符合充電要求。