摘　要：设计了基于单片机的智能充电器，介绍了其硬件和软件实现。该充电器可以实时采集和计算电池的参数，并进行智能控制，还可以通过串口和上位机进行通讯并进行实时

　　关键词：智能充电器 单片机 开关电源 锂离子电池

　　现代通讯设备、便携式电子产品、笔记本电脑、电动汽车、小卫星等普遍使用蓄电池作为电源，应用非常广泛。然而大多数设备中的蓄电池，只能使用专用的充电器，而且普通的充电器大多充电时间长，无法判断其充电参数和剩余的充电时间。

　　本文介绍一种基于单片机的通用智能充电器的设计。充电器可以实时采集电池的电压、电流，对充电过程进行智能控制，计算电池已充的电量和剩余的充电时间;还可以通过串口和上位机进行通讯并给用户显示必要的信息，有虚拟仪表的作用;另外，它也可以改变参数，适应各种不同电池的充电。这里列举几种不同的电池充电试验，来说明智能充电器的实用价值。

1 智能充电器的硬件设计

　　智能充电器如图1所示。主要包括电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组等，形成了一个闭环系统[4]。下面对系统的工作原理分几个部分进行简述。

图1 智能充电器电路模块图

1．1 处理器

　　处理器采用51系列单片机89C51。单片机内部有两个定时器、两个外部中断和一个串口中断、三个八路的I/O口，采用11.0592MHz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。

1．2 采样部分

　　电压和电流采样采用模/数转换器AD574。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。主要的电路连接如图2所示。

图2 采样电路

1．3 控制器

　　控制器采用脉宽调制(PWM)方式控制供电电流的大小。PWM发生器由另一个20MHz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。PWM信号通过光电隔离驱动主回路上的MOSFET。开关管、二极管、LC电路构成开关稳压电源。用PWM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，但母线的纹波系数相对较大。PWM控制电路如图3所示。

图3 PWM控制电路

2 智能充电器的软件设计

2．1 数据测量

　　在单片机的测量中，电池电压值和电流测量值经过多路选择器进行选择，然后通过A/D转换器转换为16进制数，直接存入单片机。电池电容量C则需要间接计算，由于每个循环 周期检测电流一次，故可以利用电流值的积分求出电容量C。考虑电池内阻r的影响，可以得到计算电容量的计算公式为:

　　Cn+1=Cn+I·t-I2·r·t

　　充电时间和剩余充电时间由上位机进行计算，剩余充电时间等于预设的充电时间与已充电时间的差值。其中，预设时间可根据电池的型号预先得到。

2．2 单片机控制程序设计

　　对于不同的电池和不同的参数，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。以锂离子电池为例，一般采用恒流-恒压充电方式，其充电过程包括小电流预充电、大电流充电、恒压充电等几部分。其充电控制程序流程图如图4所示。

图4 充电控制策略程序

　　在控制恒定电流和恒定电压的过程中，采用比例控制，即如果充电电流I大于设定电流Is，就按照比例减小脉宽;反之按照比例增大脉宽。单片机还需要接收和处理上位机的命令，并根据上位机的要求将数据实时回送给上位机。两者的通讯协议要在程序中预先设定。

2．3 上位机处理程序设计

　　上位机程序由VisualC++编写。其任务是每隔1秒钟向串口发送一个查询命令，并读取单片机回送的信息，提取充电电流、充电电压、工作状态等参数。参数经过数制转换和计算后进行显示。软件有着良好的用户界面，可以方便地观测电池目前的工作状态以及剩余充电时间等信息。上位机程序会同时把读到的数据存储到文件中，这些数据可以利用其它数学软件(如Matlab)进行处理。

　　另外，程序在初始化时要把充电电池的型号参数发送给智能充电器，参数一般包括充电电池的种类(锂离子电池、镍镉电池)、充电电池的容量(单位为mAh)等。根据不同的电池型号，单片机可以设定不同的充电参数，程序可以直接控制单片机的运行与停止。

3 智能充电器的应用试验

3．1充电性能试验

　　这里选用型号为US18650的SONY锂离子电池，其额定容量为1800mAh;经过测量，电池在4.2V左右时的内阻约为0.3Ω。取恒流充电电流为1/3C=0.6A，截止电压为4.2V，充电结束标志电流为0.06A，进行充电试验。图5为充电过程的电压、电流和电容量的曲线。

图5 锂离子电池充电性能试验

图6 NOKIA商用电池充电试验

　　充电时间约为240分钟，如果需要进一步缩短充电时间，只需在初始化时设定更大的充电电流即可。因为采用PWM控制器，所以电源供电的效率高，从供电电源到充电电池的工作效率，最低时在85%左右。充电电流波动较大，波动系数约为5%。

3．2 智能充电器通用性试验

　　选用NOKIA6100锂离子电池(额定容量为550mAh)，用恒流-恒压充电方式进行充电，取恒流充电电流为0.15A，截止电压为4.2V，充电曲线如图6所示。

　　从充电曲线来看，电池电压达到3.96V时就不再上升了，充电电流也不再下降了。可以判断商用电池内部有保护电路，将多余的电流旁路了，这样的保护电路使充电过程中能量损耗很大。试验曲线显示在四小时时电池电量已经达到550mAh，但实际上并没有达到满充。此实验证明，此充电器可以作为一般的商用电池的通用充电器，充电速度快，效果良好。不足的是它与实际的充电电池在机械接口上还不能匹配，需要进一步改进。

参考文献

　　1、王鸿麟. 智能快速充电器设计与制作[M].北京: 科学出版社， 1998
　　2、沙占友. 新型单片开关电源的设计与应用[M].北京:电子工业出版社， 2001
　　3、马世俊. 卫星电源技术[M]. 北京:宇航出版社， 2001
　　4、王鹏飞. 12位模/数转换器AD574在测试仪中的应用[J]. 微电子技术， 2000(6)

作者

　　1、董文博，清华大学宇航技术研究中心，邮编：100084
　　2、吴知非，清华大学宇航技术研究中心，邮编：100084