根據(jù)鋰電池的原理及特點(diǎn)確定正確的充電模式，利用微控制器對(duì)鋰電池包的整個(gè)充電過程進(jìn)行智能化管理，在充電過程中實(shí)時(shí)采集充電電流、電壓及溫度信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整充電電流。核心是智能控制系統(tǒng)和功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，同時(shí)兼具智能報(bào)警、溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、充電保護(hù)等多種功能。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的智能充電器安全可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景。

鋰電池因其具有體積小、容量大等特點(diǎn)，在便攜設(shè)備領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于鋰電池的能量密度較高，難以控制其安全性，過充、過放、溫度不適宜都會(huì)影響充電的安全及電池的壽命因而要求充電器具有合理的充電模式及溫度調(diào)整系統(tǒng)。不恰當(dāng)?shù)某潆娔Ｊ綍?huì)影響鋰電池的壽命，嚴(yán)重的會(huì)引起爆炸，因此鋰電池的正確充電至關(guān)重要。傳統(tǒng)充電器往往采用全模擬控制電路，無法保證充電過程的安全、準(zhǔn)確。

本文給出一種基于單片機(jī)控制的鋰電池智能充電器，專門用于5節(jié)鋰電池串聯(lián)的電池包充電。所設(shè)計(jì)的充電器具有低功耗、低成本、快速安全的特點(diǎn)，可有效避免傳統(tǒng)充電器的充電隱患，提高鋰電池的使用壽命。

充電器主要包括功率轉(zhuǎn)換模塊和智能控制模塊。

功率轉(zhuǎn)換模塊是將交流市電經(jīng)過整流濾波轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)過pWM式DC－DC變換器，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)電壓的輸出。智能控制模塊以單片機(jī)為核心，通過對(duì)充電電壓、電流及溫度的采集，根據(jù)單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置的控制算法及外圍調(diào)整電路，動(dòng)態(tài)調(diào)整pWM調(diào)節(jié)器輸出的占空波形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電壓的智能管理。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

充電器電源主電路采用正激式，包括濾波整流電路、pWM變換器、輸出電路，如圖2所示。電源進(jìn)線端的Ｒ、C、L是為了濾除電網(wǎng)的干擾。充電器接通電源時(shí)，電容吸收紋波，平滑電壓波形。充電器僅在市電正弦半波瞬時(shí)值大于電容直流電壓時(shí)充電，且充電頻率是低頻的，放電頻率是高頻的，因此輸入電流有效值I比負(fù)載電流I0大，即有

I=1.12I0

電容器的選擇需要考慮其波紋電壓和耐壓的要求。扼流圈L用于平滑電流，流過電感的電流必須是連續(xù)的，否則會(huì)產(chǎn)生較大的電壓尖峰波。為承受電路中有可能竄入的浪涌電壓，在整流電路后加一個(gè)熱敏電阻NTC，有效防止電網(wǎng)干擾電壓對(duì)電路造成的損害。變換器中的功率開關(guān)元件采用MOS管，因其較雙極型晶體管動(dòng)作快，頻率高，且不存在二次擊穿。由于輸出功率比較大，在輸出電路中加入LC濾波器以減小紋波電壓。但LC濾波器會(huì)影響變換器工作，因此采用Ｒ3、C5構(gòu)成阻尼電路，增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性。

圖2電源電路

反饋控制電路主要包括單片機(jī)、檢測(cè)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、顯示電路等。整個(gè)反饋回路采用電壓－電流雙環(huán)控制，提高系統(tǒng)的精準(zhǔn)性。檢測(cè)電路包括電流、電壓和溫度的檢測(cè)。采樣電流與采樣電阻Ｒ5兩端的壓降成比例，其一路輸入電流環(huán)，使充電電流穩(wěn)定;另一路通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入到單片機(jī)，控制電流環(huán)和電壓環(huán)的工作以及非正常充電情況下的報(bào)警。采樣電壓Vout經(jīng)過一次分壓后輸入比較器的正向端，控制恒壓充電過程中充電電壓恒定以及充電電流遞減。Vout經(jīng)過二次分壓后輸入單片機(jī)，作為充放電控制以及報(bào)警電路工作的依據(jù)。鑒于鋰電池對(duì)溫度比較敏感，將采樣溫度經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)，單片機(jī)通過內(nèi)部控制算法，自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流大小，直到溫度恢復(fù)正常范圍。若溫度超過預(yù)設(shè)范圍，單片機(jī)會(huì)關(guān)斷充電電路，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，確保充電安全。

pWM調(diào)制電路主要由光電耦合器和pWM調(diào)制器組成。由于變換器功率主回路進(jìn)線與市電網(wǎng)連接，電壓高，而輸出回路與控制回路多由低壓電子元器件組成，為了人身和低壓元器件的安全，功率主回路與輸出回路利用光耦元件進(jìn)行電氣隔離。光耦元件輸入輸出側(cè)的電流關(guān)系為

IC=h·IF（2）

其中，Ic為輸出電流;h為光電耦合轉(zhuǎn)換系數(shù)。由圖4所示，光耦元件輸出與控制電壓成比例的輸出電壓Uout

Uout=IC·Ｒ9=h·Ｒ9·IF

選用電流控制型脈寬調(diào)制器UC3842B，其是按反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬調(diào)制器的輸入端直接用流過電感線圈電流的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于此款型號(hào)調(diào)制器的電壓Vs波動(dòng)立即反映在電感電流的變化，所以其容易達(dá)到0.01%/V的調(diào)整率。結(jié)構(gòu)上采用電流環(huán)電壓環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也提高了電壓調(diào)整率、電流調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)。

圖3單片機(jī)控制電路

圖4脈寬調(diào)制電路

根據(jù)鋰電池的充放電特點(diǎn)，將鋰電池的充電過程

分為恒流快充階段和恒壓階段。當(dāng)鋰電池初始電壓過低時(shí)，需要先用小電流對(duì)過放的電池進(jìn)行預(yù)充電，可有效減少過放對(duì)電池造成的損傷。

通過對(duì)電池電壓、充電電流以及溫度進(jìn)行檢測(cè)，利用軟件實(shí)現(xiàn)充電過程的轉(zhuǎn)換以及報(bào)警，確保鋰電池可以正常充電。在電池接入充電電路后，系統(tǒng)根據(jù)電池電壓選擇充電方式，當(dāng)單節(jié)電池電壓＜2.5V時(shí)，先對(duì)其進(jìn)行預(yù)充。對(duì)于5節(jié)鋰電池串聯(lián)的電池包，其閾值電壓則為12.5V。一旦結(jié)束預(yù)充電即進(jìn)入快充階段，此時(shí)電池電壓會(huì)快速上升，當(dāng)檢測(cè)到電壓＞20.5V時(shí)，進(jìn)入恒壓充電階段。充電電流開始下降，當(dāng)電流＜200mA時(shí)，充電結(jié)束。整個(gè)充電過程中系統(tǒng)會(huì)通過電池電壓以及溫度變化調(diào)節(jié)充電電流，使充電過程按照預(yù)定模式進(jìn)行。充電程序流程圖如圖5所示。

圖5程序流程圖

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)智能充電器的性能，對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電試驗(yàn)，圖6為常溫下充電電壓和電流曲線。

從圖6中可看到，電池電壓初始值大于12.5V，首先進(jìn)入恒流快充階段，電流約保持在3A，電池電壓快速上升。當(dāng)電池電壓達(dá)到20.5V時(shí)，進(jìn)入恒壓充電階段，電池兩端電壓緩慢上升到約20.7V，然后維持不變，充電電流快速下降，直到為0A，充電結(jié)束。整個(gè)充電過程耗時(shí)約為55min。

由于鋰電池對(duì)溫度及其敏感，為保證充電過程的安全可靠，在充電過程中實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度信息反饋給單片機(jī)，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流。圖7為充電電流隨溫度變化曲線。

圖7充電電流隨溫度變化曲線

如圖7所示，當(dāng)環(huán)境溫度低于10時(shí)，充電電流約為0.15A，當(dāng)溫度恢復(fù)至正常溫度時(shí)（常溫設(shè)置在10～45），充電電流回升到3A。當(dāng)溫度在45～60時(shí)，電流降低到約0.16A，此時(shí)，若溫度恢復(fù)到正常值范圍，電流仍可回升到3A。當(dāng)溫度高于60時(shí)，電流直接降為0A且不再回升。綜合測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)充電器安全、穩(wěn)定、省時(shí)，符合最佳充電性能要求。

設(shè)計(jì)了一款智能鋰電池充電器，采用雙環(huán)控制的方式，利用單片機(jī)對(duì)充電過程進(jìn)行智能化管理，通過軟件編程動(dòng)態(tài)調(diào)整充電電流。給出了軟件設(shè)計(jì)和硬件電路的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)電池包進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證充電器的性能。實(shí)驗(yàn)表明，該充電器安全、穩(wěn)定、省時(shí)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。