基于单片机的智能充电器的设计

2012-02-06 来源：仪表技术

1 蓄电池的特点

　　目前常用的四种化学电池是铅酸电池（PbSO4）、锂离子电池（Li＋）、镍铬电池（NiCd）和镍氢电池（NiMH）。由于环保问题和对电池的要求越来越高等综合因素，推动了新电池技术的发展。

1．1 镍铬电池和镍氢电池

　　镍铬电池的容量比镍氢电池或锂离子电池低，具有低阻抗特性，对于需要短时间大电流的应用场合很具吸引力。但镍铬电池如果未经充分放电又进行充电，或者长时间处于小电流放电状态，就会产生枝状晶体，引起“记忆效应”，从而导致电池内阻变大，容量变小，缩短了电池寿命。如果在充电前进行完全放电，使每节电池的电压降到1．0V左右，就能消除引起“记忆效应”的枝状晶体，恢复电池的性能。镍氢电池具有较高的容量，但其自放电率也较高，约为镍铬电池的二倍。在初始阶段其放电率尤高（每天放掉1％）。所以镍氢电池不宜用于需要长时间保持电池容量的场合。就充电方式而言，两种电池非常相似，都是以恒流的方式进行充电，可采用快速、标准或者涓流的方式进行充电。它们都能以超过2C（C为电池容量，单位为安培）的速率进行充电（但一般采用C／2速率）。由于存在内部损耗，充电效率一般小于100％，所以，在采用C／2的速率充电时，通常需要两个多小时才能把电池充满。充电过程中的损耗随着充电速率和电池的不同而不同。在恒流充电时，电池电压会缓慢达到峰值（ΔV／Δt变为0），镍氢电池需在这个峰值点终止快速充电，镍铬电池的充电须在峰值点后当电池电压开始下降时（ΔV／Δt变为负）即终止快速充电，否则会导致电池内压力和温度上升而损坏电池。当充电速率大于C／2时，则要监测电池的电压和温度，因为当电池快充满时，电池的温度会急剧上升。对于镍铬电池和镍氢电池，还可以采用比较简便的涓流充电，这时只会造成极小的温升，不会损坏电池，也就无需终止涓流充电或者监测电池的电压。允许的最大涓流随着电池类型和环境温度的不同而不同，典型条件下C／15较为安全。

1．2 锂离子电池

　　过去几年中，电池技术领域最突出的创新就是锂离子电池。相对于镍基电池而言，锂离子电池具有更高的容量。从容量／体积比来衡量，锂离子电池比镍氢电池高出10％～30％，从容量／质量比来看，锂离子电池比镍氢电池高出近两倍。但锂离子电池对于过充电和欠充电很敏感。要达到最大容量就必须充电到最高电压，而过高的电压和过大的充电或放电电流又会造成电池的永久性损坏。如果多次放电至过低的电压则会造成容量损失，所以，充电和放电时都须限制其电压和电流，以保护电池不受损坏。锂离子电池的充电方式不同于镍基材料的化学电池，充电时需用一个电压—电流源来进行充电。为了获得最大的充电量而又不损坏电池，须使电压保持在1％的精度内。快速充电开始时，电池的电压比较低，充电电流即为电流极限。随着充电的进行，电池电压缓慢上升，最终当每节电池达到浮空电压 4．2V时，此时即可终止充电。

2　总体设计

2．1 充电器芯片MAX846A

　　MAX846A是一种16脚QSOP封装的通用型充电控制芯片，可以单独构成锂离子电池充电器，也可以在单片机的控制下对锂离子电池和镍基电池进行充电。图1为其QSOP封装的管脚图。图中，1脚DCIN和4脚GND及15脚PGND分别为电源和地端。2脚VL端可提供3．3V，1％的电压基准。3脚CCI和5脚CCV分别为电流和电压调节回路补偿端。7脚ISET和6脚VSET分别为充电电流和电压回路设定端。8脚OFFV为电压调节回路控制端，对于镍基电池置为高电平。当VL端电压低于3V时，9脚PWROK输出低电平，可给MCU提供复位信号。10脚CELL2为锂离子电池选择端，低电平时为一节，高电平时为两节。11脚ON为充电控制端，低电平时停止充电。12脚BATT端接电池正极。13脚CS＋和14脚CS－为内部电流检测放大器输入端。16脚DRV为外部调节晶体管驱动端。

2．2 硬件设计

　　充电器硬件结构图如图2所示。整个系统以MCU为核心构成，包括电源电路、调节电路、充电与放电电路、键盘与显示电路及报警电路等环节。

　　MCU选用AT89C51，片内带4K的EEPROM，这样就无需扩展程序存储器，简化了电路设计。电源回路中，220V的交流电经变压器降为 12V，经过整流滤波变为14V左右，作为MAX846A的充电电源，另外经7805稳压后作为其他电路单元的工作电源。调节电路主要由A／D和D／A构成，用于检测电池的电压和温度及设置电池的浮空电压和充电电流。充电电路以MAX846A为中心，完成充电过程。充电过程的启停及充电方式的选择由单片机对MAX846A进行控制来实现。放电电路用以消除镍铬电池的“记忆效应”。报警电路在系统工作时给出必要的声音提示。键盘和显示电路用于设置和显示相关的参数。

2．3 充电器的功能设计

　　系统工作时通过键盘选择电池类型和充电方式，并由一位数码管显示。具体方式如下所示：

（1）镍铬电池全电流快速充电方式

（2）镍铬电池标准充电方式

（3）镍氢电池全电流快速充电方式

（4）镍氢电池标准充电方式

（5）锂离子电池快速充电方式

（6）锂离子电池标准充电方式

　　系统启动时先进行初始化，随后检查电池是否开路。如开路则LED显示0并蜂鸣提示，如正常则按照设置的充电方式进行充电。在对镍铬电池充电时，首先检测电池是否已充分放电，如单节电池电压在1．0V以上，则先进行完全放电以消除其“记忆效应”。对于镍基电池，无论采用哪一种充电方式，在充电结束后自动进入涓流充电方式，以补偿电池的自放电。锂离子电池的自放电率最低，所以无需涓流充电。在快速充电时，镍铬电池采用负斜率终止充电（ΔV／Δt小于0），镍氢电池采用零斜率终止充电（ΔV／Δt等于0），锂离子电池采用顶端截止。另外，在快速充电时，如电池电压或者温度超限以及充电时间超过三小时，系统都将停止充电并蜂鸣提示。充电结束时数码管显示P并蜂鸣提示。出于对电池寿命的考虑，在多次快充后，建议采用标准方式充电一次。

2．4 软件设计

　　系统的软件设计采用模块式结构，主要由初始化程序、充电方式设置模块、预处理模块、A／D转换模块、D／A转换模块、定时模块和显示模块等部分组成。其中，充电方式设置模块用于设置电池类型和充电方式；A／D转换模块用于检测电池的电压和温度，以确定是否终止充电过程；D／A转换模块用于设置充电电流和电压；定时模块用于确定零斜率或负斜率检测的频度以及快充的时间监测，斜率检测为每分钟一次，快充的时间限为三小时。系统程序的流程图如图3所示。