可编程电池充电器设计

刘洋，王剑

（四川大学电气信息学院，四川成都610065）

可编程电池充电器设计

刘洋，王剑

（四川大学电气信息学院，四川成都610065）

为实现对不同充电方式的可编程控制的目的，采用由BUCK电路、STC12C5A60S2单片机和上位机软件组成的可编程电池充电器设计方案。通过对通用充电器与可编程电池充电器对锂电池充电测试结果的对比分析表明，本设计能够实现恒流、恒压以及混合多段式充电，合理控制充电过程能更好的利用电池的容量。本充电器可用于研究不同电池的最佳充电方案。

BUCK电路；单片机；上位机；充电器

随着电力电子技术的飞速发展，现代各种电子设备都朝着轻量化和便携化发展。可充电电池具有性价比高、寿命长和可反复使用等特点，广泛用于便携式电子设备中。目前市面上通用的充电器功能简单，工作方式由硬件设定不可改变，单一的充电方式（恒压或恒流充电）将造成电池浮充，减小电池使用寿命。针对镍镉电池（Nicd）、镍氢电池（NiMH）和锂离子（Li）电池所具有不同的充电特性和充电过程，应采用不同的充电控制技术。文献［1-4］介绍了多种充电方式，都是按照控制充电电流和充电电压实现。

开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。与传统整流半波充电方式相比，基于开关电源技术的充电器使得充电效率大为提高。文中采用开关电源技术，设计了一台可通过上位机编程设定充电方式的电池充电器，具备完善的过流、过压保护，可针对不同类型电池编程不同充电策略，对于研究各类电池的最佳充电方式具有重要意义。

1　技术方案

通用程控电池充电器由Visual Basic上位机（VB）、STC12C5A60S2单片机和BUCK变换电路组成。图1为本设计的系统结构框图。上位机编程充电方式，选择一恒压、恒流或混合多段式充电方法，并显示来自单片机的充电信息反馈。单片机接收上位机指令进行不同充电方式切换。充电主回路有BUCK型电路构成，配合TL494芯片可实现对充电电流、充电电压有效控制。

图1　系统结构

1.1主电路设计

电池充电器的输出电压约为5 V，输入为220 V市电经220/12变比的变压器后再全波整流得到直流电压15 V供功率变换电路使用，采用LM7805得到5 V供单片机使用，采用非隔离的BUCK拓扑作为充电器的主回路，开关管选择IR9540作为开关管。当电路处于非正常工作状态时，单片机发出保护信号（protect引脚）切断BUCK电路的输入电源，实现电路保护。其电路原理如图2所示。

采用TL494作为控制芯片，TL494是一种固定频率的脉宽调制电路，具有控制简单、易于扩展的优点，被广泛地用于开关电源控制领域。TL494的外围接线如图3所示。其中FB为反馈脚，PWM为输出驱动信号。反馈信号可从电流采样电路或电压采样电路获得，电流采样经放大和跟随后得到电流反馈信号IFB，电压采样经过跟随后得到电压反馈信号VFB。

图2　BUCK主电路

图3　PWM控制电路

电路选取不同的反馈量（IFB或VFB），可实现不同的控制目的。电流反馈适用于恒流控制，电压反馈适用于恒压控制。单片机可通过对FB_Control的控制实现电池不同充电方式的切换。恒压控制与恒流控制的电路如图4所示。

1.2程控设计

上位机软件采用VB程序语言编写。VB拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，可以轻松的使用VB提供的组件快速建立一个应用程序。本设计的上位机调用VB串口组件实现与单片机通信。上位机功能包括1）设定充电电流、充电电压以及充电时间，由此可组合为不同充电方式；2）设定过流过压保护动作值；3）显示充电电流和充电电压。

采用STC12C5A60S2单片机，该单片机属于增强型1T单片机，具备双串口，P1接口自带8路10位精度的模数转换器，使得本设计无需额外的AD转换芯片，简化设计，单片机电路如图5所示。单片机硬件部分主要包括最小系统、MAX232串口电路以及DA转换，其中DA转换芯片采用TLV5616，分别输出电流设定量Iset和电压设定量Vset。单片机用于接收上位机的数据控制开关电源输出，并且检测负载的电流、电压，上传数据到上位机，程序流程图如图6所示。

图4　恒流恒压切换电路

2　测试

文中设计的程控电池充电器采用多段式恒流恒压充电法［5-7］。充电过程分为以下3个阶段：1）充电时先采用涓流充电，即充电器以恒定的小电流对电池进行充电，随着充电的进行，电池两端电压逐渐升高；2）当电池电压大于设定的电压时，充电状态切换到恒流充电，电池电压继续升高，本阶段恒定电流的大小决定电池充电的快慢；3）在恒流充电过程中，当电池电压大于设定的电压时，充电状态切换到恒压充电，当充电电流小于设定电流时，判断为电池充满，充电过程结束。

为使充电器简洁、方便使用，设计了充电器面板，另外在面板上添加了液晶LCD1602，方便观察两通道电流、电压值。图7为本设计的通用程控电池充电器实物，图8为上位机界面。

采用标准充电器（型号为UltraFire神火18650型充电器）和本文设计的程控充电器对电池充电，通过对比电池充电结束后的容量来验证程控充电器的工作情况，并观察程控充电器对锂电池的充电效果。

选用电池型号为Delipow德力普2 800 mAh锂电池，UltraFire神火BCR18650型3 000 mAh锂电池。测试开始前分别用KL283电池容量计对电池彻底放电。软件设定充电电流分别为慢充（0.5 A）和快充（1.0 A），过流设定1.1 A，过压设定4.6 V，涓流充电电流为20 mA，恒流充电时切换电压为2.8 V，恒压充电时切换电压为电压为4.2 V，恒压充电时充电电流小于5 mA认为充电结束。充电完成后取下电池静置半小时，再用KL283电池容量计测试实际的电池容量。测试的结果如表。

图5　单片机电路

图6　单片机程序流程图

图7　通用程控电池充电器实物

图8　上位机界面

表1　1A电流充电结果

表2　0.5A电流充电结果

从表1、表2可以看出：1）程控充电器能够完成涓流、恒流、恒压3个充电阶段对锂电池的充电；2）使用慢充方式与快充方式相比，程控充电器慢充方式能对电池充更多电量；3）快、慢两种方式充电量比标准型充电器充电量多5%-10%。

3　结束语

文中设计的的通用程控电池充电器，采用了单片机与开关电源技术，能够方便对输出的电流和电压控制，通过控制充电方式和充电时间能较好的实现预充、快充、慢充三个阶段。针对不同类型的电池具有不同充电方式的问题，通过上位机软件设定相应充电策略和参数即可解决。实际对锂电池充电测试表明，程控充电器与通用的锂电池充电器相比，程控充电器能更稳定、高效地对电池充电，具有充电电池种类多、程控方便的特点，可用于研究充电电池的最佳充电方式。

［1］刘汉雨.锂离子电池充电方法及寿命预测研究［D］.北京：北京工业大学，2014.

［2］Li J，Murphy E，Winnick J.The effects of pulse charging on cycling characteristics of commercial lithium-ion batteries［J］. PowerSources，2001（102）:302-309.

［3］姚和平.锂离子电池充电器设计［D］.西安：西安电子科技大学，2008.

［4］PHL Notten.Boostcharging Li-ion batteries:A challenging new chargingconcept［J］.PowerSources，2005（145）:89-94.

［5］Zeng X J，Singh M G.A Relationship Between Membership Function and Approximation Accuracy in Fuzzy System［J］. IEEE Trans on Systems Man and Cybernetics，1999:31-36.

［6］Lin C W，Yen S C.The Application of Pulse Charge for Secondary Lithium Battery［C］.212thECS Meeting，2008，11（29）:55-62.

［7］徐磊.动力锂电池充电技术研究［D］.太原：太原科技大学，2014.

Design of a programmable battery charger

LIU Yang，WANG Jian
（School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

In this paper，in order to operate at different charging modes by programmable controlling，the design of a programmable battery charger including BUCK converter，STC12C5A60S2 MCU and computer software，was proposed.The charging test of lithium battery show that the charger has a great charging performance in constant current，constant voltage and multistage modes.Moreover，its capacity can be largely improved by controlling the charging process reasonably and this charger can also be used to study the optimal charging strategy of different batteries.

BUCK converter；MCU；computer software；battery charger

TN709

A

1674－6236（2016）12-0128-03

2015-06-19稿件编号：201506195

刘洋（1993—），女，黑龙江黑河人。研究方向：电气工程及其自动化。