基于NCP1207的智能锂电池充电器设计

徐 进，李 围，赵 胜，聂 巍



基于NCP1207的智能锂电池充电器设计

徐 进，李 围，赵 胜，聂 巍

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

针对锂电池充电的安全性和可靠性需求，本文提出了一种基于NCP1207和PIC12F615单片机结合的智能锂电池组充电器设计方案，详细介绍了充电器的系统结构，硬件设计和软件设计。实验表明，该充电器能够满足设计指标，具备安全性和高效性。

锂电池 NCP1207 智能 充电器

0 引言

当前，锂电池具有能量密度高、使用周期长、自放电率低等特点，被广泛应用于通信、医疗电子和军事等领域的移动便携式设备上[1]。但是，由于锂电池自身材料的特殊性，对与之相匹配充电器的要求十分严格。使用不合适的充电器，都可能对电池的寿命和设备的性能造成影响，甚至还会引发安全问题[2]。

本文提出一种基于电流模式控制器NCP1207和PIC12F615单片机的智能锂电池充电器，适用于4节锂电池串联的锂电池组充电，可实现了对锂电池组充电电压、电流的高精度控制，并对锂电池组进行分阶段快速充电，可有效避免传统充电器的充电隐患，实现电路简单，成本较低，充电耗时短，对电池损坏小。

1 系统结构

充电器主要由开关电源电路部分和智能控制电路部分组成。系统总体设计框图如图1所示。开关电源电路部分先将交流市电通过隔离变压器和整流桥电路进行AC/DC降压转换和整流滤波，再采用反激式DC/DC变换器，进行降压转换[3]。智能控制电路部分主要以PIC12F615单片机和NCP1207准谐振式PWM电流模式控制器为核心，实时采集监测电压、电流和温度，并根据软件控制算法，控制反激电路，输出相对应的充电电压和电流。在整个充电控制过程中，单片机则根据实时采集的数据，利用保护电路及控制算法，对充电器进行过流和过温等保护。

2 硬件设计

充电器硬件部分主要包括电源主电路、PWM调制电路及以PIC12F615单片机为核心的反馈控制电路[4]。

2.1 电源主电路

充电器电源主电路采用反激式，包括整流滤波电路、DC/DC变换和输出滤波电路[5]，如图2所示。市电的输入具有不稳定性及干扰性，而充电器电路中有高频开关，对电磁兼容性有较高要求，因此需要对整个电源电路设计进行严格的电磁兼容处理。

1)对AC输入端进行处理：

a)采用两级的共模电感LF1和LF2抑制共模干扰，并用一个CX1电容处理差模信号，同时由这三个元器件组成π型滤波，更能有效的处理干扰。

b)采用安规Y电容CY1，CY2对PE耦合，主要抑制共模干扰。

c)采用两个压敏元器件MOV1、MOV2，能更好的吸收浪涌突波。

d)采用热敏电阻NTC，抑制浪涌电流。

2)在处理变压器伏秒平衡的RCD吸收部分加入电阻R5，R6，能够有效处理高频谐波信号尖峰。在变压器输出部分采用R21，C23组成RC吸收，有效抑制反向恢复造成的尖峰信号。

3)在电路输出端放置共模电感L1，既有处理纹波功能，同时还抑制高频谐波。并与C21，C22组成π型滤波，能够更好的减小纹波电压。

4)对变压器进行处理，需将经验与理论结合，

采用更合理的绕制工艺和参数，减少由于变压器设计不合理产生造成的严重干扰信号。

2.2 PWM调制电路

PWM 调制电路主要由光电耦合器PC817和PWM调制器NCP1207组成。NCP1207是一款带准谐振开关电路的PWM调制电流模式控制芯片，专用于反激式开关电源的设计，能有效降低能耗，减少元件数量，减小电磁辐射EMI，并改善效率[6]。其中，NCP1207的DMG引脚具有退磁检测，以确保变压器辅助绕组工作在反激变换式断续导通型边缘，准谐振状态，这样可使功率MOS管Q1工作于零电压开关的软开关状态，无开关损耗。

FB引脚直接与光电耦合器PC817连接，通过对峰值电流的设置来控制输出功率。CS引脚具有电流检测与跳跃周期模式设置功能，可检测变压器初级电流，还可以通过外接电阻设置跳跃周期模式的动作点。

NCP1207芯片的供电采用动态自供电方式DSS，HV引脚直接连接到直流母线高压侧，电流经内部恒流源，给Vcc引脚的旁路电容充电，当充电电压达到12V时，控制NCP1207开始工作，DRV引脚输出驱动脉冲，驱动外部功率MOS管Q1，输出PWM。

2.3 反馈控制电路

反馈控制电路主要包括PIC12F615单片机、采样电路和保护电路。PIC12F615单片机为8引脚8位CMOS闪存单片机，拥有5个I/O引脚，内置A/D转换器，低功耗，易操作。采样电路包括电流、电压和温度的采集。采样电路与单片机的A/D口连接，单片机检测采集的数据，对异常状态进行判断，并控制保护电路进行保护。整个反馈回路主要采用电压-电流双环控制，既保证了恒流充电过程中充电电流的稳定，又可控制恒压充电过程中充电电压恒定以及充电电流递减[7]。图4为电压-电流双环控制电路，其中由TL431向电压环比较器LM258的负向端提供2.5V精准电压。图5为温度采集电路。由于锂电池材料的特殊性，需要对温度进行重点检测对象，若温度超过60℃，单片机会发出报警信号，闪烁红灯，并迅速关断充电电路，确保充电安全。

图4 电压-电流双环控制电路

图5 温度采集电路

3 软件设计

根据锂电池的充放电特性，将锂电池组的充电过程分为涓流预充电阶段、快速恒流充电阶段和恒压充电阶段。充电器上电启动后，红灯亮，并自动检测锂电池组电压。当锂电池组电压V1处于V1＜1V或者V1≥16.8 V时，充电器无输出，红灯变绿灯，判断为无接入或已充满状态；当锂电池组电压V1处于12 V>V1≥1V时，充电器无输出，红灯闪烁，判断为电池故障，需更换电池；当锂电池组电压V1处于16.8 V>V1≥12 V时，充电器进入正常充电模式，根据检测的锂电池组电压，进入对应的充电阶段。图7为充电器工作流程图。

1）涓流预充电阶段：锂电池组电压V1处于12.8 V>V1≥12 V时，锂电池单体电压低于3.2 V，需进入涓流预充电阶段，以0.1C的小电流对锂电池组进行缓慢充电，此阶段主要目的是弥补电池组过放造成的损害，减小单体电池间的电压差异，增强电池组的一致性，可提高充电过程的安全性及电池的使用寿命。

2）快速恒流充电阶段：锂电池组电压V1处于16.6 V>V1≥12.8 V时，锂电池组进入快速恒流充电阶段，充电电流为0.5 C，可使电池电量快速提升，在较短的时间内，接近满电状态，该阶段大大缩短了充电时间。低电量状态的锂电池组可在5小时内达到满电状态。

3）恒压充电阶段：锂电池组电压V1处于16.8 V>V1≥16.6 V时，锂电池组进入恒压充电阶段，随着锂电池组电压的升高，充电电流逐渐减小，当充电电流I≤100 mA时，充电截止，电池处于满电状态。该阶段电池电量提升缓慢，却可保障锂电池组饱和充电及充电过程的安全性。

图6 异常状态处理框图

在锂电池组充电过程中，需设置一些异常状态处理措施，比如短路保护，过流保护，电压电流突降异常保护，过温保护等等，如图6所示。

4 实验结果

为了验证所设计智能锂电池充电器的性能，在常温条件下，对锂电池组进行充电实验。图8为锂电池充电曲线，记录了充电过程中电压和电流的变化。

从图8中，可看出锂电池组初始电压大于12.8 V，直接进入快速恒流充电阶段，充电电流一直稳定在1.2 A，电池组电压快速上升。

当电池组电压升至16.6 V时，进入恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，电池组电压上升十分缓慢，当充电电流降至100 mA时，充电截止，电流变为0 A，电池组电压为16.8 V，充电结束。整个充电过程耗时约4.3 h。

图7 充电器工作流程图

5 结束语

本文提出一种基于NCP1207和PIC12F615单片机结合的智能锂电池充电器，硬件部分详细介绍了电源主电路的电磁兼容设计和控制部分的电路设计，软件部分主要介绍了充电流程和异常状态的处理。通过实验表明，该充电器电路简单可靠，充电安全省时，符合锂电池充电器的设计指标和性能要求，具有广阔的市场应用前景。

[1] 毛国龙. 锂离子动力电池发展现状及应用前景[J]. 中国电子商情：基础电子，2009，(8): 14-14.

[2] 胡信国，杨春巍. 动力锂离子电池安全问题及其解决方案[J]. 电动自行车，2008，(11): 26-30.

[3] 俞炜平，林国庆. 基于PIC单片机的智能充电器的设计与实现[J]. 电源世界，2012，(3): 33-35.

[4] 季莉莉，李烨，蒋兆林，张玮昌. 锂电池智能充电器的设计[J]. 电子科技，2016，29(2)：159-162.

[5] 杨恒. 开关电源典型设计实例精选[M]. 北京：中国电力出版社，2007.

[6] 丁泳鑫，丁秀华，龚春英. 基于NCP1207与UC3844的双管反激变换器比较[J]. 电力电子技术，2009，43(7)：20-22.

[7] 杨镇遥，胡越黎，杨文荣. 一种锂电池充电电路的设计[J]. 电子技术与软件工程，2014，(24)：91-93.

Design of Intelligent Lithium Batteries Charger with NCP1207

Xu Jin，Li Wei，Zhao Sheng，Nie Wei

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

According to the safety and reliability requirements for lithium battery charging, this paper puts forward a design plan of the intelligent lithium battery pack charger with NCP1207 and PIC12F615 microcontroller. The system structure, hardware design and software design of the charger are introduced in detail in this paper. The experimental results show that the charger can meet the design specifications with safety and efficiency.

lithium batteries; NCP1207; intelligent; charger

TM911

A

1003-4862（2017）01-0068-04

2016-08-15

徐进（1989-），男，硕士。研究方向：电气控制。Email:583123043@qq.com