一种基于单片机的智能充电器的设计与实现

黄福明

摘要 本文设计实现了一种以单片机AT89C51为核心的智能电池充电器，可方便地实现多模式充电，包括涓流充电、大电流充电、预充电和均衡充电，具有较强的智能性，并具有良好的充电性能，实验结果表明，本充电器的充电效率高，调节时间快，可使蓄电池具有较长的循环寿命和较高的使用价值，能够满足不同类型的动力电池复杂充电的要求，具有良好的应用前景。

关键词 单片机；铅酸蓄电池；智能充电

中图分类号 TM91 文献标识码 A 文章编号 2095—6363（2016）17—0054—01

随着能源缺乏和空气污染的加剧，目前新的研究越来越重视交通电动车，电池和充电器作为电动车的核心部件，研究具有良好性能的智能充电器，将会给经济和社会带来良好的效益。

电动车对电池的要求也高，为了研究性能更好的充电器，我们要找到一种最优的充电模式。理论和实践表明，浮充电、均衡充电、预充电、大电流充电4种充电模式组合起来的充电方式可以达到较为良好的效果。该课题研究单片机中的智能充电器，基于STC89C51基础的智能型快速充电器开发。

1智能充电过程分析

智能充电作为目前较为先进的电池充电技术，其原理为使电池在充电过程中能够适应电流的动态变化，核心是引入了du/dt技术。

本文以传统充电方法作为基础，然后利用预充电的过程来对电池的初始状态进行判断，接着通过PWM软件控制技术，对多个阶段的充电进行控制，对充电电压、充电电流以及充电的时间来进行实时显示。其主要的充电过程有预充电过程、大电流充电过程以及均衡充电过程和涓流充电过程。

1）预充电过程。对于一个在很长的时间内都没有进行过充电的电池，如果在一开始的时候就进行快速充电，那么就会对电池的使用寿命带来影响，因此，我们在这里引入了一个预充电的过程，具体实现方法是：在充电之前，先用一个较小的电流对电池充电，待充电达到某一个要求时才进行下一阶段的充电。

2）大电流充电。在大电流充电过程中，根据电池所能够承受的最大电流来选定充电器，电池所能够承受的电流则是通过电池的数值容量来确定的。电池的起始状态和电池的容量往往影响到充电时间，在一段相当短的时间中的电压迅速增加充进尽可能多的电量。

3）均衡充电。和快速大电流充电阶段相比，均属于不足充电阶段。在前一个阶段充电结束时，电池并不是完全冲满，还需把不超过充电容量的0.3C补足，因为电池并不是完全充满，这样可进一步增加该电池的电压。

4）涓流充电。涓流充电的别名叫浮充电。涓流充电电压基本上是恒定的，稍稍高过电池组的断路电压，涓流充电的顾名思义就是电流比较小，充电的后电流会衰减到零。

在实际的工作过程中。首先对电池的电压进行检测，进一步确定电池是应该是处于哪一个充电阶段中。在开始的时候，所检测出来的实际电压如果较低，那么就会进入到大电流快速充电阶段，实现方法是提高对应的输出PWM波的占空比，这样可以在短时间内对电池填充具有相对大的量。当蓄电池的电压接近均衡充电压时，进入均衡充电，输出相对的PWM波。最后，当电池的电压达到涓流充电标准，即达到一定的充电电压标准时候，用较小的电流对电池充电。这样一来就可以尽可能的延长蓄电池的使用的时间。

设计的充电模式中，其中有大电流充电、均衡充电和涓流充电功能，在运行中，具体进行哪个阶段是充电、会根据采样到的充电数据以及事先设定的程序来决定何时加入停止充电过程。

2智能充电设计

系统包含单片机模块、电压/电流采集模块、电源模块、充电模块以及显示模块。

1）主充电源电路设计。本文充电电路采用BUCK充电主电路，在PWM控制的信号中，当高电平脉冲出现时，MOSFET导通，电感的电流不断增大，进行电容充电，此时的BUCK变换器不断存储能量，并通过电感对电池充电。

2）MOS管驱动电路。该电路的功能是将PWM波变成能够直接驱动MOS管的电压信号。本文直接采用一个三极管放大电路。单片机所输出的PMW信号在通过三极管放大电路之后，就会产生一个较大的反相脉冲信号输出，这个信号会直接加到场效应管的栅极之上，将MOS管的源级进行接地处理，然后通过AC-DC变幻来获得直流稳压电压。这样就可以让MOS管也工作在脉冲开关的状态下，此时只需要對输出的PWM的占空比进行控制就能够控制MOS管的导通时间长短，进而实现控制充电电压的大小。

3）电压及电流检测。电流的检测采用的是最简单直接的方法即电阻采用法，通过电阻把电流转换成电压，所使用的电阻为0.1Ω/2W的金属膜电阻。本充电电路的被检电流Ⅰ是直流电流，数值比较大。电阻上的电流变化范围为0.5A～1.3A。

4）显示及按键电路。本系统中设计了4位LED，在正常充电时显示充电电压充电电流，充电时间以及充电容量。LED驱动芯片我们选用74LS47BCD显示译码器。利用74LS47的解码功能，在数码管上直接显示数字，进而简化了程序，节约了单片机的10开销。按键电路的实现只设计了4个独立按键，分别代表充电时间，充电电压，充电状态，充电开始。

3软件设计主程序

本文系统主程序主要是利用电压电流检测电路获得的电压，电流等相关采样数据，据此确定电池具体的工作状态，然后采取相应的方式（PWM占空比）来控制程序的执行，实现四种充电模式的合理控制，能够实时显示按键部分传递过来的信息功能。

具体实现过程：一开始进行初始化后，系统开始工作，首先根据采样到的电压电流的大小决定要进入预充电还是大电流充电。判断的依据是对比采集的端电压以及阈值电压的大小，阈值电压为10.2V。如果电池端电压小于阂值电压，则系统进入预充电状态，以小电流给电池进行涓流充电；反之，则进入大电流充电过程，以电池能够承受的最大允许电流对其进行充电。与此同时系统继续进行电池电压的检测，并跟门限电压（15V）比较，当电池充电电压已经达到到门限电压的90%左右，即13.5V时，结束大电流充电，转入均衡充电状态，以小的均衡充电电流给电池充电。

4智能充电实现

本次实验的电路用到的电是12V/1.3Ah的铅酸蓄电池，通过对整个充电过程中的实时的电压和运行状态的跟踪测试，得到充电过程图，从结果上看，充电器一开始时处于预充电状态，随着预充电的进行，当电池电压达到接近10V左右，立即转换到大电流充电状态。经过2h后，电池电压达到13.5V（电池容量的90%）后，充电过程切换到均衡充电过程，当电池容量达到100%时，充电结束，充电过程进入涓流充电过程。从测试结果看，整个充电过程能够按照事先设定的4个充电状态进行，符合充电要求。