智能锂电池充电器的设计与实现

范雪，张爱良

（无锡工艺职业技术学院电子信息系，江苏宜兴214206）

传统铅酸蓄电池在电动车及机动车中应用范围最广，但其重量大、环保性差、充放电存在记忆性及易失水、漏液导致失效、耐用性差等缺点使其在使用过程中存在短板，因此，节能环保的锂电池已经有逐渐取代蓄电池的趋势[1]。文中针对中小容量型12 V锂电池设计一款智能充电器。

1 锂电池理论知识

锂电池充电最经典的理论是马斯三定律，目前，针对各种类型的锂电池充电器的设计都以此为基础进行研究[2]。其中，

1）对于任何给定的放电电流，蓄电池充电时的电流接受比a与电池放出的容量的平方根成反比；

2）对于任何给定的放电量，蓄电池充电电流接受比a与放电电流Id的对数成正比；

3）蓄电池在以不同的放电率放电后，其最终的允许充电电流It（接受能力）是各个放电率下的允许充电电流的总和。

综合上述3点，可以得出如图1所示曲线，随着充电时间的推移，电池饱和度增加，可接纳的充电电流也随之下降，直到充电电流降至设定阈值后，进入维护充电或脉冲充电过程，对充电器进行点滴补偿，直至电池完全充满。图1为锂电池的充电性能曲线。

图1 锂电池充电性能曲线

2 锂电池充电器软件设计

2.1 锂电池充电器设计分析

由于锂电池与铅酸蓄电池的化学性能有极大的不同，因此，对同样容量及额定电压的锂电池与蓄电池，充电电流、充电电压、充电效率及充电时间等性能有极大区别。目前，市场上针对蓄电池的充电器种类比较多，但蓄电池充电器不能直接对锂电池进行充电，否则会对锂电池造成永久性伤害。而锂电池充电作为一种新兴技术，在充电器设计及研发方面均有待提高。文中针对锂电池的特殊性能，设计出一款智能、高效、快速、安全的锂电池充电器。

2.2 充电曲线设计

锂电池充电器的充电流程主要包含恒流充电、恒压充电及脉冲充电3部分，并在充电初始阶段进行电池评估，充电结束后进行电池性能判断及维护。在充电过程中，充电电压及电流根据电池实时状态进行动态调整，以期维持电池性能动态平衡过程。充电器的电压与电流输出是由硬件控制，但动态平衡调整则由软件来完成。本系统智能充电器的充电流程如下：

1）电池评估阶段：充电器上电后，打开充电开关，进入电池评估阶段；读取当前电池电压，判断电池电压是否低于阈值，如果低于设定阈值，则充电器首先进行一段保护充电过程，直到电池电压高于阈值后，停止充电一段时间，重新开始进行1）。对12 V充电器，阈值一般选择10 V。

2）恒流充电：恒流充电是锂电池充电过程的主要部分，充电电流一般选择0.2 C左右，这个电流也是保护电池特性与保证充电安全的最佳值。一般选择充电3个小时，可以将电池充电至70%以上，保证电池容量的最大化；当电池电压达到13 V时，充电流程跳出恒流充电，进入3）。

3）恒压充电：充电器输出电压为13 V，此时，电流逐渐减小，直至减小到0.01 C左右，充电结束，可保证电池充电至少至95%以上，进入4）。

4）脉冲充电：电池此时已接近充满，为避免充电器断开后电池自放电导致的电池容量损耗，充电器每隔一段时间关闭继器，以小电流为其脉冲充电，以保证电池容量充足。该过程持续10小时后，充电器断开，进入步骤5）。

5）维护充电：充电器此时进入睡眠状态，仅电池电压采样AD端口间隔时间工作，当电池电压值低于12.5 V以下时，充电器重新唤醒，充电流程重新进入1）。图2为智能充电器的充电曲线示意图。

图2 锂电池充电曲线

2.3 充电流程

12 V锂电池在充电过程中的最高电压为14.2 V，与传统的铅酸蓄电池的额定电压14.4 V稍低；并且最大充电电流不超过0.2 C，防止过压过流导致锂电流内部离子失衡而引起电池失效。

在充电过程中，恒流充电至电池容量的50%～70%时，充电流程可转变为恒压充电模式，此时，电流逐步下降，当充电至95%左右时，可停止充电。此时，充电的主要流程结果，采用补充维护充电或脉冲充电来继续增加电池容量，直至100%。

在充电过程中，如果遇到失效电池，即电池电压已不受充电器控制，在电池恒压充电后，可在一段时间内判断电池是否失效；若电池初始电压不足，则需要用小电流持续充电，直到电池电压超过一定值，再重新充电。

锂电池充电器在充电过程中，不仅时刻监测电压、电流值，并且具有温度保护与过压过流保护功能，通过温度值与电压电流值的采集，与控制器内设定阈值比较，达到充电流程与反馈相结合，再经过调整匹配，达到最佳充电状态。图3是文中介绍的充电器的充电流程。

3 锂电池充电器硬件设计

3.1 电源管理芯片

充电器电源管理IC部分[8]选用性能丰富、功率范围宽的集成离线式开关IC TOP 258EN，主要用于充电器的反接保护、电池低电压保护及电池过电压保护等。充电器输入电压范围可达190～253 V，芯片通过调节

MOS管的PWM占空比来控制输出与关断，图4为电源管理芯片原理图。

3.2 充电器控制器

智能锂电池充电器控制器[6]采用Atmel公司生产的ATmega88p，内部时钟选用1 MHz，AD采样精度达10位，内部芯片工作电压设为5 V。芯片可选空闲工作模式、省电模式和掉电模式等，可通过USART串口与电脑相连，也可在线调试下载程序。图5为微处理器芯片的原理图。

图3 锂电池充电流程

图4 电源管理芯片

图5 充电器控制芯片原理图

3.3 稳压电源电路

出于安全及充电稳定性的需求，锂电池充电过程中反馈信息的准确性十分重要，对锂电池的电流、电压、当前温度、空载状态等信息的数据采集要稳定可靠，因此，充电器采用ADR3425稳压源控制AD的参考电压，ADR3425稳压源的输入带宽范围比较大，输出为2.5 V直流电压，作为控制器ADC的参考电压，稳定可靠。图6为锂电池充电器的稳压源电路的设计部分。

图6 AD稳压电源电路

4 充电流程

4.1 充电曲线

选用容量为16 Ah的锂电池，通过放电将电池初始电压值设置为12.9 V，静置8小时，通过智能锂电池充电器充电，图7为锂电池充电的电压电流值曲线。

图7 智能锂电池充电流程

4.2 充电控制界面

在锂电池的充电测试过程中，对充电流程的判断及报警处理，测试者很难直接观察到，锂电池充电器利用visual studio2015设计一款上位机监控系统，可实时将充电步骤及充电过程中产生的问题通过USART串口传输到监控界面，方便测试人员直接观察充电现象。图8为充电器的上位机监控界面。

图8 锂电池充电器监控界面设计

5 结论

文中通过对锂电池及智能充电的研究，设计一款可在线调试与下载程序的智能锂电池充电器，对充电器的硬件进行了选择与设计，并重新设计充电流程；智能充电器通过闭环拓扑反馈控制，实时动态调整充电电压与充电电流。实验结果表明：该智能充电器充电过程完整，适合工业批量生产。

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