基于單片機(jī)控制的鋰電池充電器設(shè)計(jì)

廣東金華達(dá)電子有限公司 金 龍 陳 煒 葉寶圖

0 引言

近年來(lái)，隨著電動(dòng)摩托車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)的普及，原來(lái)用的鉛酸電池由于污染大、壽命低，逐漸被動(dòng)力鋰離子電池取代，一款好的鋰電池充電器可以延長(zhǎng)鋰電池的壽命，這就是本設(shè)計(jì)的目的。

1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案主要運(yùn)用MCU控制的靈活性，通過(guò)輸出電壓測(cè)量及電流測(cè)量采集鋰電池組工作狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)下確定充電方式，同時(shí)檢測(cè)散熱片的溫度，確定是否啟動(dòng)風(fēng)扇。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

本智能鋰電池充電器使用東軟載波的單片機(jī)HR7P153P4SC，此MCU是一款8位高性能的單片機(jī)，最高運(yùn)行時(shí)鐘達(dá)到20MHz，且片內(nèi)集成有12位ADC模塊、時(shí)鐘模塊等常用模塊，可以滿(mǎn)足本系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求。

本充電器硬件包含：電源變換AC/DC部分、電壓測(cè)量部分、電流測(cè)量部分、溫度測(cè)量部分、輸出電子開(kāi)關(guān)控制部分、顯示部分等。圖1是本充電器的方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 電壓、電流、溫度測(cè)量

本系統(tǒng)所使用的MCU內(nèi)部集成12位ADC模塊，本設(shè)計(jì)采用10位精度，采樣0～5V電壓其精度可以達(dá)到10mV，可以滿(mǎn)足要求，圖2為原理圖。

圖2 電壓、電流、溫度測(cè)量電路圖

單片機(jī)的PA0口是輸出電壓采樣腳，PA3口是輸出電流采樣腳，PA2口是散熱器溫度采樣腳，PA5是風(fēng)扇控制腳，PA4是輸出電子開(kāi)關(guān)控制腳，PA6是紅色指示燈控制腳，PA7是綠色指示燈控制腳。

1.3 輸出電子開(kāi)關(guān)

由于電動(dòng)摩托車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)用的鋰電池組的電壓都較高，在28～72V之間，充電器輸出都有幾千uF的電解電容，如果沒(méi)有輸出電子開(kāi)關(guān)，用戶(hù)在把充電器插頭插到鋰電池時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的火花，存在安全隱患，用戶(hù)體驗(yàn)也不好，所以充電器輸出必須增加電子開(kāi)關(guān)，具體線(xiàn)路圖見(jiàn)圖3。

圖3 輸出電子開(kāi)關(guān)框圖

圖4 初始化和溫度檢測(cè)部分

圖5 主運(yùn)行程序部分

鋰電池沒(méi)有接時(shí)，單片機(jī)沒(méi)有檢測(cè)到鋰電池電壓B+時(shí)，單片機(jī)PA4送出低電平，Q9截止，Q6，Q7截止，輸出電壓就和鋰電池?cái)嚅_(kāi)了。當(dāng)鋰電池接上時(shí)，單片機(jī)檢測(cè)到鋰電池電壓B+，單片機(jī)PA4送出高電平，Q9導(dǎo)通，Q6，Q7導(dǎo)通，延時(shí)0.5s打開(kāi)輸出電子開(kāi)關(guān)，進(jìn)入充電狀態(tài)。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言、模塊化方式進(jìn)行程序編寫(xiě)，利于后期硬件升級(jí)及程序維護(hù)。程序主要分為2部分：初始化和溫度檢測(cè)部分、主運(yùn)行程序部分，其中初始化包含MCU的配置、變量的初始值、外圍電路的驅(qū)動(dòng)配置。

如圖4初始化和溫度檢測(cè)部分，圖5主運(yùn)行程序部分。

充電器剛開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，單片機(jī)會(huì)判斷溫度、電池電壓，如果都正常，智能充電器會(huì)恒流對(duì)鋰電池充電，電池接近充滿(mǎn)時(shí)，會(huì)以恒壓方式對(duì)鋰電池充電，當(dāng)充電電流小于0.6A時(shí)，充電器關(guān)斷輸出，綠燈亮，表示電池充滿(mǎn)。

表1 智能充電器性能指標(biāo)

表2 智能充電器功能指示燈狀態(tài)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)采用廣東金華達(dá)電子有限公司生產(chǎn)的20AH錳酸鋰電池，電池放完電后用該充電器進(jìn)行充電，4個(gè)小時(shí)后完全充滿(mǎn)。充電器剛開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，散熱片的溫度低于50℃，風(fēng)扇不轉(zhuǎn)；隨著時(shí)間的推移，散熱片的溫度達(dá)到50℃，單片機(jī)啟動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行散熱。如果風(fēng)扇損壞，散熱片溫度達(dá)到95℃時(shí)，單片機(jī)會(huì)關(guān)閉充電器，保護(hù)充電器。同理，輸出過(guò)壓、欠壓，單片機(jī)都會(huì)關(guān)閉充電器起到保護(hù)的作用（見(jiàn)表1、表2）。

智能充電器產(chǎn)品實(shí)物如圖6所示：

圖6 智能鋰電池充電器實(shí)物

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)根據(jù)鋰電池特性，采用國(guó)產(chǎn)單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能鋰電池充電器，性能優(yōu)異，價(jià)格便宜，保護(hù)功能齊全。

[1]關(guān)健生.基于STM單片機(jī)的智能鋰電池組平衡充電器設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù),2014,31(6).

[2]李冶,陳赫,汪東洋,喬淑君,黃鵬輝.智能鋰電池充電器設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2012,30(3).