智能锂电池充电器的设计与实现

中图分类号：TP368
文献标识码：A
文章编号：1674-6236（2018）02-0181-04
Design and realization of smart Li⁃battery charger
FAN Xue，ZHANG Ai⁃liang （Electronic Information Department，Wuxi Institute of Arts & Technology，Yixing 214206，China）
第 26 卷 第 2 期 Vol.26 No.2
电子设计工程 Electronic Design Engineering
ห้องสมุดไป่ตู้
2018 年 1 月 Jan. 2018
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）
摘要：设计一种新型锂电池智能充电器，对充电器的硬件电路进行了设计，选取了控制器芯片及电
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。
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
图 1 锂电池充电性能曲线
收稿日期：2016-11-15 稿件编号：201611120 作者简介：范 雪（1986—），女，辽宁抚顺人，硕士，中级工程师。研究方向：物联网应用技术。
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《电子设计工程》2018 年第 2 期
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
源管理芯片，并对芯片的关键电路部分进行原理图的设计；搭建了软件流程图及框架，根据智能充
电器工作流程获得智能充电器的曲线，并用 VS2015 设计了智能充电流程上位机监控界面。实验结果
表明：智能充电器充电速度与充电效率都有了明显提高，并且充电曲线完整，适用于工生产需求。
关键词：智能充电；微处理器控制；电源管理；电流控制
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；
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。
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 I（t 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。
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：
Abstract: Design a new type of li- battery smart charger，which designs the hardware circuit，selects micro- controller and power management chip，and designs part of the key chip circuit schematic diagram. It sets the software flow chart and the framework，and gets the charging curve of smart charger and designs the monitor interface of the smart charging steps by VS2015 software. The experimental results show that the speed and the efficiency of the smart charger improves obviously，and is completely suitable for the production requirements. Key words: smart charging；micro⁃controller；power management；current control