镍氢电池智能充电器的设计
- 格式：pdf
- 大小：258.77 KB
- 文档页数：4
1 镍氢电池智能充电器的设计 摘要：本文探讨了镍氢电池智能充电器的硬件结构与软件设计，通过对充电电压，电流及温度的检测，不但很好地延长了电池的寿命，而且又能使电池快速充满。 关键字：智能充电 AVR 单片机 镍化氢电池（Ni-MH）具有价格比较低，通用性强，输出电流大的优点，由于使用了以储氢合金取代负极原来使用的镉，没有了重金属镉带来的环境污染，被人们成为“绿色电池”，与镍镉电池相比没有记忆效应，并且有很好的冲放电性能，在轻重量的手持设备中镍氢电池有广泛的使用。 一、镍氢电池充电原理 电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的。电池的充电特性受充电电流、温度和充电时间的影响。电池端电压会随着充电电流的升高、温度的降低而增加;充电效率会随着充电电流、充电时间和温度的改变而不同。镍氢电池工作温度在0℃~45℃，充电时电池温度在10℃~30℃之间效率最高。 电池的充电速率的单位用C表示，C为电池的额定容量。例如300mA对600mAH电池充电，充电率为0. 5C, 2小时才能充入600mA的电量使电池变满。充电分为快速充电（Fast Charge）和涓流充电（Trickle Charge），快速充电的充电速率一般为1C，涓流充电的充电速率一般为0.01C~0.05C。 充电的方式分为分级恒流方式和脉动方式。分级恒流方式是目前主要采用的方式，它在充电的不同阶段采用不同的大小的恒定充电电流，脉动方式的充电电流的大小是恒定的，通过一个PWM信号控制充电电路的通断，通过调整占空比使充电曲线尽可能地模拟最佳充电曲线。 充电电池是否充满有多种方法，本系统采用的是检验电压变化率的方法：充电过程中电池上的电压会越来越高，但是增长到一定时，电压便不再变化。当ΔV/Δt到一定值时,我们认为电池已经充满,必须停止充电,否则会过充而损坏电池。（某些类型的电池，当电池充满后继续充电将导致电压的下降，不适用此法） 当然也可以采用检测电池温度变化率，检测充电电池电压，检测充电电流等方法。不同类型的电池采用的方法也是不同的。 二、智能充电器的硬件设计 作为一个好的充电器设计，必须能够实时地对充电电路的电压，电流这些关系到充电过程好坏的参数进行检测，同时针对这些参数的变化调整充电的电流，电压。只有这样才能保证延长充电电池的使用寿命，同时又能快速地充满电池。
图1 硬件结构图 本系统的主要控制部分由ATmega16来承担，单片机产生PWM输出，控制MOS管的导通从而通过BUCK电路为充电电路产生脉冲电压，再对电压，电流进行采样，通过单片机内部进行A/D转换，得到所需的数据，再根据这些数据调整PWM的占空比，控制BUCK电路的输出电压，从而完成了对充电电路的控制。 本系统的硬件核心部分是对BUCK电路的控制（如图2），由单片机以固定的频率输出的PWM信号经过三极管Q1的放大后，控制MOS管Q2的开关切换，并利用调整PWM的占空比来调整Vo的大小，有如下公式 Vo/VDC=D (D为PWM的占空比) 电 源 BUCK电路 充电电池 电压、电流、温度采样
单片机控制系统 A/DPWM
2 当MOS管导通时，电容通过电感被充电 ( 电感也吸收了能量 )。当MOS管断开时，电感试图保持电流，从而导致电流流过二极管、电感和电容。这就是一个工作周期。如果减少占空比开通时间减少，断开时间增加，输出电压也将下降。反之输出电压将增加。在占空比为 50% 时buck 变换器的效率最高。 利用二极管D2的反向截至特性防止充电电池对单片机进行供电。
图2 BUCK电路控制电路 系统的检测电路的硬件构成如（图3），由单片机的控制信号“DisCharger”控制三极管Q3的导通截至，当截至时对充电电池充电，信号“Voltage”送单片机ADC通道0，求出充电电压，通过电阻R7两端的电压信号经运算放大器放大后送ADC通道1，得到电压后除以R7的阻值后求出充电电流。 由于镍氢电池仍然存在一定的记忆效应，对于电量尚未使用完的电池，充电前应该先按键“KEY_2”, 由单片机的控制信号“DisCharger”控制三极管Q3导通，对电池放电，以免使电池产生记忆效应。 充电池的温度信号由装在电池盒中的18B20采集后送单片机端口PA2。
图3 检测电路
3 图4 单片机控制系统 三、智能充电器的软件设计 本系统电池充电过程分为预充电、快速充电、涓流充电三个阶段。预充电阶段电池应先用小电流充电，电池的温度有所提高后，转入快速充电阶段，快速充电是用大电流充电，电池的大部分电能在这一阶段恢复。当ΔV/Δt = 0时，转入涓流充电阶段，如果没有发生温度和电压超出极限值，则一直保持该状态，直至最大充电时间为90分钟，指示灯闪烁表示电池已充好。 预充电阶段大约4分钟，第一分钟以0.1C的电流充电，第二分钟以0.3C的电流充电，第三分钟以0.5C的电流充电，第四分钟以0.7C的电流充电。 快速充电阶段从第5分钟开始，充电的电流为1C。在这一过程中充电器会每隔一分钟检测一次温度，每隔一秒钟检测一次电压。这些数据将与上一次数据进行比较。一旦电池电池的电压不再变化，进入涓流充电阶段。 涓流充电阶段。充电的电流为0.025C。并开始最大充电时间计时，90分钟后自动切断充电电路。 在充电过程中循环检测充电状态、温度和电压的改变一旦温度或电压超标，错误标志置，终止程序运行。
4
四、结束语 本设计的软硬件很简单，而且功耗比较低，价格低廉，有一定的实用价值。 参考文献： [1] 沈文、LeeEagle、詹卫前：《AVR单片机 C语言开发入门指导》. 北京:清华大学出版 ,2003 [2] 金春林、邱慧芳、张皆喜：《AVR系列单片机C语言编程与应用实例》. 北京:清华大学出版 ,2003 [3] AVR450: Battery Charger for SLA, NiCd, NiMH and Li-Ion Batteries 初始化程预充电阶段快速充电阶段
温度电压正常
是否充满
涓流充电阶段
温度电常
是否90min
结束充电Y
Y Y Y
N N
N
N
