无线识别装置的无线智能充电器设计

杨春光，刘海成，张 立，邢敬娓

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

无线识别装置的无线智能充电器设计

杨春光，刘海成，张 立，邢敬娓

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

充电器对充、放电电流、充电电压、温度等的监控需求越来越严格。文中基于AVR单片机实现无线智能充电器的设计，使用该设备充电时，只需将被充电电池放在充电器上，通过无线的方式就可以将充电器的能量及信息与电池进行传递，实现安全通信，间接地控制电池充电，做到无线充电和智能化，从而省去了电线连接的过程。可实时采集电池端电压、充电电流、电池温度、充电时间，并对充电过程中各个参数值进行智能控制，同时系统中还设计了充电保护电路，以防止电池的过充和过放对电池造成损害。

RFID；AVR；镍氢电池；充电器；保护电路

电池是一种能量转化与储存的装置，它通过反应将化学能或物理能转化为电能。而充电器是伴随着充电电池的发展而发展的，电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速、安全地充电，这就意味着需要对充电过程进行更精确地监控，以缩短充电时间，达到最大的电池容量，并防止电池损坏。市场上卖得最多的是旅行充电器，但是从充电电路上严格分析，只有很少部分充电器才能真正意义上被称为智能充电器[1]，因此，智能型充电器要做到能实时监控被充电池的各种特性(例如对充、放电电流、充电电压、温度等的监控)，电路通常包括了恒流/恒压控制环路、电池电压监测电路、电池温度检测电路、外部显示电路(LED或LCD显示)等基本单元。基于RFID技术的智能充电器只需将被充电电池放在充电器上，通过无线的方式就可以将充电器的能量及信息与电池进行传递，实现安全通信，间接地控制电池充电，真正做到无线充电和智能化，这样就省去了电线连接的过程。随着信息化社会进程的加快，现代信息技术迅速改变着我们的生活，因此，设计具有较高性价比的无线智能充电器会具有一定的现实意义，将来会有很大的市场发展前景[2]。

1 方案设计

设计的方案如图1所示，采用电压控制环路使电池达到饱和状态，避免快速充电不能将电池充满；具有镍氢电池的温度控制，因为电极电解液界面上的电化学反应与环境温度有关，被视为电池的心脏[3]。一般来说，高温可加速化学反应，但同时也加快电池内部老化的过程。如果温度下降，电极的反应率也下降，假设电池电压保持恒定，放电电流降低，电池的功率输出也会下降，如果温度上升则相反，即电池输出功率会上升。温度也影响电解液的传送速度温度。上升则加快，传送温度下降，传送减慢，电池充放电性能也会受到影响。为了有效充电，环境温度范围应在5～30 ℃之间。智能型充电电路通常包括了电压控制环路、电池电流/电压监测电路、电池温度检测电路、外部显示电路(LED指示)等基本单元。

图1 充电器设计框图

无线识别装置(RFID)模块设计如图2所示，充分考虑了无源的从机运行方式，发射器采用ASK方式发送数据，由接收器对发射器进行阻抗调制的方式读取数据。通信建立在AVR单片机的硬件UART上，实现了高效的数据传输。发射器由ATmega16产生高稳定性占空比可调的PWM信号进行载波，从而完成了能量的传输和信息的耦合。接收器由超低功耗的单片机ATmega48V作为控制器，由并联谐振回路对能量进行收集，采用低压差的锗二极管1N60进行倍压整流并将电能存储到电容中。信号整形使用了ATmega48V内部集成的模拟比较器，充分利用单片机内部资源，尽量将接收器的功耗作到最小。读取数据时接收器先进行充电，然后通过吸收磁场能量的方式影响发射器线圈的谐振电流，从而传递能量和信息。

图2 无线识别模块设计框图

2 硬件电路设计

硬件设计过程中，对无线识别模块、单片机的选择、电压控制模块、电流检测模块、温度检测模块、指示模块等进行了研究，结合EDA工具对各单元电路进行设计及论证，从而完成了对无线智能充电器各个模块的设计部分。经过多次试验，选用了30 pF电容做为并联谐振电路的谐振电容，并在谐振电路上并联104CBB电容做为谐振的储能电容；为了提高发射器的工作效率，在发射器的功率放大上使用了D类放大器；为了增加信号放大电路的输入阻抗，选用同相比例放大，一、二同样使用同相比例放大电路，其放大倍数分别为：第一级60倍，第二级60倍，第一级60倍，第二级60倍；接收器中首先使用倍压整流电路，得到二倍于线圈电压的电源电压给系统供电； 在接收器的电源和地之间连接一个大的电位器，通过该电位器中间滑动点的调节来得到比较电压，而且该电压也是随着距离的变化而变化的，同时也方便了调试，为了减小功耗，选用了200 K电位器进行比较点调节。

单片机选择考虑到设计需要一个高性能、低功耗的单片机。而ATMEL公司1997年推出了采用精简指令集(Reduced Instruction Set Computer,RISC)结构的新型单片机，简称AVR单片机[4]。它采用RISC结构，具有1MIPS/ MHz的高速运行处理能力。本设计中需要PWM对充电器进行控制,对液晶的SPI通信和大量的A/D对电池的电压、电流、温度等状态进行采集[5]，而AVR单片机中的ATmega16具有4通道的PWM和8位10路的ADC,而且它支持SPI串口通信，最终选用AVR单片机[6]。最小系统电路如图3所示。

图3 AVR的最小系统

3 软件部分

设计主要内容是在无线充电器的充电过程中，采集参数，进行电压、电流、温度的实时监控[7]，并且通过对电压、电流、温度的控制从而对镍氢电池充电。开始时系统进行初始化，接下来通过单片机内部的A/D，对电池的电压进行采集对比，如果没有电池则A/D采集的电压则不大于零，接着采集电压，直到采集到的电压大于0，然后采集电池的电压、电流、温度等，从而控制充电器对电池的充电过程，其主流程图设计如图4所示。

图4 主流程图

为了保证在任何情况下，充电器均能准确可靠地控制电池的充电状态，要对电池的电压、电流、温度等信息进行采集并且控制[8]，这样才能使充电器可靠地对电池充电。具体软件控制流程如图5所示。

图5 控制充电流程

4 结 论

设计完成了对镍氢电池进行无线智能安全的充电，具有无线控制系统及电池保护电路，通过无线监测当前的电池端电压、充电电流、电池温度等参数信息，达到了无线智能充电的效果。但本设计所研制的无线智能充电器系统功能还比较简单，功率比较小，不能做到更远距离地控制充电器。如果想实现更多的充电要求，需要更高难度的设计，这是未来充电器的发展方向。

[1] LANDT J. The history of RFID [J]. Potentials, IEEE, 2005, 24(4): 8-11.

[2] 汤竞南，钱昊，过海欣.PIC单片机基础与应用[M].北京：人民邮电出版社，2006：1-9.

[3] 郭丽芳.智能充电装置及其控制技术[D].南京：河海大学, 2003：1-20.

[4] 刘海成.AVR单片机原理及测控工程应用——基于ATmega48/ATmega16[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[5] 柯锋,周永鹏,黄锦恩,等. PWM恒流充电系统的设计[J].电子技术应用, 2002(3)：43-44.

[6] 焦慧敏.电动汽车动力电池剩余电量的预测方法及其实现[D] .长沙：湖南大学, 2006 ：1-30.

[7] 黄贤武.传感器实际应用电路设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000：45-47.

[8] 张占松，蔡轩三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2001：1-20.

[责任编辑：刘文霞]

Design of wireless intelligent battery charger system based on radio frequency identification technology

YANG Chunguang,LIU Haicheng, ZHANG Li,XING Jingwei

(College of Electrical and Information Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China)

The charger to recharge and discharge current, voltage, temperature monitoring needs to be more strict. This design is based on AVR microcomputer wireless intellectual charger. For this equipment charge, it only will be placed on the rechargeable battery charger. In wireless mode the energy and information of the changer and the battery can be transmitted, to achieve the safety communication, indirect control battery charging, wireless, truly intelligent charging, and to eliminate the wire. The real-time data acquisition, battery charging electric current, voltage, temperature, battery charging time, and various parameters in the process of charging an intelligent control system are designed, as well as the charging protection circuit, in order to prevent the battery overcharge for battery and damage.

RFID;AVR; nimh batteries; charger; protection circuit

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.02.009

2016-09-29

哈尔滨市优秀学科带头人资助项目(2015RAXXJ036)

杨春光(1975-)，女，讲师，工学硕士，研究方向：电器测试与磁场理论.

TP368

A

1671-4679(2017)02-0041-03