基于单片机控制的锂电池充电器设计

广东金华达电子有限公司 金 龙 陈 炜 叶宝图

0 引言

近年来，随着电动摩托车、电动自行车的普及，原来用的铅酸电池由于污染大、寿命低，逐渐被动力锂离子电池取代，一款好的锂电池充电器可以延长锂电池的寿命，这就是本设计的目的。

1 设计方案

本设计方案主要运用MCU控制的灵活性，通过输出电压测量及电流测量采集锂电池组工作状态，根据当前状态下确定充电方式，同时检测散热片的温度，确定是否启动风扇。

1.1 硬件设计

本智能锂电池充电器使用东软载波的单片机HR7P153P4SC，此MCU是一款8位高性能的单片机，最高运行时钟达到20MHz，且片内集成有12位ADC模块、时钟模块等常用模块，可以满足本系统的性能指标要求。

本充电器硬件包含：电源变换AC/DC部分、电压测量部分、电流测量部分、温度测量部分、输出电子开关控制部分、显示部分等。图1是本充电器的方案系统结构图。

图1 方案系统结构图

1.2 电压、电流、温度测量

本系统所使用的MCU内部集成12位ADC模块，本设计采用10位精度，采样0～5V电压其精度可以达到10mV，可以满足要求，图2为原理图。

图2 电压、电流、温度测量电路图

单片机的PA0口是输出电压采样脚，PA3口是输出电流采样脚，PA2口是散热器温度采样脚，PA5是风扇控制脚，PA4是输出电子开关控制脚，PA6是红色指示灯控制脚，PA7是绿色指示灯控制脚。

1.3 输出电子开关

由于电动摩托车、电动自行车用的锂电池组的电压都较高，在28～72V之间，充电器输出都有几千uF的电解电容，如果没有输出电子开关，用户在把充电器插头插到锂电池时，会产生较大的火花，存在安全隐患，用户体验也不好，所以充电器输出必须增加电子开关，具体线路图见图3。

图3 输出电子开关框图

图4 初始化和温度检测部分

图5 主运行程序部分

锂电池没有接时，单片机没有检测到锂电池电压B+时，单片机PA4送出低电平，Q9截止，Q6，Q7截止，输出电压就和锂电池断开了。当锂电池接上时，单片机检测到锂电池电压B+，单片机PA4送出高电平，Q9导通，Q6，Q7导通，延时0.5s打开输出电子开关，进入充电状态。

1.4 软件设计

本设计采用C语言、模块化方式进行程序编写，利于后期硬件升级及程序维护。程序主要分为2部分：初始化和温度检测部分、主运行程序部分，其中初始化包含MCU的配置、变量的初始值、外围电路的驱动配置。

如图4初始化和温度检测部分，图5主运行程序部分。

充电器刚开始启动时，单片机会判断温度、电池电压，如果都正常，智能充电器会恒流对锂电池充电，电池接近充满时，会以恒压方式对锂电池充电，当充电电流小于0.6A时，充电器关断输出，绿灯亮，表示电池充满。

表1 智能充电器性能指标

表2 智能充电器功能指示灯状态

2 实验结果

本实验采用广东金华达电子有限公司生产的20AH锰酸锂电池，电池放完电后用该充电器进行充电，4个小时后完全充满。充电器刚开始启动时，散热片的温度低于50℃，风扇不转；随着时间的推移，散热片的温度达到50℃，单片机启动风扇进行散热。如果风扇损坏，散热片温度达到95℃时，单片机会关闭充电器，保护充电器。同理，输出过压、欠压，单片机都会关闭充电器起到保护的作用（见表1、表2）。

智能充电器产品实物如图6所示：

图6 智能锂电池充电器实物

3 结论

本设计根据锂电池特性，采用国产单片机设计的智能锂电池充电器，性能优异，价格便宜，保护功能齐全。

[1]关健生.基于STM单片机的智能锂电池组平衡充电器设计[J].通信电源技术,2014,31(6).

[2]李冶,陈赫,汪东洋,乔淑君,黄鹏辉.智能锂电池充电器设计[J].吉林大学学报(信息科学版),2012,30(3).