智能充电器设计初稿

绪论1项目研究背景随着电子技术的不断发展，便携式设备不断涌现，丰富和方便了人们的生活。

现在，移动电话、笔记本电脑、数码相机等便携式设备已经成为人们生活的一部分，而且有着更为广阔的市场前景和发展空间。

今后，还会有更多的便携式设备出现。

便携式设备的发展，对电池产业提出了更高的要求。

低成本、高能量密度、高电压、轻型化、使用温度宽、循环寿命长、安全性好的全新的绿色电池，特别是可重复使用的可充电电池备受关注[1]。

目前，市场上的电池品种繁多，按电池的应用范围可分为专用电池（如各种手机锂电池，笔记本电脑锂电池）和通用电池（如各种电动玩具所用的镍氢电池），也可按电池是否循环使用分为不可充电电池（如各种酸性锰锌化学电池）和可充电电池（如镍镉，镍氢电池以及铅蓄电池）。

不可充电电池，（特别是含有重金属汞的电池），由于对环境的污染而遭到普遍的批评，各电池生产厂商把业务的重点转移到可充电电池上，这样可充电电池的充电问题就成了当前各生产厂商首先要解决的问题。

然而大多数设备中的电池,只能使用专用的充电器,而且普通的充电器大多充电时间长,无法判断其充电参数和剩余的充电时间。

电子技术的快速发展使得各种各样的电子产品都朝着便携式和小型轻量化的方向发展，也使得更多的电气化产品采用基于电池的供电系统。

目前，较多使用的电池有镍镉（Ni- Cd）电池、镍氢（Ni-Mh）电池、锂离子（Li-Ion）及铅酸电池（Lead-acid）。

它们的各自特点决定了它们将在相当长的时期内共存发展。

由于不同类型电池的充电特性不同，通常对不同类型，甚至不同电压、容量等级的电池使用不同的充电器，但这在实际使用中有诸多不便。

现在，我国市场上的充电器普遍存在以下问题:(1)不具备对智能电池的充电功能，扩展性差;(2)故障率高，而且维修困难，影响便携式设备的正常工作;(3)对同类电池充电缺乏自适应性，充电控制策略落伍，导致了电池的寿命短、效率低和可维护性差;(4)体积大，效率低，对电网污染大，不能满足电磁兼容等要求;(5)充电电流小，充电时间长。

本课题用一种基于单片机的智能充电器的设计方法。

该充电器可以对各类可充电电池进行充电，且可以实时采集电池的电压和电流，并对充电过程进行智能控制。

它可以自动计算电池的已充电量和剩余的充电时间，也可以改变参数来适应各种不同电池的充电。

系统中的管理电路还具有保护功能，可防止电池的过充和过放对电池造成。

2 电池充电技术的发展现状和发展趋势随着电子技术的高速发展，电子系统应用领域越来越广泛，功能越来越强大，对电源系统的要求也越来越高。

为了适应电子设备科技发展的需要，充电电源的研究已经向高频化、集成化、智能化和绿色化方向发展，电磁兼容（EMC）、智能化程度和自适应等新的要求也在不断提出。

为了实现高功率密度，改善电源的动态性能，就必须提高电源系统的工作频率。

提高主功率变换器的开关速度，可明显减少磁性变压器材料和大电解电容体积、重量等，这也使得开关器件的研制工作从改进电压、电流的二维体系发展到提高频率的三维体系。

集成化是电源系统的一个重要发展方向，主要包括构成MOSFET大功率器件的元件微型化、密集化以及MOSFET的集成化，把小功率的MOSFET集成在单片IC中，使系统控制、驱动、保护、检测和末级功率放大集成为一体。

智能化主要体现在对电池的充电算法和对环境的自适应性方面，一个新型的充电系统要能自动识别被充电电池的类别，根据电池的参数以及环境温度等自适应地生成充电曲线，以最佳的方式完成快速充电工作。

绿色化包含两层含义：首先是显著节电，因为发电是造成环境污染的重要原因，发电容量的节约意味着对环境污染的减少；其次是这些电源不能（或少）对电网产生污染。

同时，新型充电系统还应该能满足对智能电池的充电要求。

智能电池是上世纪后期才出现的新型电池，它由蓄电池组、控制模块和相应的显示模块组成。

它包含了能够测量、计算和存储关于电池内部化学成分和电量状态数据的内部电子部件，“电量计算”的信息经由系统管理总线（SMBus）传送给器件内部的充电电路、报警电路和关闭电路。

智能充电器的优点：(1) 具有行业统一的智能电池系统标准，能利用SMBus总线和外部设备（智能充电器或主机）进行数字通信，实时交换电池的各种信息（剩余容量、电压、温度等），以便使外部设备进行相关处理；（2）具有化学独立特性，本身具有完整的保护功能，如过充电保护、过放电保护、短路保护和过热保护等，从而降低了故障率。

凭借强大完善的电源管理功能，智能电池正在成为市场主流。

根据公司调研数据显示，智能电池的市场增长率为22%，预计2005年全球销量达到120万支。

从发展眼光看，这种新型电池最终要取代传统电池，一统宽广的电池市场，包括通信、动力、仪表、航空和军事等各个领域。

对数字化智能充电器的研究，国外起步较早。

目前，发达国家已经将该技术应用于军事、探险和科学考察等特殊领域，其向民用领域的技术转化工作因为已经开始。

国外的一些公司已经推出了一系列的智能充电管理芯片，比如，针对智能电池的MAX1535A、MAX8731和LTC4100等控制芯片，针对镍镉/镍氢电池充电的TEA1100/MAX2003等控制芯片，针对锂离子电池的FAN77563、FAN7564、LM3420和BQ2054等控制芯片以及主要用于镍镉／镍氢、锂离子电池充电的BQ2000系列控制芯片等。

这些芯片的问世，在很大的程度上促进了数字化智能充电器的普及，但是在应用中这些芯片往往存在者适应外部环境能力差、功能单一、扩展性不强等问题，并且没有解决方案可以兼顾智能电池和传统电池组，无法满足本文涉及的特殊需要。

较之于国外的发展情况，我国对智能电池的起步较晚，对数字化智能充电器的研究也才刚刚起步，该技术的应用在国内尚处于薄弱环节。

随着智能电池在国内的普及，与之配套的智能充电器也已经成为国内电源行业研究的新热点，其技术生命力和应用前景将非常广阔。

3 本课题研究的主要内容本课题设计的智能电池充电器具备对智能电池、铅酸电池、镍氢、镍镉和锂离子电池进行快速充电的能力，并提供过压、过流、电池过充、欠充和过热等保护功能，能有效地解决电池和充电器的兼容问题，从而避免了因电池化学特性不同而给电池充电造成的各种麻烦。

另外，除了对电池电压的检测外，为了更好的保护电池，该充电器充电时还可对电池的温度及充电时间进行监测以作为辅助或后备保护方案。

具体内容包括以下几个方面：（１）研究各种电池（包括常用的铅酸、镍镉、镍氢、锂电池）的充电特性，为智能充电器实现最优充电算法提供理论依据（２）系统电路原理图的设计，主要是单片机ATmmega32L-8AC芯片及外围器件参数、主电路参数和充电电路设计；（３）电路元器件参数的的选择；（４）电路板的布局与布线，系统的电磁兼容性设计；（５）SMBus通信协议和充电控制算法的研究；（６）整个电路的焊接、调式与整机的安装。

第一章各类电池充电特性分析1.1 铅酸电池充电特性分析1.2 镍镉/镍氢电池充电特性分析1.3 锂电池充电特性分析第二章硬件电路方案设计2.1二、研究（制）内容本课题首先研究各种电池（包括常用的镍镉、镍氢、锂电池）的充电特性，为智能充电器实现最优充电算法提供理论依据。

根据各种电池的充电要求，设计以A VR单片机为系统控制器，开关式直流电压变换器为功率变换主电路的系统主体结构。

一个安全可靠高效的充电器就需要能够在电池的充电过程中能够严格的控制电池的充电电流、电压、温度等物理参数。

因此，智能型充电器通常应该包括恒流/恒压控制环路、电池电压监测电路、电池温度监测电路等基本单元。

本文设计的充电器包括单片机核心控制器、DC/DC功率变换电路、电压电流采样电路、温度及充电时间监控模块、128×64 LCD显示模块、RS232接口通信模块以及键盘输入模块。

系统结构如图1所示：图1 系统结构图系统的主要工作原理：系统控制器通过PWM脉冲信号控制DC/DC功率变换器工作。

控制器实时采集输出电压、电流信号，判定电池所处的充电状态，根据最优充电算法，完成恒压、恒流控制等控制。

温度及充电时间监控模块将安全信息传给系统控制器，如果控制器感知到危险信息，便会停止充电以保护电池安全，待排除安全隐患后自动重启充电过程。

LCD显示模块实时显示充电所处阶段、电压、电流、电池温度等信息。

通过键盘可以对充电参数进行设置。

利用RS232接口，可与上位机PC通信，方便充电过程进行分析。

三、可行性分析ATMEL公司的ATMEGA系列单片机其内部集成了大容量的存储器，提供了PWM脉宽调制脉冲产生器、多路AD转换器、实时时钟电路、串行接口等硬件接口。

非常适合用作智能型充电器的MCU控制单元。

初步设计采用的buck 斩波电路作为充电器功率变换电路具有结构简单，控制方便，技术成熟等优点。

经讨论分析，该课题设计存在以下难点：（1）滤波电感的设计，包括磁芯材料选取及绕制方法；（2）控制器控制参数的整定方法；（3）系统各任务（包括恒压/恒流控制、LCD显示、温度监控等）所占单片机资源的合理分配；（4）智能充电器外观及功能结构合理化设计。

在此课题设计中，可能用到的实验设备及仪器有：示波器，信号发生器，电源，万用表，电烙铁等。

五、推广应用前景及效益分析本设计实现的智能充电器与传统充电器相比，具有快速、高效、安全、灵活等优点。

随着数字化信息时代的进步，各种产品设备都向着全电化的方向发展，电池的应用领域愈发广泛，充电电池的作用将愈发的重要。

人们对具有优良品质的智能充电器的需求也必将大大增加。

因此，该智能充电器具有十分广阔的市场前景。