武錚等

摘要：針對動力電池的智能充電問題，在常規(guī)開關(guān)電源的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種對動力電池按指定需求進(jìn)行充電的智能設(shè)備。該設(shè)備利用STC12C2052AD單片機(jī)依據(jù)設(shè)定的輸出期望值，通過對開關(guān)電源的實(shí)際輸出值進(jìn)行采樣，并同輸出期望值進(jìn)行對比產(chǎn)生相應(yīng)的反饋，從而智能化地控制開關(guān)電源的充電輸出。實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果表明，該設(shè)備能按照設(shè)定充電數(shù)據(jù)工作，且輸出值誤差在5%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：智能充電，開關(guān)電源，動力電池

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）14-0243-04

Abstract：For smart battery charging problem， based on the conventional switching power ， design and implement a demand for battery charging in the specified smart device. The core of the device is STC12C2052AD microcontroller. by the corresponding feedback which obtain the actual output value of switching power and compare it with the expectation to produce to， The device control the output of the switching power intelligently. The actual verification results show that the device can work in accordance with the set charging data and the error of the output value is less than 5%.

Key words： smart charging；switching power supply； power cell

隨著汽車、摩托車和列車等行業(yè)的快速發(fā)展，動力電池的使用范圍變得越來越廣泛。與此同時(shí)，動力電池的研究也變得越來越重要。傳統(tǒng)動力電池的充電方法過于簡單，充電過程過于單調(diào)，充電時(shí)間長，充電效率低。其對動力電池的充電往往只能按照特定的充電方式對動力電池進(jìn)行充電，如預(yù)沖、大電流、小電流、恒壓、恒流、脈沖分階段充電等，這些充電方式要么過于簡單，要么需要事先預(yù)定好。也就是說，這些動力1電池充電方法的充電過程是不會根據(jù)動力電池的種類、特點(diǎn)以及充電過程中動力電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)等情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整的。這樣的充電方式不但會造成動力電池的充電不徹底，還會影響動力電池的使用效果和壽命。

有鑒于此，本文通過電子電路技術(shù)、模電技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了一種動力電池智能充電設(shè)備，可以在一定程度上減少甚至避免上述充電效果不理想造成的問題，實(shí)現(xiàn)了動力電池充電過程中的靈活而有效的控制。充電過程中，對動力電池充電電壓和電流的實(shí)時(shí)監(jiān)控、獲取和比較，使得充電過程盡可能的接近我們的期望過程，同時(shí)，更好的實(shí)現(xiàn)動力電池的智能化充電管理。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能充電設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中智能充電控制模塊無疑是整個(gè)設(shè)備的核心，而STC單片機(jī)又支撐著整個(gè)智能充電控制模塊的運(yùn)行。這個(gè)設(shè)備擁有兩種充電模式，取決于PC機(jī)控制還是“包”選擇開關(guān)控制（此處的關(guān)于“包”的定義，我們將在第3節(jié)進(jìn)行詳細(xì)解釋）。當(dāng)PC機(jī)控制時(shí)，我們稱為“Normal Mode”（或者“本機(jī)模式”）；當(dāng)“包”選擇開關(guān)控制時(shí)，我們稱為“Auto Mode”（或者“離線模式”）。

在“Normal Mode”狀態(tài)下，我們通過串口電平轉(zhuǎn)換電路完成PC機(jī)和STC單片機(jī)之間的通信，其中PC機(jī)向STC單片機(jī)發(fā)送控制指令，說明動力電池的充電狀態(tài)，是恒流充電還是恒壓充電，恒流充電的電流值或者恒壓充電的電壓值；STC單片機(jī)則將實(shí)時(shí)監(jiān)測到的動力電池的充電電流值或者充電電壓值通過相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換同PC機(jī)發(fā)送的期望值進(jìn)行對比調(diào)節(jié)，進(jìn)一步對開關(guān)電源的輸出進(jìn)行微調(diào)。同時(shí)，也將監(jiān)測到的電流值或者電壓值發(fā)送給PC機(jī)，用以記錄和參考。在PC機(jī)向STC單片機(jī)發(fā)送完指令后，再由STC單片機(jī)做出相應(yīng)處理，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓模擬信號，進(jìn)而控制開關(guān)電源的輸出值，將開關(guān)電源的輸出值調(diào)節(jié)成PC機(jī)的期望值，對動力電池進(jìn)行充電。

在“Auto Mode”狀態(tài)下，可以脫離PC機(jī)工作，所以也把這種模式稱為“離線模式”?！鞍边x擇控制開關(guān)需要進(jìn)行人為的調(diào)控，通過事先對要充電的動力電池的種類、特點(diǎn)等方面的了解，人為地?fù)軇舆x擇控制開關(guān)，從而選擇STC單片機(jī)中存儲的充電“包”，之后的充電過程按照選中的“包”內(nèi)的存儲信息自動的充電調(diào)整。

2 硬件設(shè)計(jì)

智能充電模塊是該設(shè)備的核心，它決定著整個(gè)設(shè)備對于開關(guān)電源輸出值的控制。該模塊的電路實(shí)現(xiàn)可以分為三大主要部分，分別是串口電平轉(zhuǎn)換部分、D/A轉(zhuǎn)換部分、采樣電路部分和電光耦反饋部分。除此之外，還有A/D轉(zhuǎn)換部分，用來完成動力電池充電電流值或者電壓值由模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，這一部分集成在了STC單片機(jī)中，STC單片機(jī)本身就具備A/D轉(zhuǎn)換的功能。為了更好地同A/D轉(zhuǎn)換配合，在模塊中加入了基準(zhǔn)電壓源模塊，為動力電池充電電流值或者電壓值由模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換提供轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。

接下來，分別就智能充電模塊的三大電路部分進(jìn)行闡述。

2.1 串口電平轉(zhuǎn)換部分

串口電平轉(zhuǎn)換部分采用的是標(biāo)準(zhǔn)的串口電平轉(zhuǎn)換電路，核心部件就是MAX232芯片。串口電平轉(zhuǎn)換部分用來將PC機(jī)九針接口能夠識別的RS232電平信號和STC單片機(jī)能夠識別的TTL電平信號進(jìn)行相互之間的轉(zhuǎn)換，從而使得PC機(jī)和智能充電模塊之間可以相互通信。

其中，R1 in端輸入RS232電平，R1 out端輸出TTL電平，接STC單片機(jī)的信號接收端（RXD）。T1 out端輸出RS232電平，T1 in端輸入TTL電平，接STC單片機(jī)的信號發(fā)送端（TXD）。

2.2 D/A轉(zhuǎn)換部分

PC機(jī)發(fā)送控制指令到智能充電模塊，同STC單片機(jī)進(jìn)行通信。STC單片機(jī)接收到來自PC機(jī)的控制指令后，會自動將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的PWM方波脈沖輸出。D/A轉(zhuǎn)換部分實(shí)際上就是對STC單片機(jī)的PWM0和PWM1端口發(fā)出的PWM脈沖信號進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的穩(wěn)定的電壓值，為此我們采用雙重積分電路發(fā)完成PWM脈沖量到電壓量的轉(zhuǎn)換。STC單片機(jī)會發(fā)出作為充電電流值或者電壓值的控制信號PWM方波脈沖信號，在第一次的積分電路中，將PWM方波脈沖信號轉(zhuǎn)換為三角波信號。然后，再次通過一次積分電路，將三角波信號轉(zhuǎn)換為可以穩(wěn)定輸出的電壓信號，這里就完成了所需要的D/A轉(zhuǎn)換。作為輸出穩(wěn)定電壓值的PWM-I和PWM-V端口后會分別接上一個(gè)電壓跟隨器，進(jìn)一步穩(wěn)定得到的電壓值。

2.3 采樣電路部分和電光耦反饋部分

D/A轉(zhuǎn)換完成后，便可以獲得所期望的充電電壓值（對于電流值也是按照一定的關(guān)系轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓值）。此時(shí)，需要對動力電池的充電電壓值或者電流值進(jìn)行采集，進(jìn)而通過和期望值進(jìn)行對比調(diào)節(jié)。對于電壓值的采集，采用電阻分壓的方式采集，通過R03和R04電阻對開關(guān)電源的輸出電壓值進(jìn)行按比例采集，再通過Vsam端連接電壓跟隨器使其穩(wěn)定輸出。再與STC單片機(jī)期望電壓值DA-V通過比較器進(jìn)行比較，在存在差值的情況下，三極管打開令光電耦合器產(chǎn)生作用于明緯開關(guān)電源的反饋，從而調(diào)節(jié)電源的電壓輸出。而對于電流的采集，則是通過將采集端口VIS接入充電回路中，從而獲取充電電流值，再將電流值按照一定比例放大，在AD-I端得到與采樣電流值對應(yīng)的電壓值。再與STC單片機(jī)期望電壓值DA-I（期望電流值對應(yīng)的電壓值）通過比較器進(jìn)行比較，在存在差值的情況下，三極管打開令光電耦合器產(chǎn)生作用于明緯開關(guān)電源的反饋，從而調(diào)節(jié)電源的電流輸出。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1“Normal Mode”充電模式

“Norml Mode”是一種PC機(jī)控制智能充電的模式，也就是說對于動力電池的整個(gè)充電過程，由PC機(jī)發(fā)送相應(yīng)的充電指令進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

首先，按照所定義的通信協(xié)議，由PC機(jī)向智能控制模塊發(fā)送控制指令，串口電平轉(zhuǎn)換部分將RS232電平的控制指令轉(zhuǎn)換為STC單片機(jī)可以識別的TTL電平的控制指令。然后按照指令的格式，或以一定值恒流充電，或以一定值恒壓充電，或停止充電。不管STC單片機(jī)最后是何種動作，都是通過調(diào)整自身的PWM方波脈沖高平信號的寬度來實(shí)現(xiàn)的，而且期望的充電電流或者電壓值越高，PWM方波脈沖高平信號的寬度越寬。STC單片機(jī)的PWM脈沖波會通過兩次積分電路轉(zhuǎn)換，再接上電壓跟隨器，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的穩(wěn)定電壓，這里就完成了PC機(jī)數(shù)字信號到穩(wěn)壓模擬信號的D/A轉(zhuǎn)換。穩(wěn)壓值再通過與采樣電路中采集到的動力電池充電電壓值和電流值相應(yīng)轉(zhuǎn)換后的到的電壓值進(jìn)行比較，反饋處理，得到所期望的充電電壓值或者電流值。

對于“Auto Mode”來說，“包”的概念至關(guān)重要，它直接主導(dǎo)著整個(gè)充電過程?！鞍逼鋵?shí)完整的名字應(yīng)該叫做“動力電池充電曲線封裝包”，顧名思義，也就是用來存儲動力電池充電曲線的封裝。要想做好“包”，必須對各類動力電池的充電屬性進(jìn)行調(diào)查研究，然后歸類處理，制作成各類動力電池充電曲線圖（充電曲線，也就是從開始充電到充電完成，整個(gè)過程中各個(gè)時(shí)間段對應(yīng)的充電狀態(tài)，是以何種動作進(jìn)行充電，充電的電流值或者電壓值大小）。最后，再將充電曲線圖通過編程進(jìn)行封裝處理，存儲到STC單片機(jī)中并編號。在每次使用的時(shí)候，通過“包”選擇開關(guān)發(fā)送“包”編號，指定STC單片機(jī)中相應(yīng)的“包”對動力電池的充電作指導(dǎo)。整個(gè)充電過程中，STC單片機(jī)通過自己本身的定時(shí)中斷，不斷地查詢選定“包”中存儲的充電信息，調(diào)整PWM脈沖的輸出，進(jìn)而控制動力電池的充電狀態(tài)。

圖7為某動力電池的充電曲線，由圖我們可以看出，該動力電池的充電基本可以分為四個(gè)過程：涓流充電（低壓充電）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。在電池電壓低于3V的時(shí)候，為了保護(hù)電池不受損，需要進(jìn)行恢復(fù)性充電，也就是涓流充電。涓流充電的電流是恒流充電的0.1c左右（0.1c也就是十分之一恒流）。當(dāng)電池電壓上升到涓流充電閾值以上，這時(shí)需要加大充電電流，所以改用1c左右的電流進(jìn)行恒流充電。在電池電壓上升到4.2V左右時(shí)，開始恒壓充電階段。電流根據(jù)電芯的飽和程度，再繼續(xù)充電的過程中逐漸減小，當(dāng)電流減小到0.1c左右時(shí)，認(rèn)為充電終止。

如圖示，該設(shè)備控制明緯電源的輸出，選用明緯開關(guān)電源NES-200-27，該明緯開關(guān)電源能夠穩(wěn)定的輸出27V的電壓。同時(shí)，外接220V的家用電壓供應(yīng)明緯開關(guān)電源的工作。電池選用由四節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成的電池組，該電池滿電電壓為3.2V，內(nèi)阻15毫歐以內(nèi)，最大充電電壓3.65V，最大充電電流3.2A。從設(shè)計(jì)方案中不難看出，通過控制明緯電源的輸出，對電池組進(jìn)行充電，同時(shí)，電池組外接負(fù)載，向該設(shè)備反饋充電過程中的充電電流參數(shù)和電壓參數(shù)。為了方便數(shù)據(jù)的測量，在電池組和負(fù)載的回路中串聯(lián)一個(gè)電流表用于測量充電電流，在電池組兩端并聯(lián)一個(gè)電壓表用于測量充電電壓。同時(shí)，在充電開始前先將電池組放電放空。

“Normal Mode”充電模式下，測試結(jié)果如下：

在電池放空的情況下，對電池組進(jìn)行充電，期望結(jié)果應(yīng)該是：開始階段，開關(guān)電源對電池組進(jìn)行涓流充電，充電電流大小為0.3A。在一段時(shí)間之后，電池組已經(jīng)沖進(jìn)去了一部分電壓之后，再對電池組進(jìn)行恒流充電，充電電流值為3.0A。最后階段，對電池組進(jìn)行恒壓充電，直到充滿。從圖中不難看出，雖然充電過程并不是百分百的穩(wěn)定，但是三個(gè)過程的充電電流值和電壓值基本保持在期望值很小范圍內(nèi)波動。所以，“Auto Mode”充電模式下，該設(shè)備性能還是十分理想的。

綜合上述測試結(jié)果可以得出，本文設(shè)計(jì)的動力電池智能充電設(shè)備具有良好的輸出特性，且誤差較小，使用方便。

5 結(jié)束語

以STC12C2052AD單片機(jī)為核心的動力電池智能充電設(shè)備，能夠在“Normal Mode”和“Auto Mode”兩種充電模式下，根據(jù)用戶需求可選擇的進(jìn)行智能充電。PC機(jī)控制下的動力電池充電，能夠人為的控制充電的電壓、電流，并在讀取動力電池充電狀態(tài)的情況下，進(jìn)行充電方式的精密微調(diào)。“包”選擇開關(guān)控制下的動力電池充電，則可以根據(jù)存儲的各類動力電池的充電曲線，選擇性地進(jìn)行細(xì)致的充電調(diào)控。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王恩德， 黃聲華. 三相電壓型PWM整流的新型雙閉環(huán)控制策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2012，15：24-30+18.

[2] 清華大學(xué)電子教研組，童詩白，成華英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 高等教育出版社，2006：50-100.

[3] 李強(qiáng). PWM調(diào)制開關(guān)電源的研究[D]. 中國科技大學(xué)，2005：12-23.

[4] 宗延濤. 基于PWM整流器的新型開關(guān)電源的研究[D]. 山東科技大學(xué)， 2009：5-17.

[5] 李新靜， 張佳瑢， 魏引利， 等. 鋰離子動力電池的溫升特性分析[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2014，06：908-912.

[6] 戴海峰， 周艷新， 顧偉軍， 等. 電動汽車用動力鋰離子電池壽命問題研究綜述[J]. 電源技術(shù)， 2014，10：1952-1954+1982.

[7] 田鵬， 宋康， 廖俊必， 等. 磷酸鐵鋰電池性能測試與優(yōu)化使用研究[J]. 電子測量技術(shù)， 2014，12：105-109+113.

[8] 李光葉. 雙PWM變換器協(xié)調(diào)控制研究[D]. 天津大學(xué)， 2011：34-77.

[9] 王少龍， 侯明， 王瑞山. 動力電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 云南冶金， 2010，02：75-80+90.

[10] 魏五星. 磷酸鐵鋰動力電池組性能測試與分析[D]. 武漢理工大學(xué)， 2010：16-55.