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通用智½充电器的设计
湖南工程学院
刘美俊 （湘½
411101）
摘要：为解决锂离子电池和镍氢/镍镉电池的充电问题，设计了一种以
AT89C2051
单片机为
核心的通用智½充电器，介绍了智½充电器的工½原理、设计特点和三种充电模式，详细讨
论了系统的硬件构成及½件实现方法。由于采用了高性½的微控制器及高分辨率的
A/D
½
换电路，保证了充电器具有很高的精度。
关键词：单片机
A/D
½换
智½充电器
硬件构成
Design of The General Intelligent Battery Charger
LIU Mei-jun
Hunan Institute of Engineering (xiangtan 411101)
Abstract: The reference design is developed for the charge of Li-ion and NiMH/NiCd battery
pack based on AT89C2051 single-chip computer . The work principle and design characteristics
and three charge mode are introduced, then the hardware structure and the implement of software
are analyzed in detail. With the high performance of microcontroller and high resolution A/D
convert circuit ,the design can guarantee high accuracy.
Keywords: Single-chip computer
A/D convert
Intelligent battery charger
Hardware
structure
1.引言
可充电电池具有较高的性½价格比、放电电流大、寿½长等特点，广泛应用于各种通信
设备、仪器仪表、电气测量装½中。½是不同类型的电池如镍镉电池（Nicd）
、镍氢电池
（NiMH）和锂离子电池具有不同的充电特性和过程。不同的电池应采用不同的充电控制技
术。常用的控制技术有：电压负增量控制、时间控制、温度控制、最高电压控制技术等。其
中电压负增量控制是目前公认的较先进的控制方法之一。
充电时，
½测量到电池电压负增量
时就可以确定该电池己经充满，从而将充电½变为涓流充电。时间控制预定充电时间，½充
电时间达到后，½充电器停止充电或½为涓流充电，这种方法较安全。温度控制法是½电池
达到充满状态时，电池温度上升较快，测量电池温度或温度的变化，从而确定是否对电池停
止充电。
最高电压控制则是根据充电电池的最高允许电压来判断充电状态，
这种方法灵活性
较½。本文介绍一种智½充电器，½对镍镉电池（Nicd）
、镍氢电池（NiMH）和锂离子电
池进行充电，并对充电电池具有自动检测½力。
2 充电器设计思想
设计通用型智½充电器时．需要充分考虑 3 种电池的充电特性，针对每一种电池的特
性给出不同的充电模式以及相应的算法．
2.1
镍氢/镍镉电池充电模式
[5]
这 2 种镍类电池具有相似的充电特性曲线，因而可以用一样的充电算法。这 2 种电池
的主要充电控制参数为-ΔV 和温度θ．
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对镍氢／镍镉电池由预充电到标准充电½换的判据为：①单节电池电压水平 0.6½1V；
②电池温度-5½0 C． 电池饱和充电的判据为：①电池电压跌½或接近零增长 –ΔV= 6½
15 mV／节；②电池最高温度
θ
max
＞50℃；③电池温度上升率 dθ/dt ≥1.0℃／min。由于
温度的变化容易受环境½响,因而实际用于判别充电各阶段的变量主要为–ΔV、
θ
max，
其
中对–ΔV 的检测需要有足够的 A／D 分辨率和较高的电流稳定度．-△V 的测量与 A/D 分辨
率、充电电流的稳定性与电池内阻之间有以下关系:½电池内阻等于 50Ω(接近饱和充电)
时，充电电流=1200mA，电流漂移等于 5%，单节电池的最高充电电压为 1.58V，则此时电流
漂移可½引起的电池电压变化为 3 mV。
2.2 锂离子电池充电模式
[3]
在锂离子电池充电采样时，
测量到的电压是电池的在线电压，
一般在线电压要高于静态
电压（与内阻有关）
．在充电器设计中，对锂离子电池充电各阶段½换判断的测量参数只有
在线电压，电压采样偏差小于 0.05 V．
2.3 自适应充电模式
[4]
o
智½充电器设½了一种自适应充电模式，
在这种模式下，
对未知型号的电池或放入某种
电池后而未按相应的键，
则充电器自动½入自适应充电模式．
此时充电器将提供一种公共算
法对电池进行预充电，并对其进行型号识别判断，然后½入相应的充电模式，显示相应的型
号．具½做法为：检测充电电池电压的变化率，并判断是否检测到有–ΔV。如果检测到电
池电压 V 特别高，且无–ΔV，则½入锂离子电池充电模式，否则进入镍类电池充电模式．
3．充电器硬件设计
由单片机和充电器芯片组成的通用充电器原理图如图 1 所示．
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图 1 通用充电器原理图
图中 AT89C2051、ADC0832 与 MAX846A 一起构成充电器的核心。单片机的两个 PWM 输出
(P
1.3 ,
P
1.4
)，经输出滤波分别与 MAX846A 的 VSET 以及 ISET 相连，以控制充电电压及电流,其
中 P
1.3
控制浮动电压，
,
P
1.4
控制充电电流。从 ISET 端引出电流量，BATT 端电池分压器读出电
压量，引入微控制器，连续测量充电电压及电流。由于从 ISET 以及 VSET 读出的量均为模拟
量， AT89C2051 内部没有 A／D ½换，
而
所以需要外部增加 A／D ½换器 ADC0832。
AT89C2051
串行口工½于移½方式，P3.0 为数据输出线，P3.l 为时钟线。它有 128 个 8 ½的 RAM，2KB
的程序存储空间，完全满足充电器的½用要求。在充电器中主要用来控制 MAX846A 对电池
的充电与否、实时检测充电器的状态及时显示，4 个共阳极 LED 和 4 片串行输入、并行输出
的 74HC164 构成显示电路。
ADC0832 为 8 ½串行逐次逼近式 A/D ½换芯片，实时检测充电电流、电压的大小，该芯
片的二个模拟量输入通道是可编程½结构的，可由串行输入口的 3 ½串行控制字指定通道，
并决定是单端输入还是差分输入方式，设计中选择二个模拟量输入通道（CH0 和 CH1）交替
输入。MAX846A 是一种高性½充电芯片，它适用于镍镉电池（Nicd）
、镍氢电池（NiMH）和
锂离子电池等。
电路中用单片机的 PWM 输出特性对充电电池电流进行控制，
这样设计的优点是：
用数字
量对电流控制可达到很高的精确程度，
可以适合不同种类不同容量的电池对充电电流的不同
要求.其中脉½调制有 2 个参数特别重要:一是工½频率，
在一定范围内，
脉½调制的工½频
率越高，所需电感越小。二是单步调整的分辨率，如果脉½调制欲输出稳定度较高的充电电
流，则需要较高的分辨率。例如在镍氢/镍镉电池充电的各个阶段，尤其是电池饱和充电判
别点附近，对充电电压的-△V 进行采样时，要求电池的充电电流要有较高的稳定性或电流
等效值恒定，这时就有赖于脉½调制输出稳定的电流值.而对于锂离子电池在其限压充电期
间，
其充电电流应可动态调整，
以维持电池电压的最大(½要小于最大充电电压)而获得较高
的充电效率.
此外，
设计中选择滤波电容的主要依据是系统对电源纹波的要求。
滤波电容的等效串联电
阻（ESR）是造成输出纹波的主要因素，而且也会½响到½换效率，因此应½量选用½ESR
的电容。陶瓷电容和½电解电容具有较½的ESR，也可选用½ESR的铝电解电容，½应½量
避免标准铝电解电容。
容量一般在10μF½100μF，
对于较重的负½½设计选取大一点的电容。
4．系统½件设计
[5]
系统½件流程采用中断工½方式, ½件功½的主要控制步骤均包括在定时中断程序中，
包括监控电压、测量电流及累加电流时间积等部分。系统的主要程序流程如图 2 所示。
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a) 定时中断程序
b) 检测及显示程序
图 2 系统主要程序流程图
在开始充电时，
对系统进行初始化，
其中包括图 1 中 AT89C2051 单片机各个端口初始化、
堆栈指针初始化、
寄存器初始化、
中断设定和根据不同的电池类型设定它所½够承受的最大
电压 V
SET
，标准的容量值 C
SET
及对电压、电流采样的时间间隔。为了½测定结果更精确，采
样频率要½量高。系统初始化后开定时器中断服务程序，由于程序中利用了定时中断，½得
定时控制很方便。
电池的端电压检测硬件上½用单片机的片上高精度
A/D
模块，½件控制采用中断方式，
这样可节省单片机在
A/D
½换期间的等待时间。端电压检测的数据，通过充电算法计算电
池的电压负增长-
△
V
是否满足快速充电终止条件，及时实修改单片机的输出参数，控制充
电电流的大小。
针对 2.1½2.3 所述的 3 种充电模式，
设计了相应的程序模块；
镍氢/镍镉电池充电控制
模块；锂离子电池充电控制模块；自适应充电控制模块以及错误监控处理模块。主程序模块
根据系统相应的状态条件控制并调用相应的模块。
同时，
其他各模块之间也根据系统½前状
态相互调用。在初始化程序模块中，设½了预处理功½，主要是设½
A/D
½换参数和通道，
检测电池的端电压。将检测数据同理论经验值比较，判断电池的类别以及是否连接正确。对
端电压½的电池，采用短时间的脉动电流充电，这样有利于激活电池内的化学反应物质，部
分恢复受损的电池单元。
对端电压在标称范围内的电池选择相应的充电控制模块和算法，
对
端电压不在标称范围内的电池，½件自动将其剔除。
5．设计特点及测试结果
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5.1
模糊控制方法
根据充电电池电压的变化，
系统将充电过程分为三个阶段，
每个阶段采取不同的控制方
式。第一阶段电池内的电量已基本用完，应采用恒定的大电流充电，以节省时间；第二阶段
为充电电池的敏感阶段，充电过多会损坏电池，应采用模糊控制，以便获得最½充电效果；
第三阶段电池已充电满，应进行点滴充电，以防止电池自行放电。下面重点讲述模糊控制方
法的主要原理。
系统采用的模糊控制的两个输入量分别是理想电压与实际电压的差值Δμ和Δμ的变化
率Δμ／Δt，输出量是对充电电流大小的控制量。在模糊控制系统中，Δμ和Δμ／Δt
被划分为5个模糊状态，即负大(—2)、负小(—1)、零(0)、正小(+1)、正大(+2)。模糊控制
系统对这两个输入量进行决策，求出模糊控制表，如表1所示。表中的I值表示在不同的输入
量½用下，所对应的输出控制量的大小。输出控制量也分为5个等级，它们代表的意义是：
+2表示½充电电流增大两个等级，+1表示½充电电流增大一个等级，0表示½½前的充电电
流值保持不变，－1表示½充电电流减少一个等级，—2表示½充电电流减少两个等级。
表1 模糊控制规则表
5.2
均衡充电
均衡充电是本充电器的一个重要特点。在充电的过程中，由于电池的质量不相同，容量
小、
质量差的电池端电压在充入相同电量后会出现电压增长比另一个电池多的情况，
如果不
采取措½，它们的电压差将会增大，以至其中一个电池很快达到规定的安全电压，充电过程
也将被迫停止。此时应该停充电压高的电池，即均衡充电。这样有利于恢复电池内受损的单
元，½充电过程½顺利地进行下去。这种控制主要是通过½件实现的，在系统程序½人中断
程序后（如图 2 a），系统开始对电压进行采样，检查电池电压值是否超过最大允许值，若
超过，则½用单片机的 PWM 功½进行调节。电压正常之后，便对电流进行采样，并对电流时
间做乘积，然后跳出中断程序。以后每经过采样时间间隔后，½会重复以上步骤，而且要累
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