徐 進(jìn)，李 圍，趙 勝，聶 巍

?

基于NCP1207的智能鋰電池充電器設(shè)計(jì)

徐 進(jìn)，李 圍，趙 勝，聶 巍

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

針對(duì)鋰電池充電的安全性和可靠性需求，本文提出了一種基于NCP1207和PIC12F615單片機(jī)結(jié)合的智能鋰電池組充電器設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了充電器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，該充電器能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)，具備安全性和高效性。

鋰電池 NCP1207 智能 充電器

0 引言

當(dāng)前，鋰電池具有能量密度高、使用周期長(zhǎng)、自放電率低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)療電子和軍事等領(lǐng)域的移動(dòng)便攜式設(shè)備上[1]。但是，由于鋰電池自身材料的特殊性，對(duì)與之相匹配充電器的要求十分嚴(yán)格。使用不合適的充電器，都可能對(duì)電池的壽命和設(shè)備的性能造成影響，甚至還會(huì)引發(fā)安全問(wèn)題[2]。

本文提出一種基于電流模式控制器NCP1207和PIC12F615單片機(jī)的智能鋰電池充電器，適用于4節(jié)鋰電池串聯(lián)的鋰電池組充電，可實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池組充電電壓、電流的高精度控制，并對(duì)鋰電池組進(jìn)行分階段快速充電，可有效避免傳統(tǒng)充電器的充電隱患，實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單，成本較低，充電耗時(shí)短，對(duì)電池?fù)p壞小。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

充電器主要由開(kāi)關(guān)電源電路部分和智能控制電路部分組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。開(kāi)關(guān)電源電路部分先將交流市電通過(guò)隔離變壓器和整流橋電路進(jìn)行AC/DC降壓轉(zhuǎn)換和整流濾波，再采用反激式DC/DC變換器，進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換[3]。智能控制電路部分主要以PIC12F615單片機(jī)和NCP1207準(zhǔn)諧振式PWM電流模式控制器為核心，實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)電壓、電流和溫度，并根據(jù)軟件控制算法，控制反激電路，輸出相對(duì)應(yīng)的充電電壓和電流。在整個(gè)充電控制過(guò)程中，單片機(jī)則根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，利用保護(hù)電路及控制算法，對(duì)充電器進(jìn)行過(guò)流和過(guò)溫等保護(hù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

充電器硬件部分主要包括電源主電路、PWM調(diào)制電路及以PIC12F615單片機(jī)為核心的反饋控制電路[4]。

2.1 電源主電路

充電器電源主電路采用反激式，包括整流濾波電路、DC/DC變換和輸出濾波電路[5]，如圖2所示。市電的輸入具有不穩(wěn)定性及干擾性，而充電器電路中有高頻開(kāi)關(guān)，對(duì)電磁兼容性有較高要求，因此需要對(duì)整個(gè)電源電路設(shè)計(jì)進(jìn)行嚴(yán)格的電磁兼容處理。

1)對(duì)AC輸入端進(jìn)行處理：

a)采用兩級(jí)的共模電感LF1和LF2抑制共模干擾，并用一個(gè)CX1電容處理差模信號(hào)，同時(shí)由這三個(gè)元器件組成π型濾波，更能有效的處理干擾。

b)采用安規(guī)Y電容CY1，CY2對(duì)PE耦合，主要抑制共模干擾。

c)采用兩個(gè)壓敏元器件MOV1、MOV2，能更好的吸收浪涌突波。

d)采用熱敏電阻NTC，抑制浪涌電流。

2)在處理變壓器伏秒平衡的RCD吸收部分加入電阻R5，R6，能夠有效處理高頻諧波信號(hào)尖峰。在變壓器輸出部分采用R21，C23組成RC吸收，有效抑制反向恢復(fù)造成的尖峰信號(hào)。

3)在電路輸出端放置共模電感L1，既有處理紋波功能，同時(shí)還抑制高頻諧波。并與C21，C22組成π型濾波，能夠更好的減小紋波電壓。

4)對(duì)變壓器進(jìn)行處理，需將經(jīng)驗(yàn)與理論結(jié)合，

采用更合理的繞制工藝和參數(shù)，減少由于變壓器設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生造成的嚴(yán)重干擾信號(hào)。

2.2 PWM調(diào)制電路

PWM 調(diào)制電路主要由光電耦合器PC817和PWM調(diào)制器NCP1207組成。NCP1207是一款帶準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)電路的PWM調(diào)制電流模式控制芯片，專(zhuān)用于反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，能有效降低能耗，減少元件數(shù)量，減小電磁輻射EMI，并改善效率[6]。其中，NCP1207的DMG引腳具有退磁檢測(cè)，以確保變壓器輔助繞組工作在反激變換式斷續(xù)導(dǎo)通型邊緣，準(zhǔn)諧振狀態(tài)，這樣可使功率MOS管Q1工作于零電壓開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，無(wú)開(kāi)關(guān)損耗。

FB引腳直接與光電耦合器PC817連接，通過(guò)對(duì)峰值電流的設(shè)置來(lái)控制輸出功率。CS引腳具有電流檢測(cè)與跳躍周期模式設(shè)置功能，可檢測(cè)變壓器初級(jí)電流，還可以通過(guò)外接電阻設(shè)置跳躍周期模式的動(dòng)作點(diǎn)。

NCP1207芯片的供電采用動(dòng)態(tài)自供電方式DSS，HV引腳直接連接到直流母線(xiàn)高壓側(cè)，電流經(jīng)內(nèi)部恒流源，給Vcc引腳的旁路電容充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到12V時(shí)，控制NCP1207開(kāi)始工作，DRV引腳輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)外部功率MOS管Q1，輸出PWM。

2.3 反饋控制電路

反饋控制電路主要包括PIC12F615單片機(jī)、采樣電路和保護(hù)電路。PIC12F615單片機(jī)為8引腳8位CMOS閃存單片機(jī)，擁有5個(gè)I/O引腳，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，低功耗，易操作。采樣電路包括電流、電壓和溫度的采集。采樣電路與單片機(jī)的A/D口連接，單片機(jī)檢測(cè)采集的數(shù)據(jù)，對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行判斷，并控制保護(hù)電路進(jìn)行保護(hù)。整個(gè)反饋回路主要采用電壓-電流雙環(huán)控制，既保證了恒流充電過(guò)程中充電電流的穩(wěn)定，又可控制恒壓充電過(guò)程中充電電壓恒定以及充電電流遞減[7]。圖4為電壓-電流雙環(huán)控制電路，其中由TL431向電壓環(huán)比較器LM258的負(fù)向端提供2.5V精準(zhǔn)電壓。圖5為溫度采集電路。由于鋰電池材料的特殊性，需要對(duì)溫度進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)對(duì)象，若溫度超過(guò)60℃，單片機(jī)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，閃爍紅燈，并迅速關(guān)斷充電電路，確保充電安全。

圖4 電壓-電流雙環(huán)控制電路

圖5 溫度采集電路

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)鋰電池的充放電特性，將鋰電池組的充電過(guò)程分為涓流預(yù)充電階段、快速恒流充電階段和恒壓充電階段。充電器上電啟動(dòng)后，紅燈亮，并自動(dòng)檢測(cè)鋰電池組電壓。當(dāng)鋰電池組電壓V1處于V1＜1V或者V1≥16.8 V時(shí)，充電器無(wú)輸出，紅燈變綠燈，判斷為無(wú)接入或已充滿(mǎn)狀態(tài)；當(dāng)鋰電池組電壓V1處于12 V>V1≥1V時(shí)，充電器無(wú)輸出，紅燈閃爍，判斷為電池故障，需更換電池；當(dāng)鋰電池組電壓V1處于16.8 V>V1≥12 V時(shí)，充電器進(jìn)入正常充電模式，根據(jù)檢測(cè)的鋰電池組電壓，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的充電階段。圖7為充電器工作流程圖。

1）涓流預(yù)充電階段：鋰電池組電壓V1處于12.8 V>V1≥12 V時(shí)，鋰電池單體電壓低于3.2 V，需進(jìn)入涓流預(yù)充電階段，以0.1C的小電流對(duì)鋰電池組進(jìn)行緩慢充電，此階段主要目的是彌補(bǔ)電池組過(guò)放造成的損害，減小單體電池間的電壓差異，增強(qiáng)電池組的一致性，可提高充電過(guò)程的安全性及電池的使用壽命。

2）快速恒流充電階段：鋰電池組電壓V1處于16.6 V>V1≥12.8 V時(shí)，鋰電池組進(jìn)入快速恒流充電階段，充電電流為0.5 C，可使電池電量快速提升，在較短的時(shí)間內(nèi)，接近滿(mǎn)電狀態(tài)，該階段大大縮短了充電時(shí)間。低電量狀態(tài)的鋰電池組可在5小時(shí)內(nèi)達(dá)到滿(mǎn)電狀態(tài)。

3）恒壓充電階段：鋰電池組電壓V1處于16.8 V>V1≥16.6 V時(shí)，鋰電池組進(jìn)入恒壓充電階段，隨著鋰電池組電壓的升高，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流I≤100 mA時(shí)，充電截止，電池處于滿(mǎn)電狀態(tài)。該階段電池電量提升緩慢，卻可保障鋰電池組飽和充電及充電過(guò)程的安全性。

圖6 異常狀態(tài)處理框圖

在鋰電池組充電過(guò)程中，需設(shè)置一些異常狀態(tài)處理措施，比如短路保護(hù)，過(guò)流保護(hù)，電壓電流突降異常保護(hù)，過(guò)溫保護(hù)等等，如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)智能鋰電池充電器的性能，在常溫條件下，對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)。圖8為鋰電池充電曲線(xiàn)，記錄了充電過(guò)程中電壓和電流的變化。

從圖8中，可看出鋰電池組初始電壓大于12.8 V，直接進(jìn)入快速恒流充電階段，充電電流一直穩(wěn)定在1.2 A，電池組電壓快速上升。

當(dāng)電池組電壓升至16.6 V時(shí)，進(jìn)入恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，電池組電壓上升十分緩慢，當(dāng)充電電流降至100 mA時(shí)，充電截止，電流變?yōu)? A，電池組電壓為16.8 V，充電結(jié)束。整個(gè)充電過(guò)程耗時(shí)約4.3 h。

圖7 充電器工作流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于NCP1207和PIC12F615單片機(jī)結(jié)合的智能鋰電池充電器，硬件部分詳細(xì)介紹了電源主電路的電磁兼容設(shè)計(jì)和控制部分的電路設(shè)計(jì)，軟件部分主要介紹了充電流程和異常狀態(tài)的處理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該充電器電路簡(jiǎn)單可靠，充電安全省時(shí)，符合鋰電池充電器的設(shè)計(jì)指標(biāo)和性能要求，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[1] 毛國(guó)龍. 鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J]. 中國(guó)電子商情：基礎(chǔ)電子，2009，(8): 14-14.

[2] 胡信國(guó)，楊春巍. 動(dòng)力鋰離子電池安全問(wèn)題及其解決方案[J]. 電動(dòng)自行車(chē)，2008，(11): 26-30.

[3] 俞煒平，林國(guó)慶. 基于PIC單片機(jī)的智能充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電源世界，2012，(3): 33-35.

[4] 季莉莉，李燁，蔣兆林，張瑋昌. 鋰電池智能充電器的設(shè)計(jì)[J]. 電子科技，2016，29(2)：159-162.

[5] 楊恒. 開(kāi)關(guān)電源典型設(shè)計(jì)實(shí)例精選[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[6] 丁泳鑫，丁秀華，龔春英. 基于NCP1207與UC3844的雙管反激變換器比較[J]. 電力電子技術(shù)，2009，43(7)：20-22.

[7] 楊鎮(zhèn)遙，胡越黎，楊文榮. 一種鋰電池充電電路的設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2014，(24)：91-93.

Design of Intelligent Lithium Batteries Charger with NCP1207

Xu Jin，Li Wei，Zhao Sheng，Nie Wei

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

According to the safety and reliability requirements for lithium battery charging, this paper puts forward a design plan of the intelligent lithium battery pack charger with NCP1207 and PIC12F615 microcontroller. The system structure, hardware design and software design of the charger are introduced in detail in this paper. The experimental results show that the charger can meet the design specifications with safety and efficiency.

lithium batteries; NCP1207; intelligent; charger

TM911

A

1003-4862（2017）01-0068-04

2016-08-15

徐進(jìn)（1989-），男，碩士。研究方向：電氣控制。Email:583123043@qq.com