针对动力电池的智能充电问题，在常规开关电源的基础上，设计并实现了一种对动力电池按指定需求进行充电的智能设备。
该设备利用STC12C2052AD单片机依据设定的输出期望值，通过对开关电源的实际输出值进行采样，并同输出期望值进行对比产生相应的反馈，从而智能化地控制开关电源的充电输出。
实际验证结果表明，该设备能按照设定充电数据工作，且输出值误差在5%以内。

　　关键词：智能充电，开关电源，动力电池
　　中图分类号：广东深圳专业医疗产品器材工业产品设计全面实施云医疗，未来医疗发展新趋势TP391 文献标识码：A 文章编号：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广东深圳专业医用器材产品外观工业产品设计工业设计专业色彩教学的几点心得 of the output value is less than 5%.
　　Key words： smart charging；switching power supply； power cell
　　随着汽车、摩托车和列车等行业的快速发展，动力电池的使用范围变得越来越广泛。
与此同时，动力电池的研究也变得越来越重要。
传统动力电池的充电方法过于简单，充电过程过于单调，充电时间长，充电效率低。
其对动力电池的充电往往只能按照特定的充电方式对动力电池进行充电，如预冲、大电流、小电流、恒压、恒流、脉冲分阶段充电等，这些充电方式要么过于简单，要么需要事先预定好。
也就是说，这些动力1电池充电方法的充电过程是不会根据动力电池的种类、特点以及充电过程中动力电池的实时状态等情况进行适当调整的。
这样的充电方式不但会造成动力电池的充电不彻底，还会影响动力电池的使用效果和寿命。

　　有鉴于此，本文通过电子电路技术、模电技术和计算机通信技术相结合的方式，设计了一种动力电池智能充电设备，可以在一定程度上减少甚至避免上述充电效果不理想造成的问题，实现了动力电池充电过程中的灵活而有效的控制。
充电过程中，对动力电池充电电压和电流的实时监控、获取和比较，使得充电过程尽可能的接近我们的期望过程，同时，更好的实现动力电池的智能化充电管理。

　　1 结构设计
　　智能充电设备的整体结构如图1所示，其中智能充电控制模块无疑是整个设备的核心，而STC单片机又支撑着整个智能充电控制模块的运行。
这个设备拥有两种充电模式，取决于PC机控制还是“包”选择开关控制（此处的关于“包”的定义，我们将在第3节进行详细解释）。
当PC机控制时，我们称为“Normal Mode”（或者“本机模式”）；当“包”选择开关控制时，我们称为“Auto Mode”（或者“离线模式”）。

　　在“Normal Mode”状态下，我们通过串口电平转换电路完成PC机和STC单片机之间的通信，其中PC机向STC单片机发送控制指令，说明动力电池的充电状态，是恒流充电还是恒压充电，恒流充电的电流值或者恒压充电的电压值；STC单片机则将实时监测到的动力电池的充电电流值或者充电电压值通过相应的A/D转换同PC机发送的期望值进行对比调节，进一步对开关电源的输出进行微调。
同时，也将监测到的电流值或者电压值发送给PC机，用以记录和参考。
在PC机向STC单片机发送完指令后，再由STC单片机做出相应处理，将数字信号转换成相应的电压模拟信号，进而控制开关电源的输出值，将开关电源的输出值调节成PC机的期望值，对动力电池进行充电。

　　在“Auto Mode”状态下，可以脱离PC机工作，所以也把这种模式称为“离线模式”。
“包”选择控制开关需要进行人为的调控，通过事先对要充电的动力电池的种类、特点等方面的了解，人为地拨动选择控制开关，从而选择STC单片机中存储的充电“包”，之后的充电过程按照选中的“包”内的存储信息自动的充电调整。

　　2 硬件设计
　　智能充电模块是该设备的核心，它决定着整个设备对于开关电源输出值的控制。
该模块的电路实现可以分为三大主要部分，分别是串口电平转换部分、D/A转换部分、采样电路部分和电光耦反馈部分。
除此之外，还有A/D转换部分，用来完成动力电池充电电流值或者电压值由模拟量到数字量的转换，这一部分集成在了STC单片机中，STC单片机本身就具备A/D转换的功能。
为了更好地同A/D转换配合，在模块中加入了基准电压源模块，为动力电池充电电流值或者电压值由模拟量向数字量转换提供转换标准。

　　接下来，分别就智能充电模块的三大电路部分进行阐述。

　　2.1 串口电平转换部分
　　串口电平转换部分采用的是标准的串口电平转换电路，核心部件就是MAX232芯片。
串口电平转换部分用来将PC机九针接口能够识别的RS232电平信号和STC单片机能够识别的TTL电平信号进行相互之间的转换，从而使得PC机和智能充电模块之间可以相互通信。
　　其中，R1 in端输入RS232电平，R1 out端输出TTL电平，接STC单片机的信号接收端（RXD）。
T1 out端输出RS232电平，T1 in端输入TTL电平，接STC单片机的信号发送端（TXD）。

　　2.2 D/A转换部分
　　PC机发送控制指令到智能充电模块，同STC单片机进行通信。
STC单片机接收到来自PC机的控制指令后，会自动将其转化为相应的PWM方波脉冲输出。
D/A转换部分实际上就是对STC单片机的PWM0和PWM1端口发出的PWM脉冲信号进行处理，转换为相应的稳定的电压值，为此我们采用双重积分电路发完成PWM脉冲量到电压量的转换。
STC单片机会发出作为充电电流值或者电压值的控制信号PWM方波脉冲信号，在第一次的积分电路中，将PWM方波脉冲信号转换为三角波信号。
然后，再次通过一次积分电路，将三角波信号转换为可以稳定输出的电压信号，这里就完成了所需要的D/A转换。
作为输出稳定电压值的PWM-I和PWM-V端口后会分别接上一个电压跟随器，进一步稳定得到的电压值。

　　2.3 采样电路部分和电光耦反馈部分
　　D/A转换完成后，便可以获得所期望的充电电压值（对于电流值也是按照一定的关系转化为相应的电压值）。
此时，需要对动力电池的充电电压值或者电流值进行采集，进而通过和期望值进行对比调节。
对于电压值的采集，采用电阻分压的方式采集，通过R03和R04电阻对开关电源的输出电压值进行按比例采集，再通过Vsam端连接电压跟随器使其稳定输出。
再与STC单片机期望电压值DA-V通过比较器进行比较，在存在差值的情况下，三极管打开令光电耦合器产生作用于明纬开关电源的反馈，从而调节电源的电压输出。
而对于电流的采集，则是通过将采集端口VIS接入充电回路中，从而获取充电电流值，再将电流值按照一定比例广东深圳专业医疗器械设备工业产品设计中国医疗器械市场分析放大，在AD-I端得到与采样电流值对应的电压值。
再与STC单片机期望电压值DA-I（期望电流值对应的电压值）通过比较器进行比较，在存在差值的情况下，三极管打开令光电耦合器产生作用于明纬开关电源的反馈，从而调节电源的电流输出。

　　3 软件设计
　　3.1“Normal Mode”充电模式
　　“Norml Mode”是一种PC机控制智能充电的模式，也广东深圳专业医用器材开发工业产品设计机械产品设计研发问题研究就是说对于动力电池的整个充电过程，由PC机发送相应的充电指令进行控制调节。

　　首先，按照所定义的通信协议，由PC机向智能控制模块发送控制指令，串口电平转换部分将RS232电平的控制指令转换为STC单片机可以识别的TTL电平的控制指令。
然后按照指令的格式，或以一定值恒流充电，或以一定值恒压充电，或停止充电。
不管STC单片机最后是何种动作，都是通过调整自身的PWM方波脉冲高平信号的宽度来实现的，而且期望的充电电流或者电压值越高，PWM方波脉冲高平信号的宽广东深圳专业医疗器材造型工业产品设计浅析高层建筑结构设计度越宽。
STC单片机的PWM脉冲波会通过两次积分电路转换，再接上电压跟随器，转换成相应的稳定电压，这里就完成了PC机数字信号到稳压模拟信号的D/A转换。
稳压值再通过与采样电路中采集到的动力电池充电电压值和电流值相应转换后的到的电压值进行比较，反馈处理，得到所期望的充电电压值或者电流值。

　　对于“Auto Mode”来说，“包”的概念至关重要，它直接主导着整个充电过程。
“包”其实完整的名字应该叫做“动力电池充电曲线封装包”，顾名思义，也就是用来存储动力电池充电曲线的封装。
要想做好“包”，必须对各类动力电池的充电属性进行调查研究，然后归类处理，制作成各类动力电池充电曲线图（充电曲线，也就是从开始充电到充电完成，整个过程中各个时间段对应的充电状态，是以何种动作进行充电，充电的电流值或者电压值大小）。
最后，再将充电曲线图通过编程进行封装处理，存储到广东深圳专业医疗产品仪器工业产品设计脂肪肝医疗体操STC单片机中并编号。
在每次使用的时候，通过“包”选择开关发送“包”编号，指定STC单片机中相应的“包”对动力电池的充电作指导。
整个充电过程中，STC单片机通过自己本身的定时中断，不断地查询选定“包”中存储的充电信息，调整PWM脉冲的输出，进而控制动力电池的充电状态。

　　图7为某动力电池的充电曲线，由图我们可以看出，该动力电池的充电基本可以分为四个过程：涓流充电（低压充电）、恒流充电、恒压充电以及充电终止。
在电池电压低于3V的时候，为了保护电池不受损，需要进行恢复性充电，也就是涓流充电。
涓流充电的电流是恒流充电的0.1c左右（0.1c也就是十分之一恒流）。
当电池电压上升到涓流充电阈值以上，这时需要加大充电电流，所以改用1c左右的电流进行恒流充电。
在电池电压上升到4.2V左右时，开始恒压充电阶段。
电流根据电芯的饱和程度，再继续充电的过程中逐渐减小，当电流减小到0.1c左右时，认为充电终止。

　　如图示，该设备控制明纬电源的输出，选用明纬开关电源NES-200-27，该明纬开关电源能够稳定的输出27V的电压。
同时，外接220V的家用电压供应明纬开关电源的工作。
电池选用由四节磷酸铁锂电池串联组成的电池组，该电池满电电压为3.2V，内阻15毫欧以内，最大充电电压3.65V，最大充电电流3.2A。
从设计方案中不难看出，通过控制明纬电源的输出，对电池组进行充电，同时，电池组外接负载，向该设备反馈充电过程中的充电电流参数和电压参数。
为了方便数据的测量，在电池组和负载的回路中串联一个电流表用于测量充电电流，在电池组两端并联一个电压表用于测量充电电压。
同时，在充电开始前先将电池组放电放空。

　　“Normal Mode”充电模式下，测试结果如下：
　　在电池放空的情况下，对电池组进行充电，期望结果应该是：开始阶段，开关电源对电池组进行涓流充电，充电电流大小为0.3A。
在一段时间之后，电池组已经冲进去了一部分电压之后，再对电池组进行恒流充电，充电电流值为3.0A。
最后阶段，对电池组进行恒压充电，直到充满。
从图中不难看出，虽然充电过程并不是百分百的稳定，但是三个过程的充电电流值和电压值基本保持在期望值很小范围内波动。
所以，“Auto Mode”充广东深圳专业医用电子产品工业产品设计产品介绍电模式下，该设备性能还是十分理想的。

　　综合上述测试结果可以得出，本文设计的动力电池智能充电设备具有良好的输出特性，且误差较小，使用方便。

　　5 结束语
　　以STC12C2052AD单片机为核心的动力电池智能充电设备，能够在“Normal Mode”和“Auto Mode”两种充电模式下，根据用户需求可选择的进行智能充电。
PC机控制下的动力电池充电，能够人为的控制充电的电压、电流，并在读取动力电池充电状态的情况下，进行充电方式的精密微调。
“包”选择开关控制下的动力电池充电，则可以根据存储的各类动力电池的充电曲线，选择性地进行细致的充电调控。

　　参考文献：
　　[1] 王恩德， 黄声华. 三相电压型PWM整流的新型双闭环控制策略[J]. 中国电机工程学报， 2012，15：24-30+18.
　　[2] 清华大学电子教研组，童诗白，成华英. 模拟电子技术基础[M]. 高等教育出版社，2006：50-100.
　　[3] 李强. PWM调制开关电源的研究[D]. 中国科技大学，2005：12-23.
　　[4] 宗延涛. 基于PWM整流器的新型开关电源的研究[D]. 山东科技大学， 2009：5-17.
　　[5] 李新静， 张佳��， 魏引利， 等. 锂离子动力电池的温升特性分析[J]. 材料科学与工程学报， 2014，06：908-912.
　　[6] 戴海峰， 周艳新， 顾伟军， 等. 电动汽车用动力锂离子电池寿命问题研究综述[J]. 电源技术， 2014，10：1952-1954+1982.
　　[7] 田鹏， 宋康， 廖俊必， 等. 磷酸铁锂电池性能测试与优化使用研究[J]. 电子测量技术， 2014，12：105-109+113.
　　[8] 李光叶. 双PWM变换器协调控制研究[D]. 天津大学， 2011：34-77.
　　[9] 王少龙， 侯明， 王瑞山. 动力电池的研究现状及发展趋势[J]. 云南冶金， 2010，02：75-80+90.
　　[10] 魏五星. 磷酸铁锂动力电池组性能测试与分析[D]. 武汉理工大学， 2010：16-55.