一种镍氢镍镉电池的智能充电器及其控制方法
专利名称：一种镍氢、镍镉电池智能充电器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种镍氢、镍镉电池智能充电解决方案，特别涉及一种具体的镍氢、镍镉电池充电装置及其控制实现方法，属于电子设备控制领域。
背景技术：
目前，可充电电池已经广泛应用于各类仪器、仪表等手持设备中。镍氢、镍镉电池由于价格低廉、通用性强、电流大等特点，一直未被锂电池取代。但在充电设备中，由于镍氢、镍镉电池没有锂电池内部的控制芯片，因此对外置充电器的设计要求要复杂得多。目前，市场上已经有相对成熟的镍氢、镍镉电池智能充电器的设计方案，它们大多采用单片机作为控制芯片，在充电过程中根据采样的AD值进行判断，确定充电方式。这种所谓的智能充电器对于多个单节电池并联或固定数量的电池串联是可行的，但对于电池串联数量固定的设备则不行。例如某设备有4个型号，对应供电串联的电池数量分别为2、3、4、5个。 需要一种通用性强的充电装置，能够自行判断NiMH、NiCd电池的数量，并且保证充电的稳定性，而对于这个要求，现有的充电装置很难实现。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种镍氢、镍镉电池智能充电器及其控制方法，以解决智能充电器针对不同的充电配置对镍氢、镍镉电池进行自适应、稳定充电的问题。 本发明的上述第一目的将通过如下技术方案来实现：一种镍氢、镍镉电池智能充电器，包括单片机控制的开关电源电路和DC-DC电源电路，开关电源电路的输出与DC-DC电源电路连接，同时与单片机工作电压对应的稳压电路的输出与单片机连接，其特征在于：DC-DC电源电路通过单片机的AD采样电路输出对电池组充电的两极接口，AD采样电路为单片机内置单元，用于反馈电池组的电压、电流信息，单片机的PWM输出端与DC-DC电源电路连接。进一步地，单片机包括电池检测模块，用于检测智能充电器是否装有电池组； 电池类型及数量检测模块，用于检测组合电池是否为可充电电池组，并确定电池组所含电池的数量；充电模式控制模块，用于根据AD采样电路反馈的电池组电压、电流信息，切换恒流、恒压、涓流充电模式；充电时间控制模块，用于设定充电时间阈值，当超过充电时间阈值时，终止充电器工作。进一步地，电池组中的多个电池串联连接，电池组的两极连接在两极接口上，进一步地，在AD采样电路与两极接口之间设有二极管，用于防止电池组电流回流。
进一步地，智能充电器上设有正常充电指示灯和/或故障报警指示灯。本发明的上述第二个目的是通过如下技术方案实现的：一种镍氢、镍镉电池智能充电方法，由单片机控制的开关电源电路和DC-DC电源电路组成的智能充电器实现，其特征在于：通过单片机的AD采样电路实时反馈电池组的充电状态，单片机根据AD采样电路反馈的电池组的电压、电流信息，通过改变PWM输出端输出波形的占空比，依次切换充电器的恒流、恒压、涓流充电模式。本发明包括初始化步骤，初始化单片机I/O接口、AD采样电路、PWM输出端；电池检测步骤，单片机通过AD采样电路检测智能充电器是否装有电池组； 电池类型及数量检测步骤，单片机通过AD采样电路检测组合电池是否为可充电电池组，并判断电池组所含电池的数量；充电模式控制步骤，用于根据AD采样电路1Ω电阻两端的压差，反馈电池组的电压、电流信息，当单片机判断串联电池数量时，若1Ω电阻两端的压差小于设定值，则控制PWM输出端的输出波形占空比进行恒流模式充电，当电池电压充电到接近标称电压的值时，控制PWM输出端的输出波形占空比转为恒压模式充电，当电池电压达到满电设定值时，为了补偿电池充满电后自放电造成的容量损失，控制PWM输出端的输出波形占空比进行涓流模式充电； 充电时间控制步骤，预设充电时间阈值，当超过充电时间阈值时，终止充电器。
进一步地，在AD采样电路与二极接口之间设置二极管，用于在电池组异常时切断回流电流。进一步地，智能充电器设置有正常充电指示灯和故障报警指示灯。在电池类型及数量检测步骤中，当检测到组合电池为不可充电电池时，单片机点亮故障报警指示灯报警；当智能充电器正常充电时，单片机点亮正常充电指示灯指示状态。进一步地，在电池类型及数量检测步骤中，只有当安装的电池全部为可充电电池组时，才判断电池组所含电池的数量。当安装的电池为部分可充电电池组时，电池类型判断结构为不可充电电池，单片机控制关闭PWM输出，中断过流检测。与现有技术相比，本发明的技术方案实施应用后具有更显著的优势。 一方面可以自适应地对不同节数的电池组进行充电，另一方面可以检测并识别电池是否可充电。针对镍氢、镍镉电池充电的普遍要求，本发明的智能充电器及其控制方法具有系统运行安全、稳定的特点。下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
为了使本发明的技术方案更容易被理解和掌握，下面对本发明的技术方案进行进一步的详细描述。
图1为本发明智能充电器的模块结构示意图；图2为本发明智能充电器的电路示意图；图3为本发明智能充电方法的流程示意图。
具体实施方法本发明针对背景技术中介绍的传统镍氢镍镉电池充电器在稳定性、适应性方面不足的缺陷，提出了一种镍氢镍镉电池智能充电器及其控制方法，是行之有效的。如图1、图2所示，从智能充电器的硬件结构来看，镍氢镍镉电池智能充电器包括开关电源电路和由单片机控制的DC-DC电源电路。开关电源电路比较简单，直接采用专用的开关电源芯片产生10V直流电压作为MOS管的驱动电压。另外，一般的单片机工作电压为5V，所以这里的单片机的5V电源也是由5V稳压电路78L05通过这个10V直流电压产生的。 作为智能充电器的创新结构，DC-DC电源电路通过单片机的AD采样电路输出双极性接口对电池组进行充电，AD采样电路为单片机内置单元，用于反馈电池组的电压、电流信息，单片机的PWM输出端与DC-DC电源电路连接。上述技术方案进一步细化为：单片机包括：电池检测模块，用于检测智能充电器是否配备电池组；电池类型及数量检测模块，用于检测组合电池是否为可充电电池组，并判断电池组所含电池的数量；充电模式控制模块，用于根据AD采样电路反馈的电池组的电压、电流信息，在恒流、恒压、涓流三种充电模式之间切换；充电时间控制模块，用于设置充电时间阈值，当超过充电时间阈值时，终止充电器充电。
而且，电池组中的多个电池串联连接，电池组的两极连接在二极接口上，电池组可以同时与负载并联，在脉冲压电间隔期间向负载放电，以消除镍氢镍镉电池的记忆效应，达到更好的充电效果。另外，智能充电器中AD采样电路与二极接口之间设有二极管，防止电池组电流倒灌。还设有正常充电指示灯和/或故障报警指示灯，指示智能充电器的工作状态。从镍氢镍镉电池智能充电方法的角度，实现由单片机控制的开关电源电路和DC-DC电源电路组成的智能充电器。 其创新点体现在通过单片机的AD采样电路实时反馈电池组的充电状态，单片机根据AD采样电路反馈的电池组电压、电流信息，通过改变PWM输出端的输出波形的占空比，依次切换充电器的恒流、恒压、涓流充电模式。如图2、图3所示的充电方法流程图所示，步骤包括初始化步骤，初始化单片机I/O接口、AD采样电路、PWM输出端；电池检测步骤，单片机通过AD采样电路检测智能充电器是否装有电池组；电池类型及数量检测步骤，单片机通过AD采样电路检测组合电池是否为可充电电池组，并判断电池组所含电池的节数； 充电模式控制步骤，利用AD采样电路的1Ω电阻(图2中的R13)两端的压差反馈电池组的电压、电流信息。当单片机判断串联电池数目时，若1Ω电阻两端的压差小于设定值，则控制PWM输出端输出波形的占空比进行恒流模式充电。当电池电压充电到接近标称电压时，控制PWM输出端输出波形的占空比转为恒压模式充电。当电池电压达到满电设定值时，为补偿电池充满电后自放电造成的容量损失，控制PWM输出端输出波形的占空比进行涓流模式充电。充电时间控制步骤预先设定充电时间阈值，当超过充电时间阈值时，终止充电器工作。
具体来说，当智能充电器插入需要充电的电池时，单片机的AD3首先对电池两端的电压进行采样，并将得到的电压值作为参考值U。打开单片机的PWM脚，调整脉冲占空比，使AD2的电压值稳定在U+ΔU。考虑到二极管D2的压降差（约0.3V），选取ΔU=0.8V，实际上就是将电池两端的电压提高了0.5V进行充电。简而言之，AD2与AD3的组合就是增加ΔU，而AD2与AD1的组合就是监视电流，可以用于恒流充电和过流保护。仪器内部的电池组直接给仪器供电，充电时通过连接负载进行充电。 整个过程采用脉冲充电方式，间隔一段时间正好让电池向负载放电，用于消除镍氢、镍镉电池的记忆效应，达到更好的充电效果。在上述电池类型及数量检测步骤中，只有当安装的电池全部为可充电电池组时，才判断电池组所含电池的节数。当安装的电池为部分可充电电池组时，电池类型判断结构为不可充电电池，单片机控制PWM输出的关断和过流的中断检测。在确定电池充电节数后，根据电池充电电压特性，设计时将充电过程分为3个阶段，每个阶段采用不同的控制方式。第一阶段电池电量相对较空，为了节省时间，应采用恒定大电流充电；第二阶段为充电电池的敏感阶段，为防止过充损坏电池，应采用恒压充电； 第三阶段，对电池进行充满电，以防止电池自放电。
应进行涓流充电，为安全起见，充电过程中充电时间不应超过10小时，并需要不断检测是否过流。另外，当检测到中途取下电池时，单片机需要重新启动程序。为了进一步提高安全稳定性能，在AD采样电路与二极接口之间设置二极管，用于在电池组异常时切断回流电流。同时，智能充电器还设置有正常充电指示灯和故障报警指示灯。在电池类型及数量检测步骤中，当检测到组合电池为不可充电电池时，单片机点亮故障报警指示灯报警；当智能充电器正常充电时，单片机点亮正常充电指示灯指示状态。与现有技术相比，本发明的技术方案实施应用后具有更显著的优势。 一方面可以自适应地对不同节数的电池组进行充电，另一方面可以检测并识别电池是否可充电，针对镍氢、镍镉电池充电的普遍要求，本发明的智能充电器及其控制方法具有系统运行安全稳定的特点。
权利请求
1.一种镍氢、镍镉电池智能充电器，包括单片机控制的开关电源电路和DC-DC电源电路，开关电源电路的输出与DC-DC电源电路连接，还通过与单片机工作电压对应的稳压电路输出与单片机连接，其特征在于：DC-DC电源电路通过单片机的AD采样电路输出双极性接口给电池组充电，AD采样电路为单片机内置单元，用于反馈电池组的电压、电流信息，单片机的PWM输出端与DC-DC电源电路连接。
2.根据权利要求1所述的镍氢、镍镉电池智能充电器，其特征在于：单片机包括：电池检测模块，用于检测智能充电器是否装有电池组；电池类型及数量检测模块，用于检测组合电池是否为可充电电池组，并判断电池组所含电池的数量；充电模式控制模块，用于根据AD采样电路反馈的电池组电压、电流信息，在恒流、恒压、涓流之间切换充电模式；充电时间控制模块，用于设定充电时间阈值，当超过充电时间阈值时，终止充电器工作。
3.根据权利要求1或2所述的镍氢、镍镉电池智能充电器，其特征在于：电池组中的多个电池采用串联方式连接，电池组的两极连接在二极接口上。
4、根据权利要求1所述的镍氢、镍镉电池智能充电器，其特征在于：在AD采样电路与二极接口之间设有二极管，用于防止电池组电流回流。
5.根据权利要求1所述的镍氢、镍镉电池智能充电器，其特征在于：所述智能充电器设有正常充电指示灯和/或故障报警指示灯。
6、一种镍氢、镍镉电池智能充电方法，由单片机控制的开关电源电路和DC-DC电源电路组成的智能充电器实现。其特征在于：通过单片机的AD采样电路实时反馈电池组的充电状态，单片机根据AD采样电路反馈的电池组电压、电流信息，通过改变PWM输出端输出波形的占空比，依次切换充电器的恒流、恒压、涓流充电模式。
7.根据权利要求6所述的一种镍氢、镍镉电池智能充电方法，其是基于单片机控制的开关电源电路和DC-DC电源电路实现的，其特征在于包括以下步骤：初始化步骤，初始化单片机I/O接口、AD采样电路、PWM输出端；电池检测步骤，单片机通过AD采样电路检测智能充电器是否装有电池组；电池类型及数量检测步骤，单片机通过AD采样电路检测组合电池是否为可充电电池组，并判断电池组所含电池的节数； 充电模式控制步骤，用于根据AD采样电路反馈电池组的电压、电流信息，当单片机判断串联电池节数时，若采样电压差小于设定值，则控制PWM输出端输出波形的占空比进行恒流模式充电，当电池电压充到标称电压时，控制PWM输出端输出波形的占空比转为恒压模式充电，当电池电压达到满压设定值时，控制PWM输出端输出波形的占空比进行涓流模式充电；充电时间控制步骤，预设充电时间阈值，当超过充电时间阈值时，终止充电器。
8、根据权利要求6所述的镍氢、镍镉电池智能充电方法，其特征在于：在AD采样电路与二极接口之间设置二极管，用于在电池组异常时切断回流电流。
9.根据权利要求6所述的镍氢、镍镉电池智能充电方法，其特征在于：智能充电器上设置有正常充电指示灯和故障报警指示灯，在电池类型及数量检测步骤中，当检测到组合电池为不可充电电池时，单片机点亮故障报警指示灯报警；当智能充电器正常充电时，单片机点亮正常充电指示灯指示状态。
10.根据权利要求6所述的镍氢、镍镉电池智能充电方法，其特征在于：在电池类型及数量检测步骤中，当安装的电池全部为可充电电池组时，才判断电池组所含电池数目，当安装的电池为部分可充电电池组时，电池类型判断结构为不可充电电池，由单片机控制PWM输出的关闭及过流中断检测。
全文摘要
本发明公开了一种镍氢、镍镉电池智能充电器，包括开关电源电路和由单片机控制的DC-DC电源电路。DC-DC电源电路，其特征在于：DC-DC电源电路通过单片机的AD采样电路输出双极性接口给电池组充电，AD采样电路为单片机内置单元，用于反馈电池组的电压、电流信息，单片机的PWM输出端与DC-DC电源电路连接。通过单片机AD采样电路的反馈性能，实时检测电池是否组装、组装电池的类型、数量，使单片机输出合理的PWM波形，调制充电器在不同电池状态下切换恒流、恒压或涓流充电方式。 本发明技术方案的实施与应用针对镍氢、镍镉电池充电的普遍要求，具有系统运行安全、稳定的特点。
文件号码/
公开日期 2012 年 7 月 11 日 申请日期 2012 年 3 月 26 日 优先权日期 2012 年 3 月 26 日
发明人：周步新、鞠敏华、程蕾、蔡成伟 申请人：苏州工业职业技术学院