在本教程中，设计了充电
电路从恒流模式切换到恒压模式的开关机制，并完成了使用线性调节器调压器拓扑的锂离子电池充电电路。在开关机构中，电池电压的检测是借助于微控制器电路完成的。该开关机构基于继电器电路，继电器电路在微控制器的帮助下再次工作。通过增加基于控制器的开关机构，完成了单芯锂离子电池的充电电路。
虽然任何微控制器都可以用来设计开关机构的控制器电路，但由于 Arduino UNO 是广泛使用的原型板，所以它被用在这个充电器电路中。在 Arduino 上开发非常简单和快速，因为它有大型的社区支持和容易获得的软件库。
– 所需组件 -
图1: 线性调节器调压器单芯锂离子电池充电器开关机构所需
元件清单
方框图 -
图2: 线性调节器调压器单芯锂离子电池充电器开关机构框图
电路连接 -
在前面的教程中，恒流源和恒压源已经使用 lm317稳压器集成电路设计。Lm317是一种流行的正电压调节器，具有过电压保护，内部电流限制，过载保护，低静态电流(更稳定的输出)和安全区域补偿(其内部电路限制最大功率损耗，使其不自毁)。现在，是时候设计一种开关机制，通过检测电池的终端电压，使电池从恒流状态转换为恒压状态充电。
根据锂离子电池的充电周期，充电时必须保持恒流充电，以达到预定的充电电压范围。当电池达到预先设定的电压时，它必须用恒压
电源充电。因此，必须有智能电路来检测电池的真实电压，并在 CC 和 CV 之间切换电池。
电池电压的检测是借助
单片机(Arduino UNO 在这个电路)和开关的帮助下进行的继电器电路。需要充电的电池的最大额定电压为4.2 v。为了给这种电池充电，需要在 CC 模式下提供60ma 的恒定电流，在 CV 模式下提供4.2 v 的恒定电压。充电器电路是通过连接以下元件组装而成的
继电器-用于切换 CC 和 CV 电路的机械继电器用于此电路。电路中使用了两个继电器(在电路图中分别为 rl1和 RL2)。继电器一端连接到12v 电源，另一端连接到晶体管 q1和 q2的收集器。
开关晶体管-继电器触发时，晶体管(q1和 Q2)开关。晶体管 q1和 q2分别与 Arduino 板的引脚12和11接口。这些晶体管用作电路中的高端开关。
二极管-二极管 d1和 d2有助于放电的继电器线圈电流时，他们被关闭。这些二极管被称为反馈二极管或者自由振荡二极管。
电流感应电阻器-为了感应充电电流，使用了一个小值电阻器 Rsense (1欧姆)。该电阻器连接到继电器 r2的 NO 引脚上。在电路中，这个电阻器的最大降幅为60毫伏，所以最好尽可能小地取值电阻器。电阻器 Rsense 的功率额定值可以计算如下-
从电阻器 Rsense 流出的最大电流为60ma。
因此，功率 = (Rsense 上的最大电流)2 * Rsense
功率 = (0.06 * 0.06) * 1
功率 = 3.6兆瓦
因此，根据可用性，一个电阻具有0.25 w 的额定功率可用于 Rsense。电流感应电阻接到 Arduino 的引脚 A1，而 Arduino 的引脚 a0接到充电器电路的输出端，以感应电池电压。
下拉电阻器-在输出端采用高值的下拉电阻器 Rpull (1mω) 。这个电阻器帮助电路保持在理想模式。当电池没有连接到输出端时，该电阻用于接地输出端不需要的尖峰或噪声。因此，微控制器的 ADC 引脚在没有电池的情况下不会感知突然或噪声信号。
微控制器 -Arduino UNO 是用于该电路的微控制器板。控制器的模拟引脚可以感知电池的电流和电压。因此，控制器有助于触发继电器的开和关，这开关的输出 CC 和 CV 电路。从模拟引脚感应电压和电流是由 Arduino 草图管理的。电池的电压和电流水平在控制器中进行数字化，并与最大额定值进行比较，以确定开关点。当电路被切换时，控制器改变连接到晶体管的引脚处的数字逻辑以激活继电器。
下载和检查的 Arduino 草图，以了解它如何提供基于软件的智能切换的 CC 和 CV 电路编程。
指示二极管-有三个二极管连接在电路，以显示充电状态的电路。当充电器电路在 CC 模式下工作时，白色 LED (在电路图中显示为 D3)开始发光。当充电器电路在 CV 模式下工作时，绿色 LED (如电路图中的 D4)开始发光。当电池充满电后，红色 LED (在电路图中显示为 D5)开始发光。这些 led 由 Arduino 板控制，并且根据控制器感知的电池的真实电压，它通过在接口引脚处传递 HIGH 逻辑来开关其中一个 led。同时 LED，绿色 LED 和红色 LED 分别接口到 Arduino 板的引脚7,8和9。
电容器-电容器的 c1在稳压器输入可以处理电源噪声。陶瓷电容 c 2和这个 c 1并行使用来降低 ESR。电路中使用的电容器必须具有比输入电源电压更高的额定电压。否则，电容器可能开始泄漏电流，由于在其板上的过剩电压，并将爆发。在使用直流电源之前，必须确保滤波电容器已经放电。为此，必须用带绝缘手套的螺丝刀将电容器短路。
– 电路是如何工作的
按照这个算法，当电池电压在3 v 到4 v 之间时，电池必须通过恒流源充电。当电池的电压达到4 v 时，就应该用4.2 v 的恒压电源充电。
这个充电电路工作在四个状态-
理想状态-最初，12V 直流电适用于充电电路和任何电池是不连接的输出。在这种状态下，电路保持在理想状态。控制器的模拟引脚在输出端感知零伏特，不触发任何继电器。
恒流状态-当电池连接到电路，其实际电压在3v 到4v 之间，然后微控制器触发晶体管 q1和 Q2。这就激活了继电器 r1和 R2，电池连接到 CC 电路。电池现在开始充电，恒定电流为60ma，白色 LED 开关打开。当电池电压达到4v 时，电池应该切换到 CV 状态。
恒压状态-当锂离子电池电压达到4伏时，微控制器通过下拉电阻感应它，并开关晶体管 Q1 OFF。这个断电继电器 r1和电池然后连接到 CV 电路。该电路以4.2 v 的恒定电压给电池充电，绿色 LED 开关处于开启状态。微控制器连续监控这种状态下的充电电流或电池电流。
终止状态-当充电电流大约为60ma 的10% 至20% 时，电池就被称为完全充电。在这个电路中，10mA 的充电电流被设置为电池充电终端的截止点。当电池电流小于10ma 时，微控制器关闭晶体管 q2并停用继电器 R2。这断开电池从 CV 电路和红色 LED 是开关，以表明电池充满电。
– 程序设计指南 -
Arduino Sketch 设法感知电池电压和电池电流，并通过切换继电器改变充电状态。在 Arduino 的草图中，首先，电路连接是通过定义变量来表示的。
图3: 用于改变充电状态的 Arduino 代码的屏幕截图
对于检测电池电压，定义了感知电压()函数。在该函数中，使用 analogRead ()函数检测电池电压，并将数字读取返回为浮点数。为了检测电池电流，定义了 senseCurrent ()函数。该功能的工作原理与传感电压()功能相同，除了相关的引脚有电流感应电阻连接到它。
图4: 用于感应电压的 Arduino 代码的屏幕快照
在 setup ()函数中使用 pinMode ()函数将 Arduino 引脚设置为数字输入或输出，并将默认逻辑传递给它们。Setup ()函数只在开机时运行一次。
图5: 线性调节器调压器开关机构 Arduino 代码中设置函数的屏幕截图
电池的充电状态是使用代码中的 Flag 变量确定的。
图6: Arduino 编码中线性调节器调压器切换机构的标志变量截图
根据电池状态，在连接到开关晶体管的控制器引脚处设置数字逻辑来触发继电器。数字逻辑的变化是通过代码中的一个 switch 语句来完成的，该语句以 Flag 变量作为切换参数。
图7: 阿尔杜伊诺线性调节器调压器切换机构代码中数字逻辑的屏幕截图
这就完成了 Arduino 示意图。检查完整的代码并将其编译到 Arduino 板上进行测试。
测试电路
为了测试充电器电路，一个标称电压3.7 v 的锂离子电池由它充电。最初，电池电压(Vbat)测量为3.84 v，并注意到以下观察时，充电电池-
图8: 表列锂离子电池充电器的输出特性
从上面的观察可以看出，电池充电非常缓慢。这是由于在恒流模式下充电电流较小(只有60毫安)。如果充电电流增加，那么电池充电所需的时间就会减少。CC 模式下的电池充电电流可以根据电池标准提高。这样可以缩短电池的充电时间。
使用线性调节器调压器设计的充电器电路具有以下特点:
反向电池极性保护-在电路中，当电池以反向极性连接时，继电器提供隔离。
逆向电流保护-当充电电路是关闭的，并且电池仍然连接在输出端，那么就可以有电流从电池到充电器电路的逆向流动。因此，继电器 r1提供了隔离和保护电路的背面电流。
自动充电终端-控制器的程序切断 CV 电路以及一旦电池电压达到4.2 v，所以，有一个自动充电终端避免任何过充电的电池。
可视指示-在电路中接口有发光二极管来指示电池的充电状态。当电池充电在50% 到90% 之间，并且充电器在恒流模式下工作时，白光 LED 被打开。当电池充电90% 或以上，充电器在恒压模式下运行时，绿色 LED 开关打开。当电池完全充电时，红色 LED 开关打开。所有这些 led 都是由控制器开关取决于电池的实际电压感知它。
这种充电器电路设计简单，只需要装配基本的
电子元件。在 Arduino 板上使用的程序代码也是简单直接的。虽然这种充电器电路有一定的局限性。
在恒流充电模式下，充电电流设定值越小，充电时间越长。在 CC 模式下增加充电电流可以减少充电时间。要了解如何在 CC 模式下增加充电电流，请查看前面的教程，其中设计了恒流和恒压源电路。由于使用了机械继电器，这个电路变得相当笨重。此外，电路设计工作只在恒定电流和恒定电压状态。充电器电路不在滴流充电状态下工作，滴流充电意味着当电池的真实电压低于3伏时给电池充电。因此，这种充电电路应该用于电压在3v 以上的锂离子电池充电。
在组装电路时，注意一些预防措施是很重要的。为了安全起见，锂离子电池必须始终以0.5 c 至0.8 c 的充电速率充电。继电器的电压应小于用于触发继电器的输入电压。反激二极管(d1和 D2)应该在两个继电器上使用，以防止电路产生任何反激电流。Rsense 必须使用具有适当额定功率的电阻器，否则额定功率较低的电阻器会因高电流而损坏。Arduino 板可以感知最小电压5mv。因此，必须明智地选择电流感应电阻器，以便在任何充电状态下，通过它的电压都不会低于5毫伏。必须注意充电器电路的输出端子不要意外短路。否则，它也会导致电池终端短路，这可能会使电池着火。因此，如果电池终端被短路，即使是错误的，也会有严重的危险。在电路中不应该有任何松动的连接，否则，在输出端可能没有电压或突然的电压。
在组装电路时，特别注意与 Arduino 板接口部件时的一些注意事项也很重要。应该确保控制板的背面不接触任何金属表面，因为它可以流动下面的小电流，并可能损坏板。提供给 Arduino UNO 的电压不能超过12v。因此，应该使用稳压直流电源为 Arduino 板供电。控制板只在直流电源上工作。因此，即使充电器电路的主要电源是交流电源，那么它也必须由变压器分级，由桥接电路整流，并由类似7812的稳压器集成电路调节。在编译代码时，必须在 Arduino IDE 中选择正确的板卡。选择董事会可以通过导航到工具-> 董事会-> 选择选项。虽然上传的代码 USB 连接器不应该删除的 PC 时，草图上传到板即使它可能需要时间。
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