基于單片機控制的能為各類蓄電池充電的多功能充電系統(tǒng)

    前 言

    由于石油危機和日益嚴重的環(huán)境污染，電動汽車發(fā)展已經(jīng)是大勢所趨。為電動汽車提供動力，而蓄電池充電性能直接影響蓄電池的使用和壽命，蓄電池一般分為鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。由于蓄電池種類繁多且容量不一，不同種類和容量的蓄電池往往需要不同的充電器匹配，如果蓄電池的充電器匹配不好會出現(xiàn)過充過熱等不安全現(xiàn)象，從而影響蓄電池的正常使用并縮短蓄電池壽命。因此，設(shè)計一款基于的能為各類蓄電池充電的多功能是十分必要的。多功能充電系統(tǒng)能快速穩(wěn)定地為不同類型和不同容量的蓄電池充電，我們在軟件上針對不同類型的蓄電池設(shè)計了相應(yīng)的充電方法，使每種蓄電池都能在最佳充電方法下充電。對于不同容量的蓄電池，在選擇好充電方法時只要設(shè)定充電參數(shù)即可快速穩(wěn)定地為蓄電池充電。

    1 硬件電路設(shè)計

    本系統(tǒng)采用移相全橋軟開關(guān)電路，即將Boost電路與全橋變換器合成一起組成單級PFC電路，該電路結(jié)構(gòu)簡單、效率高，可以實現(xiàn)對輸入電流的整定，又可以工作在較大功率場合，發(fā)揮了全橋電路的優(yōu)勢。

    系統(tǒng)主要由充電主電路和充電控制回路組成，圖1為多功能充電系統(tǒng)硬件原理圖。

    1.1 系統(tǒng)工作原理

    本設(shè)計采用了開關(guān)電源技術(shù)，最大功率為3500W，先將220V單相工頻交流電，經(jīng)4個二極管組成全橋電路進行整流，再經(jīng)過大電容濾波得到300V左右的直流電，此時直流電中紋波較大。直流電通過由4個絕緣柵雙極晶體管(IGBT)組成的全橋逆變器，得到電壓可調(diào)的高頻交流電，經(jīng)高頻變壓器耦合到副邊，再經(jīng)全橋整流，最后經(jīng)電感電容濾波得到紋波很小的直流電為蓄電池充電。多功能充電系統(tǒng)能為不同類型的蓄電池及容量不同的蓄電池充電，其充電過程中的充電電壓、電流通過單片機實時控制，整個充電系統(tǒng)為反饋控制系統(tǒng)，單片機通過實時檢測充電過程中的電流、電壓及溫度監(jiān)測整個充電過程，有效地避免了充電過程中過流、過壓及過熱現(xiàn)象，使充電過程安全穩(wěn)定地進行。

    逆變橋前的空氣開關(guān)是為了防止電路中出現(xiàn)短路或大電流損壞蓄電池或電子器件。單片機通過檢測充電電流、電壓及溫度與充電前的設(shè)定值進行比較，控制輸出4路PWM波到4個IGBT的柵極，從而控制其集電極到發(fā)射極電流通斷時間，達到控制輸出電壓的目的。

    由于IGBT需隔離驅(qū)動，本設(shè)計選用了三菱公司IBGT專用驅(qū)動芯片M57962L，圖2是其應(yīng)用電路。

    由于選用了4只IGBT組成全橋逆變器，每個IGBT需要一個M57962L芯片驅(qū)動，而每個M57662L芯片需要3個電壓等級即15V、l0V、5v為其供電，其中5v電壓同時為MC9S12XS128單片機供電，本文設(shè)計了一款功率為50W的變壓器，為單片機及4個M57962L芯片供電，其次級繞組輸出3組電壓，經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓后，得到上述所需的3個電壓。

    1.2 充電控制回路

    選用飛思卡爾MC9S12XS128單片機作為控制核心進行數(shù)據(jù)采集和控制，其內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器8KB、程序存儲器128KB，2個SCI、1個SPI、1個IIC、1個CAN、16路A/D、8路PWM、8路ECT模塊，其工作頻率為80MHz，運算速度快，處理能力大大提高。該芯片集成了l6路l2位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，能直接對蓄電池的充電電壓、電流及溫度進行檢測，8路PWM可直接輸出到M57962L芯片控制IGBT的通斷，簡化了單片機外圍電路的設(shè)計。

    1.2.1 電壓檢測

    本系統(tǒng)選用電阻分壓式結(jié)構(gòu)，并聯(lián)在充電電路中監(jiān)測電壓信號，電壓信號從PAD0口經(jīng)單片機自帶A/D轉(zhuǎn)換器傳至單片機進行處理，這種結(jié)構(gòu)能根據(jù)外面的實際電壓自動選用相應(yīng)的量程檢測電壓，使電壓越小時，檢測到的電壓精度越高，有助于更精確地控制充電過程中的充電電壓的變化。

    1.2.2 電流檢測

    本系統(tǒng)選用霍爾式電流傳感器檢測充電電流信號，并將檢測到的電流信號經(jīng)過一定的換算處理從PAD1口經(jīng)單片機自帶的A/D轉(zhuǎn)換器傳至單片機進行處理，該傳感器精度高，能精確的檢測到充電電流0.1A的變化。

    1.2.3 溫度檢測

    本系統(tǒng)選用熱敏電阻檢測充電過程中電池溫度信號，實際應(yīng)用時將熱敏電阻貼在電池上檢測電池溫度，該熱敏電阻能準確檢測到充電過程中電池溫度的變化量，溫度信號經(jīng)PAD2口傳至單片機進行處理，防止充電過程中電池過熱，使充電過程能平穩(wěn)、安全的進行。

    1.2.4 液晶顯示模塊

    本系統(tǒng)選用帶中文字庫的12864液晶屏，液晶屏模塊與單片機的PA、PB口相連。

    能實時顯示充電過程中的充電電壓、充電電流以及電池的端電壓和溫度，并在空閑時能顯示日歷、4路PWM波的占空比等。

    1.2.5 按鍵輸入

    選用4x4矩陣鍵盤。通過按鍵可切換到蓄電池充電方法選擇、充電參數(shù)設(shè)定、日歷調(diào)整、4路PWM波的占空比顯示及充電電壓、充電電流、電池的端電壓和溫度顯示等界面。

    1.2.6 PWM輸出

    PWM的輸出頻率由一個定時器/計數(shù)器設(shè)定的高頻交流電交變周期決定，本系統(tǒng)PWM波形選用左對齊的方式，每路PWM的占空比：[(PWMPERx—PWMDTYx)/PWMPERx]×100%，其中PWMPERx表示PWM通道寄存器，PWMDTYx表示PWM通道占空比寄存器。

    2 軟件設(shè)計

    多功能充電系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件用C語言編寫，經(jīng)過匯編、仿真調(diào)試寫入單片機的內(nèi)部程序存儲器中，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)層次化、功能模塊化，軟件的可讀性、可維護性和可擴展性強。

    多功能充電系統(tǒng)針對不同類型的蓄電池，設(shè)計了相應(yīng)的充電方法，軟件主要由初始化、充電前電池好壞檢測、充電階段和充電保護等部分組成。

    本系統(tǒng)主要應(yīng)用磷酸鐵鋰進行試驗，其充電階段由小電流充電階段、恒流充電階段、恒壓充電階段3部分組成，其程序流程圖如圖3所示。

    充電階段：電池檢測程序完成后，開始對電池進行小電流充電，充電速率約為1/5C左右;當小電流充電至電池電壓達到參考值時，系統(tǒng)進入恒流充電階段，此階段為蓄電池的快速充電階段，充電速率為1-2C;當充電電壓達到設(shè)定的電池的最大充電電壓時，系統(tǒng)進入恒壓充電階段，隨著電池電壓逐漸上升，充電電流逐漸減小;當充電電流減d,N設(shè)定參考值時，系統(tǒng)判斷蓄電池充足停止充電。

    充電保護部分：充電過程中不斷監(jiān)測電池電壓是否超過安全值、溫度或溫度變化率是否達到限定值，如有上述情況立即終止充電。檢測電池電壓是為了防止鋰離子電池和鉛蓄電池過充，檢測溫度和溫度變化率是否達到限定值，是為了防止鎳氫和鎳鎘電池過充。

    上述充電階段是針對鋰離子電池設(shè)計的，實際中主要用磷酸鐵鋰電池組進行實驗，對于其它類型蓄電池，在軟件上設(shè)定了相應(yīng)的充電方法：鉛蓄電池充電階段同鋰離子電池，即先小電流預(yù)充，再恒流充電、最后恒壓充電，當恒壓充電電流小到一定程度時，系統(tǒng)判斷電池充足并停止充電;鎳鎘電池，先小電流預(yù)充，再快速恒流充電，當檢測到電池電壓第一次下降時，系統(tǒng)判斷電池充足并停止充電;鎳氫電池，先小電流預(yù)充，再快速恒流充電，當電池電壓出現(xiàn)零增長時，判斷電池充足并停止充電。

    鉛蓄電池和鋰離子電池自放電率低，電池充滿后可直接停止充電，鎳氫和鎳鎘電自放電率高，如夜間無人看守充電時，可在電池充足后采用涓流充電方式給電池補充電荷，使蓄電池保持充足電狀態(tài)。

    3 結(jié)語

    實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的多功能充電系統(tǒng)能正常工作，輸出的直流電壓平穩(wěn)、紋波小，充電過程控制精度高，能快速穩(wěn)定地為各類蓄電池充電，并在蓄電池充滿電后及時停止充電，有實際應(yīng)用推廣價值。