2018年04月03日 | 基于单片机控制的能为各类蓄电池充电的多功能充电系统

    前 言

    由于石油危机和日益严重的环境污染，电动汽车发展已经是大势所趋。蓄电池为电动汽车提供动力，而蓄电池充电性能直接影响蓄电池的使用和寿命，蓄电池一般分为铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。由于蓄电池种类繁多且容量不一，不同种类和容量的蓄电池往往需要不同的充电器匹配，如果蓄电池的充电器匹配不好会出现过充过热等不安全现象，从而影响蓄电池的正常使用并缩短蓄电池寿命。因此，设计一款基于单片机控制的能为各类蓄电池充电的多功能充电系统是十分必要的。多功能充电系统能快速稳定地为不同类型和不同容量的蓄电池充电，我们在软件上针对不同类型的蓄电池设计了相应的充电方法，使每种蓄电池都能在最佳充电方法下充电。对于不同容量的蓄电池，在选择好充电方法时只要设定充电参数即可快速稳定地为蓄电池充电。

    1 硬件电路设计

    本系统采用移相全桥软开关电路，即将Boost电路与全桥变换器合成一起组成单级PFC电路，该电路结构简单、效率高，可以实现对输入电流的整定，又可以工作在较大功率场合，发挥了全桥电路的优势。

    系统主要由充电主电路和充电控制回路组成，图1为多功能充电系统硬件原理图。

    1.1 系统工作原理

    本设计采用了开关电源技术，最大功率为3500W，先将220V单相工频交流电，经4个二极管组成全桥电路进行整流，再经过大电容滤波得到300V左右的直流电，此时直流电中纹波较大。直流电通过由4个绝缘栅双极晶体管(IGBT)组成的全桥逆变器，得到电压可调的高频交流电，经高频变压器耦合到副边，再经全桥整流，最后经电感电容滤波得到纹波很小的直流电为蓄电池充电。多功能充电系统能为不同类型的蓄电池及容量不同的蓄电池充电，其充电过程中的充电电压、电流通过单片机实时控制，整个充电系统为反馈控制系统，单片机通过实时检测充电过程中的电流、电压及温度监测整个充电过程，有效地避免了充电过程中过流、过压及过热现象，使充电过程安全稳定地进行。

    逆变桥前的空气开关是为了防止电路中出现短路或大电流损坏蓄电池或电子器件。单片机通过检测充电电流、电压及温度与充电前的设定值进行比较，控制输出4路PWM波到4个IGBT的栅极，从而控制其集电极到发射极电流通断时间，达到控制输出电压的目的。

    由于IGBT需隔离驱动，本设计选用了三菱公司IBGT专用驱动芯片M57962L，图2是其应用电路。

    由于选用了4只IGBT组成全桥逆变器，每个IGBT需要一个M57962L芯片驱动，而每个M57662L芯片需要3个电压等级即15V、l0V、5v为其供电，其中5v电压同时为MC9S12XS128单片机供电，本文设计了一款功率为50W的变压器，为单片机及4个M57962L芯片供电，其次级绕组输出3组电压，经整流滤波稳压后，得到上述所需的3个电压。

    1.2 充电控制回路

    选用飞思卡尔MC9S12XS128单片机作为控制核心进行数据采集和控制，其内部数据存储器8KB、程序存储器128KB，2个SCI、1个SPI、1个IIC、1个CAN、16路A/D、8路PWM、8路ECT模块，其工作频率为80MHz，运算速度快，处理能力大大提高。该芯片集成了l6路l2位高精度的A/D转换器，能直接对蓄电池的充电电压、电流及温度进行检测，8路PWM可直接输出到M57962L芯片控制IGBT的通断，简化了单片机外围电路的设计。

    1.2.1 电压检测

    本系统选用电阻分压式结构，并联在充电电路中监测电压信号，电压信号从PAD0口经单片机自带A/D转换器传至单片机进行处理，这种结构能根据外面的实际电压自动选用相应的量程检测电压，使电压越小时，检测到的电压精度越高，有助于更精确地控制充电过程中的充电电压的变化。

    1.2.2 电流检测

    本系统选用霍尔式电流传感器检测充电电流信号，并将检测到的电流信号经过一定的换算处理从PAD1口经单片机自带的A/D转换器传至单片机进行处理，该传感器精度高，能精确的检测到充电电流0.1A的变化。

    1.2.3 温度检测

    本系统选用热敏电阻检测充电过程中电池温度信号，实际应用时将热敏电阻贴在电池上检测电池温度，该热敏电阻能准确检测到充电过程中电池温度的变化量，温度信号经PAD2口传至单片机进行处理，防止充电过程中电池过热，使充电过程能平稳、安全的进行。

    1.2.4 液晶显示模块

    本系统选用带中文字库的12864液晶屏，液晶屏模块与单片机的PA、PB口相连。

    能实时显示充电过程中的充电电压、充电电流以及电池的端电压和温度，并在空闲时能显示日历、4路PWM波的占空比等。

    1.2.5 按键输入

    选用4x4矩阵键盘。通过按键可切换到蓄电池充电方法选择、充电参数设定、日历调整、4路PWM波的占空比显示及充电电压、充电电流、电池的端电压和温度显示等界面。

    1.2.6 PWM输出

    PWM的输出频率由一个定时器/计数器设定的高频交流电交变周期决定，本系统PWM波形选用左对齐的方式，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 软件设计

    多功能充电系统的系统软件用C语言编写，经过汇编、仿真调试写入单片机的内部程序存储器中，实现系统软件的结构层次化、功能模块化，软件的可读性、可维护性和可扩展性强。

    多功能充电系统针对不同类型的蓄电池，设计了相应的充电方法，软件主要由初始化、充电前电池好坏检测、充电阶段和充电保护等部分组成。

    本系统主要应用磷酸铁锂进行试验，其充电阶段由小电流充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段3部分组成，其程序流程图如图3所示。

    充电阶段：电池检测程序完成后，开始对电池进行小电流充电，充电速率约为1/5C左右;当小电流充电至电池电压达到参考值时，系统进入恒流充电阶段，此阶段为蓄电池的快速充电阶段，充电速率为1-2C;当充电电压达到设定的电池的最大充电电压时，系统进入恒压充电阶段，随着电池电压逐渐上升，充电电流逐渐减小;当充电电流减d,N设定参考值时，系统判断蓄电池充足停止充电。

    充电保护部分：充电过程中不断监测电池电压是否超过安全值、温度或温度变化率是否达到限定值，如有上述情况立即终止充电。检测电池电压是为了防止锂离子电池和铅蓄电池过充，检测温度和温度变化率是否达到限定值，是为了防止镍氢和镍镉电池过充。

    上述充电阶段是针对锂离子电池设计的，实际中主要用磷酸铁锂电池组进行实验，对于其它类型蓄电池，在软件上设定了相应的充电方法：铅蓄电池充电阶段同锂离子电池，即先小电流预充，再恒流充电、最后恒压充电，当恒压充电电流小到一定程度时，系统判断电池充足并停止充电;镍镉电池，先小电流预充，再快速恒流充电，当检测到电池电压第一次下降时，系统判断电池充足并停止充电;镍氢电池，先小电流预充，再快速恒流充电，当电池电压出现零增长时，判断电池充足并停止充电。

    铅蓄电池和锂离子电池自放电率低，电池充满后可直接停止充电，镍氢和镍镉电自放电率高，如夜间无人看守充电时，可在电池充足后采用涓流充电方式给电池补充电荷，使蓄电池保持充足电状态。

    3 结语

    实验结果表明，所设计的多功能充电系统能正常工作，输出的直流电压平稳、纹波小，充电过程控制精度高，能快速稳定地为各类蓄电池充电，并在蓄电池充满电后及时停止充电，有实际应用推广价值。