智能充電器的設(shè)計與實現(xiàn)

韓一平+張明

摘 要：隨著越來越缺乏能源和空氣污染的加劇，目前新的研究越來越重視交通電動汽車，作為電動車的核心部件：電池和充電器，其性能的好壞，直接影響到電動車的質(zhì)量狀況，由此可得，研究性能良好的智能充電器，會給經(jīng)濟和社會帶來顯著的和良好的效益。

關(guān)鍵詞：能源 污染 智能充電器

智能充電原理

圖1 智能充電曲線

至今電池充電方法中較為先進(jìn)的是智能充電，它的原理是充電曲線動態(tài)變化，使它可充電中能被電池接受。du/dt 技術(shù)的引入，蓄電池可以根據(jù)充電的參數(shù)自動判斷當(dāng)它在充電過程中狀態(tài)，如圖1，使充電的電流的充電曲線一直處于在蓄電池可接受的動態(tài)變化，如果電池在充電狀態(tài)下析出少量氣體，電池就可以受到保護(hù)。

充電過程分析

本課題是在三階段充電的基礎(chǔ)上，加上了預(yù)充電判斷電池初始狀態(tài)并結(jié)合PWM軟件控制法，可以在多個階段的充電控制。具體的充電過程為：預(yù)充電、大電流充電、均衡充電和涓流充電。

預(yù)充電：快速充電一開始就對長一段時間沒有使用電池的或新電池充電使用，會對影響電池的使用時間，所以，預(yù)充電的過程是，首先對電池充電用小電流，待充電到某一充電狀態(tài)。

大電流充電：在這種模式下充電器是最大電池所承受的電流給電池進(jìn)行充電，最大電流和電池容量有一定的關(guān)系，往往是和電池的數(shù)值容量有關(guān)系。

均衡充電：當(dāng)大電流充電階段結(jié)束時，還需要把不超過補充充電率0.3 C補足，因為電池并不是完全充滿，因為大電流充電之后，會增加自身電壓，所以需要補足此時的電壓。

涓流充電：根據(jù)電池的斷電壓判斷應(yīng)電池處于哪一階段。當(dāng)單片機的檢測到電壓比較低的時，就進(jìn)入大電流快速充電，相對應(yīng)的控制輸出按輸出相對的占空比脈沖波，在相對短的時間對電池，填充有相對大的量，而不會損壞電池。當(dāng)電池的電壓上升到預(yù)定值時，這時候就達(dá)到涓流充電標(biāo)準(zhǔn)，在這個情況下，用對以較小的電流對電池充電。

硬件設(shè)計與實現(xiàn)

1、總體設(shè)計要求和方案

基本功能：①通過AD0809芯片轉(zhuǎn)換輸出，之后通過軟件編程PWM控制MOS管輸出迫性，實現(xiàn)一個PWM占空比控制的開關(guān)電源。②通過檢測電路采集到的電池兩端的電壓，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，送給單片機，并通過單片機的處理根據(jù)采集到的充電信息控制不同充電階段。③可以通過按鍵實時顯示檢測電池的充電時間、電流、電壓和充電電量。

系統(tǒng)的方框圖如圖2：

圖2 系統(tǒng)原理方框圖

2、單片機部分

單片機選用可編程Flash存儲器大小是8K，微控制器是高性能CMOS8位由STC公司生產(chǎn)的一種低功耗的STC89C52芯片。在一個單芯片內(nèi)有一個系統(tǒng)可編程閃存，該單片機靈活度極高，可以為許多嵌入式產(chǎn)品的應(yīng)用提供解決的途徑。

STC89C52RC單片機里面具有8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 接口，MAX810復(fù)位電路，，3個16 位/計數(shù)器，內(nèi)置4KB EEPROM，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工，4個外部中斷。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。

3、主充電源電路設(shè)計

12V電源穩(wěn)壓接頭作為直流電源在左邊接入電路，電感L、電容器C3、二極管D和場效應(yīng)管（MOSFET）構(gòu)成BUCK電路。在工作過程中，在工作過程中，當(dāng)高電平脈沖的PWM控制信號出現(xiàn)，則場效應(yīng)管的傳導(dǎo)，電感L電流增加，電容C3充電，降壓轉(zhuǎn)換器的能量連續(xù)存起來，電池充電在電感L2通過時，反向偏壓二極管截止了續(xù)流。持續(xù)時間之后的高電平脈沖的PWM變?yōu)榈托盘?，場效?yīng)管截止，電感L電流在下降，二極管導(dǎo)通是電動勢的原因，存儲電荷的L和C3給電池充電。在PWM信號的持續(xù)時間，PWM信號和一個高電平脈沖的低電平到達(dá)再次使MOSFET的導(dǎo)通。上述過程重復(fù)發(fā)生。電感LZ的作用是平滑充電電流。

4、MOS管驅(qū)動放大電路

驅(qū)動電路功能是控制發(fā)送到電壓信號的PWM波電路可以直接驅(qū)動 MOSFET（場場效應(yīng)管）。本課題直接采用一個三極管放大電路。

單片機輸出的PMW信號經(jīng)過三極管的放大電路，輸出比較大的反相脈沖信號。場效應(yīng)管的柵極上管源極接地，漏極接地經(jīng)過AC-DC變換而來的直流穩(wěn)壓電壓。這樣MOS管也工作在脈沖開關(guān)狀態(tài)?？刂瞥潆婋妷旱姆绞街?，是通過單片機PWM輸出的占空比變化，控制MOS管的導(dǎo)通時間控制間接的。

5、A/D轉(zhuǎn)換電路

5.1 ADC0809的結(jié)構(gòu)

ADC0809是能將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的一種8路模擬輸入8位數(shù)字輸出的A/D轉(zhuǎn)換器件。其內(nèi)部為樹形開關(guān)和多個比較器。其將256等分參考電壓U，然后通過比較器得出數(shù)字信號。單5v供電，輸出電壓為0～5v范圍的TTL標(biāo)準(zhǔn)電壓，與微處理器的兼容性好，輸出為三態(tài)（高電平、低電平、高阻態(tài)）。

5.2 ADC0809與系統(tǒng)的連接

MCU的ALE經(jīng)74LS375D觸發(fā)器分頻，送給時鐘CLOCK。單片機中WR和REST結(jié)合TXD，ADC通過或非門控制的數(shù)據(jù)讀取。轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位送給P3.2。結(jié)合軟件控制便可實現(xiàn)對輸入電壓的轉(zhuǎn)換結(jié)果并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，之后針對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

系統(tǒng)軟件測試

系統(tǒng)上電后，程序初始化，系統(tǒng)開始工作，判斷電池端電壓的大小，由端電壓的大小決定進(jìn)入涓流充電還是大電流充電。閾值電壓的10.2V如果大于它檢測到該電池的端時，系統(tǒng)的狀態(tài)處于預(yù)充電，這時候?qū)﹄姵氐某潆娨帽容^小的電流；如果電池電壓在已經(jīng)超過檢測系統(tǒng)，直接進(jìn)入大電流充電狀態(tài)，跳過判斷預(yù)充電狀態(tài)，同時系統(tǒng)繼續(xù)檢測電池端電壓，當(dāng)檢測到電池端電壓超過最大門限電壓15V時，電池充電容量已經(jīng)恢復(fù)到90%左右，此時大電流充電狀態(tài)結(jié)束，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入均衡充電狀態(tài)，以小的均衡充電電流給電池充電。在過充電狀態(tài)下，減少電池與過度充電終端電壓，當(dāng)系統(tǒng)檢測到下降到13.5V的蓄電池端電時，電池容量已經(jīng)達(dá)到100%，表示充電過程結(jié)束，同時自動轉(zhuǎn)入浮充電狀態(tài)，以較小電流給電池維持充電，讓電池容量一直保持在滿值狀態(tài)。系統(tǒng)軟件的主控程序流程如圖3：

圖 3 系統(tǒng)主程序方框圖

智能充電器的測試

1、系統(tǒng)軟件測試

系統(tǒng)軟件的調(diào)試在KEIL4 MDK編譯器的界面上進(jìn)行。邊調(diào)試邊修改，方便簡單易于掌握。

1.1 預(yù)充電

充電各階段的電壓、PWM波形和電壓波形如下，實際電壓值U=9.82V.對應(yīng)波形圖如圖4：

圖 4 預(yù)充電波形圖

1.2 大電流充電

U=12.16，D=90%。對應(yīng)波形如圖5

圖5 大電流充電波形

1.3 均衡充電

U=15.14V .D=20%。對應(yīng)波形圖如圖6：

圖 6 均衡充電波形圖

1.4 涓流充電

U =14.22V，D=4%。如圖7：

圖 7 涓流充電波形圖

2、充電過程電壓波形

實驗電路是對一組12V/1.3Ah的密封鉛蓄電池進(jìn)行充電，充電器充電起始是在預(yù)充電狀態(tài)，蓄電池電壓攀升到接近10V左右，馬上轉(zhuǎn)換到大電流充電狀態(tài)。峰值點的電壓轉(zhuǎn)換由高阻抗的電池是內(nèi)部生成的。經(jīng)過2小時后，電池充滿到容量的90%，充電過程切換到過充電狀態(tài)，當(dāng)電池容量達(dá)到100%時，充電結(jié)束，充電過程進(jìn)入浮充狀態(tài)。從測試結(jié)果看，整個充電過程的發(fā)展都是按設(shè)定的四個充電狀態(tài)進(jìn)行，符合充電要求。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院）