摘 要： 介紹以PHILIPS公司的8xC749微處理器為核心的智能充電控制器的控制原理，討論充電器的硬件結構和各主要組成部分的設計思想，并介紹智能充電器中的兩種新技術：均衡充電和脈沖充電。結合鉛酸電池對充電器的控制算法進行探討。
關鍵詞： 充電器 智能控制器 均衡充電 脈沖充電 8xC749單片機
隨著經濟的發展，越來越多的電器走進人們的日常生活，家庭使用的小容量蓄電池的比例將會逐漸增加。因此，研究如何延長蓄電池的壽命，提高蓄電池的使用效率，并設計、生產出高質量、高效率、符合家庭使用要求的充電器，有著十分重要的意義。
評估蓄電池的優劣有很多指標，其中壽命是用戶十分關心的問題之一。而電池的過充電、過放電和充電不足是引起電池故障最主要的原因，其中過充電、充電不足主要是充電方法不當而引起的。常用的直流充電器只是用恒流定壓的方法給蓄電池充電，這樣不但不容易使電池充滿，更嚴重的還會造成充電不均衡的情況，影響電池的壽命。
清華大學智能技術與系統國家重點實驗室經過近十年的研究開發，在智能充電算法方面的研究已經取得了一些成果。為了實現智能化充電，我們采用單片機作控制器，實時監控電壓、電流，使充電過程按理想的充電曲線進行，達到既保護電池、又能使電池充滿的最優效果。
1 智能充電器的硬件結構
傳統的電池充電器采用電流負反饋的方法來達到恒流充電的目的。為了加入智能控制，達到實時監控的目的，我們打開電流反饋環，加入單片機及相關控制電路。硬件的結構框圖如圖1所示。
單片機對正在充電的電池進行實時電壓、電流、溫度取樣，經A/D轉換輸入單片機。單片機根據電池不同的充電狀態采取不同的充電算法，通過D/A轉換輸出反饋電壓，對電源進行控制，通過改變電池組端電壓來達到控制充電過程的目的。在充電過程中，單片機還擔負著平衡電池組中各電池的容量、防止電池過充電而損壞電池的任務。另外，針對不同種類的電池，只要根據不同電池的最佳充電曲線對控制器里的程序進行相應的調整，就能對不同類型的電池進行充電。
充電器系統中的主要控制部件是單片機。在目前的市場里有很多的充電控制模塊可供選擇，如武漢力源電子的PS1718、BENCHMARQ的BQ2004等，只要接上適當的外圍電路，就可以組成不錯的充電器。但從經濟的角度出發，普通的單片機就可以擔負控制器的任務。出于提高系統的集成性和可靠性的考慮，我們可以選擇內部帶A/D、D/A轉換的單片機作為控制器。在本文中，我們所選擇的是PHILIPS公司的8xC749單片機。該單片機采用高密度CMOS技術制造；具有2K的ROM或EPROM、64byte的RAM，已經足夠充電控制的需要；21個I/O口，可以作狀態顯示、輸出；一個計時器/計數器，可以實現延時功能；5路8位A/D轉換，可以作為電壓、電流、溫度檢測輸入；8位PWM輸出，經濾波后可作為反饋電壓。
電池對充電過程中的環境溫度、電池溫度比較敏感，對于這些電池我們可以加入溫度測量電路。溫度測量有不同的方法，根據精度要求的不同可以采用不同的熱敏電阻、或者采用現有的溫度傳感器、溫度檢測模塊。充電器根據不同的環境、電池溫度采取不同的充電算法。
在單片機檢測到電池組中電池不平衡的情況下，可以采用均衡充電的方法，使電量較多的電池少充電，電量較少的電池多充電。均衡充電原理圖如圖2所示。
2 充電算法的設計與實現
根據清華大學計算機系智能技術與系統國家重點實驗室多年的研究，對于鉛酸電池，采用多段恒流、定壓、脈沖的充電算法最有效。程序原理框圖如圖3所示。
在程序的初始階段應首先對單片機進行初始化，然后判斷電池是否連接正確，根據電池狀況判斷應該進入哪一個充電階段。具體實現為開始輸出小電壓，然后從小電壓逐漸往上加，不斷讀入電池的電壓、電流，根據所讀入的數據進行判斷。
當電池很空的時候，由于電池可能已經處于受損的狀態，這時候應該采用小電流恒流充電。這樣有利于激活電池內的反應物質，部分恢復受損的電池單元。當電池比較空的時候，可以用大電流恒流充電，使電池在短時間內沖入比較大的電量而不會損壞電池。具體算法采取多段恒流方法，實驗證明多段恒流有利于充入更多的電量。當電池比較滿的時候，應該采用定壓充電，這時候隨著充電過程的延續，電流會逐漸下降，這樣能保證不會充電過量而損害電池。當電池很滿的時候，可以采用的是脈沖充電算法。經試驗證明，脈沖充電算法比傳統的小電流充電算法不但速度快，而且充入的電量更多。
以上所說有四個充電階段(小電流、多段恒流、恒壓、脈沖)可以采用P、PI、PID算法，以保持電流/電壓的恒定。在充電過程的初段，電池處于恒流充電狀態，由于電池比較空，控制器對電流的精度要求不高，此時可以采用P算法。通過調整P算法的比例系數Kp，可以控制誤差的大小。Kp越大，電流誤差越小，但同時系統穩定性降低。根據控制理論，可以得到以下關系式：
Ui,i+1＝Ui,i+Kp×(Uo,i－Uo,i－1)
ΔI＝A/Kp
其中A為充電系統所確定的常數，由實驗測得。
在充電過程的定壓階段，為了避免電池過充電，充電器對電壓精度的要求比較高，此時應采用PI算法，以達到充電器對電池端電壓無差控制的目的。定壓控制的原理如圖4所示。輸出電壓Ui,i+1可由下式計算：
Ui,i+1＝Ui,i+Kp×(Uo,i－Uo,i－1)+Ki×Σ(Uo,j－Uo,j－1)
由于電池是一種容性負載，時間常數比較大，加上開關電源電路中也有一定的時延，因此整個電池充電系統的延時是比較大的。另外由于均衡充電電路也會引入很大的干擾，因此充電算法的魯棒性非常重要，否則很容易出現控制器反應遲緩或出現超調震蕩的現象。在這種情況下，PI算法中的常數Kp、Ki的數值對系統的穩定性非常重要。尤其是Ki，其取值范圍比較小，很小的變化就會引起系統的震蕩。一般情況下，Kp、Ki的確定可以采用以下方法：
(1)先采用P算法初步確定Kp1，選擇Ki1＜＜Kp1；
(2)經實驗調整得Ki2;
(3)再經實驗調整得Kp2；
(4)重復步驟(2)、(3)一到兩次；
(5)微調Ki，使系統的穩定域盡量大、時間常數盡量小。
必須注意的是，無論在任何階段，控制器都必須不斷檢測以下三項關鍵技術指標：電路是否出現斷路、電池是否出現不均衡現象、電池是否達到規定的安全電壓。其中電池的斷路主要通過檢測電流的大小來判斷。而且為了避免誤判斷，應該反復檢測。當出現斷路時，應重新返回預處理階段。斷路的判斷應該在電壓已經達到預定值的情況下進行，否則在電壓沒有達到預定值的情況下，電流比較小，可能出現誤判斷。均衡充電是智能電器的另一個重要特點。在充電的過程中，由于電池的質量不相同，容量小、質量差電池的電壓在充入相同電量后會出現電壓增加比另一個電池多的情況，如果不采取措施，它們的電壓差將會增大，以至其中一個電池很快達到規定的安全電壓，充電過程被迫停止。這時候應該對電壓高的電池進行放電，即均衡充電。這樣有利于恢復電池內受損的單元，使充電過程能順利地進行下去。為了防止電池沖壞，在電池電壓到達規定的安全電壓時應立刻停止充電，否則會損壞電池。
綜上所述，智能充電器是根據電動自行車、電動游覽車的現實需要而開發的，在引入了單片機作為控制器以后充電效果比較理想，達到了在保證電池安全的情況下盡量多充入電量的預期效果。但由于智能充電器發展時間尚短，無論在硬件設計上還是控制算法方面還存在著一些不足，有待以后不斷地改進。
參考文獻
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