<st" title="st">strong>摘 要: 介紹一種新型快速充電系統。該系統以ST72" title="ST72">ST72單片機" title="單片機">單片機為控制核心,以多種蓄電池" title="蓄電池">蓄電池為控制對象,對蓄電池充電過程進行參數自動跟蹤、檢測和綜合控制,在延長蓄電池使用壽命的前提下,大幅度提高充電速度。
關鍵詞: 充電系統 蓄電池 單片機
傳統的常規蓄電池充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電,充電時間長達10～20個小時。為了縮短充電時間,必須對充電過程的充電電流進行控制。許多生產廠家誤認為盲目提高充電電流就是快速充電,其實這不但不能提高充電效率,而且會加劇電池的極化現象,升高蓄電池溫度,浪費電能,嚴重損壞蓄電池。根據美國科學家馬斯提出的馬斯三定律,脈沖充電、脈沖放電可以去除電池極化,減小蓄電池的內部壓力、溫度和內阻,加快充電速度,實現蓄電池快速充電需采用充-放-充的循環方式。這種模式的快充系統中一般應包括控制回路、充電回路、放電回路。根據充電過程中測得的參數,通過單片機適當調整,保證脈沖電壓的(充、放)幅值及充電與放電的寬度比值恒定,可以得出充電效率的最佳結果。
1 系統結構
1.1 控制回路
ST72系列單片機是法國ST微電子公司最新生產的簡單、靈活、低價格的8位單片機,采用了獨特的制造工藝和技術,大大提高了抗干擾能力。它專為嵌入式控制應用設計,特別適用于抗噪聲干擾高、整體性價比高的控制系統。它具有以下的主要性能:
(1)工作電源電壓有很寬的適應范圍,從2.4V～5.5V;功耗較低,內部數字看門狗。
(2)豐富的I/O功能,內部帶有3個定時器/計時器,有的還多達16個通道的10位A/D轉換器,兩路脈寬調制，多種通信接口,多達12級的中斷源。
(3)多種內部程序存儲器,除有廉價的OTP(One Time Programming)一次性編程寫入，還有非常方便的FLASH程序存儲器,可以在線編程,易于修改程序代碼。存儲器的容量從1.5KB～60KB不等,可以滿足各種編程的需要。
根據系統功能的需要,選用ST72系列的ST72264G1單片機作控制芯片。該芯片具有4KB的FLASH內部存儲器,2路PWM輸出,最大時鐘頻率8MHz,有20個I/O引腳,6個復用10位A/D轉換器,有SPI、SCI、I2C三種通信接口。控制回路采用ST72264G1加上液晶顯示和鍵盤接口等;它利用單片機自身的A/D端口,組成電壓、電流、溫度檢測電路。
1.2 充放電回路
充電回路是采用一種新型的電源芯片TOP225Y構成的電源電路。該芯片是美國Powergration公司生產的三端隔離式脈寬調制單片開關電源集成電路。它將PWM集成電路和MOSFET功率器件集成在同一芯片中,具備PWM型開關穩壓電源所需的全部功能。通過高頻變壓器使輸出端與電網完全隔離,實現了無功頻變壓器隔離的開關電源的集成化。整個回路具有輸出功率范圍大、成本低、集成化程度高、電路設計簡單等優點。
放電回路則由蓄電池和電阻構成回路,MOS管作為開關,控制放電回路的關斷。MOS管的關斷由單片機給出控制信號。
智能充電系統的原理框圖如圖1所示。
單片機根據電壓反饋和電流反饋,輸出數字電壓轉換成模擬電壓。模擬電壓再經過光耦隔離,然后調節電源芯片TOP225Y控制腳的電流大小,由芯片調節控制信號的占空比,從而調整脈沖電壓的幅值或涓流電流的大小。一般單片機的數字電壓轉換成模擬電壓都需要D/A轉換器,由于ST72系列單片機帶有PWM輸出,因此可以直接利用PWM輸出將數字電壓轉換成模擬電壓,能夠保證精度,省卻了D/A轉換器。
2 系統軟件設計
系統軟件用C語言編寫,經過匯編、仿真調試，燒寫在單片機的內部程序存儲器內。按照軟件工程的規范要求進行軟件設計,實現結構層次化、功能模塊化,不僅使軟件的可讀性、可維護性、可擴展性得到了增強,而且提高了軟件的可靠性。程序的總體結構框圖如圖2所示。
程序先檢測蓄電池是否已充滿和蓄電池的好壞。蓄電池是否充滿可以從其兩端的電壓得出。蓄電池的好壞需要通過開路、短路、測溫等試驗措施來確定。對蓄電池可施加一個比較小的充電電流(約為快速充電電流的1/5),使電池電壓在一定時間內達到某個特定值,確定蓄電池的好壞。開始脈沖充電后,程序自動跟蹤檢測蓄電池的各種參數。當參數達到脈沖充電終止條件時,系統終止快速充電狀態而轉入涓流充電狀態,以補充蓄電池因自放電而損失的電量。在涓流充電狀態下,充電器將以某一充電速率給蓄電池補充電荷,這樣可以使電池總處于充足電狀態。
為保證在任何情況下,均能準確可靠地控制電池的充電狀態,本系統采用了電壓控制、溫度控制和定時控制的綜合控制法。
(1)電壓控制使用拐點控制法。這種充電終止方法由檢測電壓曲線的拐點構成,對鎳氫、鎳鎘電池都適用。用單片機檢測電壓曲線需要求出電壓曲線對時間的一次求導值并檢測其頂點值。ST72264單片機的A/D轉換器每4秒鐘測得電池電壓一次,為減少由于高頻干擾(例如由脈沖充電電流所產生的干擾)而造成的測量誤差,連續多次測量電池電壓得出一個平均測量值。進而對現今和先前的平均測量結果再做一個滾動平均,去除由于電化學電池電壓變化而造成的低頻干擾。通過對幾次測量數據的運算,以獲取電壓對時間的導數。因為電壓是通過A/D轉換器得到的數字量,電壓對時間的一次導數的曲線不平滑,所以必須對該曲線做平滑處理。通過檢測在平滑的導數曲線上所遇到的第一個最高頂值來辯認這個拐點(圖3中的B點)。當探測出這個頂值時就終止快速充電。
(2)溫度控制使用溫度變化率法。鎳氫和鎳鎘電池充足電后,電池溫度迅速上升,而且上升速率ΔT/Δt基本相同。當電池溫度每分鐘上升1℃時,應立即終止快速充電。需要注意的是:由于熱敏電阻的阻值與溫度關系是非線性的,因此,為了提高檢測精度應設法減小熱敏電阻非線性的影響。
(3)定時控制就是設定時間上限,超過時間就停止快速充電。
3 系統的性能評價
利用本充電系統對鎳氫電池、鎳鎘電池充電,對于容量為1000mAH電池,充足電時間為25min;容量為1300mAH的電池,充足電時間為33min;容量為1600mAH的電池,充足電時間為40min,遠遠快于常規充電系統。此外,系統的結構簡單、調試容易、充電安全可靠,不會損壞蓄電池或縮短蓄電池壽命。
參考文獻
1 李 戍.單片機控制的大功率IGBT蓄電池充電系統. 電力電子技術,1998;(1)
2 蘇開才,毛宗源.現代功率電子技術.北京:國防工業出版社,1995
3 Power Integrations. INC. TOPSwitch Datasheets，1997
4 王鴻麟.智能快速充電器設計與制作.北京:科學出版社,1998