引言

　　由于石油危機(jī)和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染，電動(dòng)汽車發(fā)展已經(jīng)是大勢(shì)所趨,。蓄電池為電動(dòng)汽車提供動(dòng)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(huì)出現(xiàn)過(guò)充過(guò)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(jì)一款基于單片機(jī)控制的能為各類蓄電池充電的多功能充電系統(tǒng)" title="多功能充電系統(tǒng)">多功能充電系統(tǒng)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?cè)谲浖厢槍?duì)不同類型的蓄電池設(shè)計(jì)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(duì)于不同容量的蓄電池,，在選擇好充電方法時(shí)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(jì)

　　本系統(tǒng)采用移相全橋軟開(kāi)關(guān)電路，即將Boost電路與全橋變換器合成一起組成單級(jí)PFC電路,，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、效率高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的整定,，又可以工作在較大功率場(chǎng)合,，發(fā)揮了全橋電路的優(yōu)勢(shì)。

　　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(jì)采用了開(kāi)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(gè)二極管組成全橋電路進(jìn)行整流,，再經(jīng)過(guò)大電容濾波得到300V左右的直流電,，此時(shí)直流電中紋波較大。直流電通過(guò)由4個(gè)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(guò)程中的充電電壓,、電流通過(guò)單片機(jī)實(shí)時(shí)控制,，整個(gè)充電系統(tǒng)為反饋控制系統(tǒng)，單片機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)充電過(guò)程中的電流,、電壓及溫度監(jiān)測(cè)整個(gè)充電過(guò)程,，有效地避免了充電過(guò)程中過(guò)流、過(guò)壓及過(guò)熱現(xiàn)象,，使充電過(guò)程安全穩(wěn)定地進(jìn)行,。

　　逆變橋前的空氣開(kāi)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(jī)通過(guò)檢測(cè)充電電流,、電壓及溫度與充電前的設(shè)定值進(jìn)行比較,，控制輸出4路PWM波到4個(gè)IGBT的柵極，從而控制其集電極到發(fā)射極電流通斷時(shí)間,，達(dá)到控制輸出電壓的目的,。

　　由于IGBT需隔離驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)選用了三菱公司IBGT專用驅(qū)動(dòng)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(gè)IGBT需要一個(gè)M57962L芯片驅(qū)動(dòng)，而每個(gè)M57662L芯片需要3個(gè)電壓等級(jí)即15V,、l0V,、5v為其供電，其中5v電壓同時(shí)為MC9S12XS128單片機(jī)供電,，本文設(shè)計(jì)了一款功率為50W的變壓器,，為單片機(jī)及4個(gè)M57962L芯片供電，其次級(jí)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(gè)電壓。

　　1.2 充電控制回路

　　選用飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)作為控制核心進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制,，其內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8KB,、程序存儲(chǔ)器128KB，2個(gè)SCI,、1個(gè)SPI,、1個(gè)IIC、1個(gè)CAN,、16路A/D,、8路PWM、8路ECT模塊,，其工作頻率為80MHz,，運(yùn)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(duì)蓄電池的充電電壓、電流及溫度進(jìn)行檢測(cè),，8路PWM可直接輸出到M57962L芯片控制IGBT的通斷,，簡(jiǎn)化了單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)。

　　1.2.1 電壓檢測(cè)

　　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(cè)電壓信號(hào),，電壓信號(hào)從PAD0口經(jīng)單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換器傳至單片機(jī)進(jìn)行處理，這種結(jié)構(gòu)能根據(jù)外面的實(shí)際電壓自動(dòng)選用相應(yīng)的量程檢測(cè)電壓,，使電壓越小時(shí),，檢測(cè)到的電壓精度越高，有助于更精確地控制充電過(guò)程中的充電電壓的變化,。

　　1.2.2 電流檢測(cè)

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

　　1.2.3 溫度檢測(cè)

　　本系統(tǒng)選用熱敏電阻檢測(cè)充電過(guò)程中電池溫度信號(hào),，實(shí)際應(yīng)用時(shí)將熱敏電阻貼在電池上檢測(cè)電池溫度，該熱敏電阻能準(zhǔn)確檢測(cè)到充電過(guò)程中電池溫度的變化量,，溫度信號(hào)經(jīng)PAD2口傳至單片機(jī)進(jìn)行處理,，防止充電過(guò)程中電池過(guò)熱，使充電過(guò)程能平穩(wěn),、安全的進(jìn)行,。

　　1.2.4 液晶顯示模塊

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

　　能實(shí)時(shí)顯示充電過(guò)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(shí)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(guò)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(gè)定時(shí)器/計(jì)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(duì)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(jì)

　　多功能充電系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件用C語(yǔ)言編寫,，經(jīng)過(guò)匯編、仿真調(diào)試寫入單片機(jī)的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中,，實(shí)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(hù)性和可擴(kuò)展性強(qiáng),。

　　多功能充電系統(tǒng)針對(duì)不同類型的蓄電池，設(shè)計(jì)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(cè),、充電階段和充電保護(hù)等部分組成。

　　本系統(tǒng)主要應(yīng)用磷酸鐵鋰進(jìn)行試驗(yàn),，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(cè)程序完成后，開(kāi)始對(duì)電池進(jìn)行小電流充電,，充電速率約為1/5C左右,；當(dāng)小電流充電至電池電壓達(dá)到參考值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)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(dāng)充電電壓達(dá)到設(shè)定的電池的最大充電電壓時(shí),，系統(tǒng)進(jìn)入恒壓充電階段,，隨著電池電壓逐漸上升，充電電流逐漸減??；當(dāng)充電電流減d,N設(shè)定參考值時(shí)，系統(tǒng)判斷蓄電池充足停止充電,。

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

　　上述充電階段是針對(duì)鋰離子電池設(shè)計(jì)的,，實(shí)際中主要用磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(dāng)恒壓充電電流小到一定程度時(shí)，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(dāng)檢測(cè)到電池電壓第一次下降時(shí),，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(dāng)電池電壓出現(xiàn)零增長(zhǎng)時(shí)，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(wú)人看守充電時(shí),，可在電池充足后采用涓流充電方式給電池補(bǔ)充電荷，使蓄電池保持充足電狀態(tài),。

3 結(jié)語(yǔ)

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，所設(shè)計(jì)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(guò)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(shí)停止充電,，有實(shí)際應(yīng)用推廣價(jià)值。