引言

　　由于石油危機(jī)和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染,，電動汽車發(fā)展已經(jīng)是大勢所趨,。蓄電池為電動汽車提供動力,，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出現(xiàn)過充過熱等不安全現(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，我們在軟件上針對不同類型的蓄電池設(shè)計了相應(yīng)的充電方法,，使每種蓄電池都能在最佳充電方法下充電,。對于不同容量的蓄電池，在選擇好充電方法時只要設(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

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

　　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)計采用了開關(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個二極管組成全橋電路進(jìn)行整流,，再經(jīng)過大電容濾波得到300V左右的直流電，此時直流電中紋波較大,。直流電通過由4個絕緣柵雙極晶體管（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,，其充電過程中的充電電壓,、電流通過單片機(jī)實(shí)時控制，整個充電系統(tǒng)為反饋控制系統(tǒng),，單片機(jī)通過實(shí)時檢測充電過程中的電流,、電壓及溫度監(jiān)測整個充電過程，有效地避免了充電過程中過流,、過壓及過熱現(xiàn)象,，使充電過程安全穩(wěn)定地進(jìn)行。

　　逆變橋前的空氣開關(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)通過檢測充電電流,、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IGBT的柵極，從而控制其集電極到發(fā)射極電流通斷時間,，達(dá)到控制輸出電壓的目的。

　　由于IGBT需隔離驅(qū)動,，本設(shè)計選用了三菱公司IBGT專用驅(qū)動芯片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IGBT需要一個M57962L芯片驅(qū)動,，而每個M57662L芯片需要3個電壓等級即15V、l0V,、5v為其供電,，其中5v電壓同時為MC9S12XS128單片機(jī)供電，本文設(shè)計了一款功率為50W的變壓器,，為單片機(jī)及4個M57962L芯片供電,，其次級繞組輸出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)存儲器8KB,、程序存儲器128KB,，2個SCI、1個SPI,、1個IIC,、1個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,，能直接對蓄電池的充電電壓,、電流及溫度進(jìn)行檢測，8路PWM可直接輸出到M57962L芯片控制IGBT的通斷,，簡化了單片機(jī)外圍電路的設(shè)計,。

　　1.2.1 電壓檢測

　　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)測電壓信號，電壓信號從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)際電壓自動選用相應(yīng)的量程檢測電壓,，使電壓越小時，檢測到的電壓精度越高,，有助于更精確地控制充電過程中的充電電壓的變化,。

　　1.2.2 電流檢測

　　本系統(tǒng)選用霍爾式電流傳感器檢測充電電流信號，并將檢測到的電流信號經(jīng)過一定的換算處理從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,，能精確的檢測到充電電流0.1A的變化。

　　1.2.3 溫度檢測

　　本系統(tǒng)選用熱敏電阻檢測充電過程中電池溫度信號,，實(shí)際應(yīng)用時將熱敏電阻貼在電池上檢測電池溫度,，該熱敏電阻能準(zhǔn)確檢測到充電過程中電池溫度的變化量，溫度信號經(jīng)PAD2口傳至單片機(jī)進(jìn)行處理,，防止充電過程中電池過熱,，使充電過程能平穩(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)時顯示充電過程中的充電電壓,、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的輸出頻率由一個定時器/計數(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

　　多功能充電系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件用C語言編寫，經(jīng)過匯編,、仿真調(diào)試寫入單片機(jī)的內(nèi)部程序存儲器中,，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)針對不同類型的蓄電池，設(shè)計了相應(yīng)的充電方法,，軟件主要由初始化,、充電前電池好壞檢測、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,，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：電池檢測程序完成后,，開始對電池進(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,，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，系統(tǒng)進(jìn)入恒壓充電階段,，隨著電池電壓逐漸上升,，充電電流逐漸減小,；當(dāng)充電電流減d,N設(shè)定參考值時,，系統(tǒng)判斷蓄電池充足停止充電。

　　充電保護(hù)部分：充電過程中不斷監(jiān)測電池電壓是否超過安全值,、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。檢測電池電壓是為了防止鋰離子電池和鉛蓄電池過充,，檢測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充。

　　上述充電階段是針對鋰離子電池設(shè)計的,，實(shí)際中主要用磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行實(shí)驗,，對于其它類型蓄電池，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,，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)檢測到電池電壓第一次下降時，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)零增長時,，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，如夜間無人看守充電時,，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

　　實(shí)驗結(jié)果表明,，所設(shè)計的多功能充電系統(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停止充電,，有實(shí)際應(yīng)用推廣價值,。