基于單片機的電動汽車電池智能快速充電器的設計

　　1 引言
　　電池是電動汽車的關鍵動力輸出單位，在鉛酸蓄電池，鎳鎘電池，鎳氫電池，鋰電池和燃料電池等幾種常用電池中，因為具有能量比大、重量輕、溫度特性好，污染低，記憶效果不明顯等特點，鉛酸蓄電池、鎳氫電池在電動汽車中使用很普遍。然而由于充電方法的不正確.造成充電電池的使用壽命遠遠低于規(guī)定的壽命。也就是說很多電池不是被用壞的而是被充壞的，可見充電器的好壞對電池壽命有很大的影響?；诖恕１疚奶岢鲆环N使用C805lF040單片機智能充電控制方案的智能充電器的設計，能有效的提高充電效率，延長電池的使用壽命。
　　2 硬件設計
　　2.1 系統(tǒng)框圖
　　


　　圖1電動汽車智能充電器系統(tǒng)框圖
　　該電動汽車智能充電器以c8051040F單片機為控制核心，主要包括AC/DC變換器、IGBT功率模塊、高頻變壓器、整流濾波電路、單片機控制電路、脈沖調(diào)寬電路以及狀態(tài)顯示電路等。圖1是其系統(tǒng)框圖。
　　該方案中開關電源的最大輸出功率為2.6KW，交流輸入范圍為l70V-270V，充電器電路主要包括主充電電路和單片機控制電路兩部分，整個電路的工作過程為：220v單相交流電經(jīng)過全橋整流由電容進行濾波.得到約300v左右的直流電.經(jīng)過由4只IGBT構(gòu)成的逆變橋，得到高頻交流電，經(jīng)高頻變壓器耦合到副邊.再經(jīng)過整流管D6，D7整流。最后經(jīng)過電感L3和電容C7濾波后得到穩(wěn)定的直流輸出。由于采用智能充電，根據(jù)不同的電池每個階段充電電壓和充電電流都不同。所以使用cygnal公司的C8051040F單片機作為充電過程控制設備，充電時單片機檢測充電電池的充電電流，充電電壓，電池溫度，防止電路過壓和過流。電池溫度過高，還可以通過檢測電池電壓電流值來決定是否在切換到下一個的充電階段。同時通過單片機給出每一階段的充電的電壓值或是電流值，與采樣所得的對應電壓電流值相比較。通過移相控制芯片uCC3895改變PWM值來改變功率管的導通時間.達到在不同電池不同階段得到不同穩(wěn)定的輸出值的目的。
　　2.2單片機控制電介紹
　　充電控制電路采用C8051F040單片機進行數(shù)據(jù)采集和控制，該芯片是完全集成混合信號系統(tǒng)級芯片(soc).具有與805l指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設及其他功能部件。這些外設或功能部件包括：ADC、可編程增益放大器、DAC、溫度傳感器、12C總線、UART、SPI、定時器、可編程計數(shù)器、定時器陣列等。C805lF040單片機采用流水線結(jié)構(gòu)，機器周期由標準的12個系統(tǒng)時鐘周期降為1個系統(tǒng)時鐘周期，處理能力大大提高，峰值性能可達到25MIPS。內(nèi)置64K字節(jié)的Flash程序存儲器和256B的內(nèi)部RAM及4KB位于外部數(shù)據(jù)存儲器空間的XRAM。C805lF040具有片內(nèi)JTAG調(diào)試電路.通過4腳JTAG接口并使用安裝在最終應用系統(tǒng)中的器件就可以進行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。由于其具有多達8路12位ADc和8路8位ADC.能對來自端口PORTC的單端輸入電壓、電流進行采樣。6通道PWM，片內(nèi)可編程看門狗定時器.可大大簡化單片機控制電路的外圍設計和保證了程序的安全運行。ADC負責對充電時電壓，電流J2C負責溫度數(shù)據(jù)的采集，PWM輸出充電時電壓電流的基準值到到比較電路，同時單片機控制開關電源控制模塊UCC3895。
　　電壓檢測電路：電壓采樣電路由精密電阻和可調(diào)電阻構(gòu)成，由于該單片機AD測量最大設定范圍為5V。所以要使電池組電壓成比例的縮小在5V范圍內(nèi).然后利用C805lF040內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換功能進行轉(zhuǎn)換。單片機在內(nèi)部計算出電池電壓，該電路采用單片機內(nèi)部自帶l2位AD轉(zhuǎn)換.減少了設計電路的復雜性。并提高了可靠性和精度。為了抵抗電氣干擾和高壓電擊.該電路采用高速隔離光藕PC8l7隔離。
　　電流檢測電路：一般進行電流采集時在電路中串聯(lián)一個阻值很小的取樣電阻.把取樣電阻上的電壓輸入單片機轉(zhuǎn)換通道，進行A巾轉(zhuǎn)換.再通過計算把電壓值轉(zhuǎn)換為電流值。但由于本方案中充電電流較大.使用電阻采樣會消耗點較多的功率，因此。本方案使用電流互感器進行電流采樣。
　　溫度檢測電路：溫度采樣采用溫度傳感器LM92。LM92是美國國家半導體公司公司出品的單片高精度數(shù)字溫度傳感器。常溫下，測溫精度可達到正負0.33度。并可與用戶設置的溫度點進行比較。通過12C總線接口可對該傳感器的內(nèi)部寄存器進行讀寫操作。其編程容易。使用方便，在高精度溫度測量及控溫過程中得到廣泛應用。
　　在充電開始前的預處理階段。根據(jù)不同的電池，軟件選擇相應的充電算法.將通道選擇控制字寫入C805lF040單片機的方式寄存器PCAOCPMn中.并初始化計數(shù)器，定時器的寄存器PCA0和模塊捕捉/比較寄存器PCAOCPn。PWM輸出信號的頻率取決于PCA0計數(shù)器/定時器的時基。改變模塊捕捉/比較寄存器PCA0CPn的值可改變PWM輸出脈沖的占空比。
　　


　　充電開始后。軟件定時采集采樣電池分壓電阻上的電壓值，同時。電流互感器電路實時檢測充電電流.經(jīng)過計算.設置PCAOCPn單片機PwM的輸出參數(shù)。實現(xiàn)最佳智能充電控制。
　　2.3 狀態(tài)液晶顯示模塊電路
　　選用LCDl286A點陣液晶顯示屏作為狀態(tài)顯示。液晶顯示模塊電路可直接與單片機C8051F040的I/O口的P5和P3連接，P5作為數(shù)據(jù)口(D0。D7);P3.0，P3.1、P3.2、P3.3、P3.4和P3.5連接液晶模塊的6條信號線LCDD/l，LCDR/W.LCDE，LCDCSl.LCDCS2和LCDRST控制液晶的讀，寫操作。在充電的每個階段均有狀態(tài)顯示，如：電池處于正在充電狀態(tài)、電池因溫度過高進入溫控狀態(tài)、電池快充結(jié)束充電狀態(tài)等。
　　3 軟件設計
　　本軟件主要由系統(tǒng)初始化、預處理、根據(jù)不同電池類型和狀態(tài)選擇脈沖快速充電模塊與算法或恒流、恒壓、浮充充電模塊與算法等部分組成。其流程如圖2所示。
　　


　　圖2主程序框圖
　　3.1初始化
　　在程序的初始階段應首先對C805lFU40單片機進行初始化操作.通過設置I/O口編碼交叉開關來設置I/O端口的輸入輸出狀態(tài).確定芯片引腳功能，設置中斷、TIM定時器參數(shù)等等。
　　3.2預處理
　　預處理階段是進入快速充電前的準備工作。
　　程序初始化后，首先利用C805lF040單片機的內(nèi)部溫度傳感器檢測環(huán)境溫度。環(huán)境溫度過低或過高時.均不能夠?qū)﹄姵剡M行充電，否則將損傷電池。
　　然后，設置A/D轉(zhuǎn)換參數(shù)和通道，檢測電池的端電壓。將檢測數(shù)據(jù)同理論經(jīng)驗值比較，判斷電池的類別以及是否連接正確。對端電壓低的電池，采用短時間的脈動電流充電，這樣有利于激活電池內(nèi)的化學反應物質(zhì)。部分恢復受損的電池單元。對端電壓在標稱范圍內(nèi)的電池選擇相應的充電控制模塊和算法，對端電壓不在標稱范圍內(nèi)的電池.軟件自動將其剔除。
　　3.3快速充電
　　按預定的充電控制模塊和算法設置C805lF040單片機PWM的控制寄存器PCAOCN、方式寄存器PCAOMD以及16位捕捉，比較寄存器PCAOCPn.打開中斷使能位.開始快速充電。
　　快速充電時，C8051F04J0單片機必須不斷檢測以下幾項關鍵技術(shù)指標：電路是否出現(xiàn)斷路、電池是否出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象、電池是否達到規(guī)定的安全電壓、電池是否溫度過高、電池是否滿足-△v或△T/△t條件。
　　其中電池的斷路主要通過檢測采樣電阻上的電流大小來判斷。而且為了避免誤判斷應該反復檢測。當出現(xiàn)斷路時應重新返回預處理階段。斷路的判斷時機應該在電池端電壓已經(jīng)達到預定值的情況下進行，否則在電池端電壓沒有達到預定值的情況下，充電電流比較小?？赡艹霈F(xiàn)誤判斷。
　　電池的端電壓檢測使用C8051F040單片機的片上12位高精度A/D模塊.采用中斷控制方式。這樣可節(jié)省C805lF040單片機在加轉(zhuǎn)換期間的等待時間。端電壓檢測的數(shù)據(jù)，通過充電算法計算電池的電壓負增長-△V是否滿足快速充電終止條件，時實修改c805lF040單片機PwM的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。
　　電池的溫度檢測在端電壓檢測之后進行。C805lF單片機通過設置不同的地址編碼，訪問相應的數(shù)字溫度傳感器LM92,讀取溫度數(shù)據(jù).通過充電算法計算電池的溫度變化率△T/△t是否滿足快速充電終止條件，時實修改C805lF040單片機PWM的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。
　　為了防止電池被沖壞，在電池電壓到達最高端電壓Vmax或最高溫度Tmax時應立刻停止充電，否則會損壞電池。
　　4 結(jié)束語
　　實驗結(jié)果證明，以C805lF040單片機為控制核心的智能快速充電器已能正常工作。由于C805lF040具有良好的性能價格比，將其特有的模擬電路模塊、高精度A/D轉(zhuǎn)換、12C總線接口以及高速PwM等功能運用到充電控制中.有效使用了C8051FD40的片內(nèi)外功能.增加產(chǎn)品的智能化和實用性.節(jié)省了產(chǎn)品的開發(fā)時間和費用，降低了生產(chǎn)成本，同時也提高了產(chǎn)品的一致性和可靠性，具有很好的推廣價值。
　　本文作者創(chuàng)新點：本設計以SoC單片機C805lF040為主體，構(gòu)建電動汽車電池充電系統(tǒng)的硬件設計平臺和軟件設計方法。并在C805lF040內(nèi)部嵌入μC/OS II實時操作系統(tǒng)，可大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時響應能力，增強系統(tǒng)的可靠性、可擴展性和、移植性。