基于MC9S12D64鎳氫電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

鎳氫電池的工業(yè)化生產(chǎn)從90年代初期開始，隨著新型鎳氫電池技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已要滿足設(shè)備對(duì)鎳氫電池技術(shù)特性不斷提高的技術(shù)要求，鎳氫電池的能量高，為鎳鎘電池的1.8-2倍，為鉛酸電池的3倍且具有良好的充電性能，可快充深放，無記憶性，不含鎘、鉛、汞等有害物質(zhì)，從而避免了二次電池對(duì)環(huán)境帶來的污染[1]，這些優(yōu)勢使得鎳氫電池廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，純電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車中。

但是由于鎳氫電池的充電方式、充電電流、充電結(jié)束電壓、放電電流，放電深度和電池的溫度等條件會(huì)影響電池的壽命，此外，電池狀態(tài)的不均衡，充放電過程的不均衡，重復(fù)的不均衡充放電，也會(huì)使處于充電狀態(tài)的電池壽命縮短，從而導(dǎo)致整個(gè)電池包的壽命縮短，為此，本文設(shè)計(jì)了一套鎳氫電池的充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)能檢測每個(gè)單體電池的電壓，充電電流，單體電池溫度等，并能人為設(shè)定充電模式，或根據(jù)電池的具體狀態(tài)自動(dòng)選擇充電模式。

系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)mcu的選型

mcu是鎳氫電池充電系統(tǒng)的核心，它需要有完善得自檢測和控制功能，以及較高的智能化水平，能對(duì)鎳氫電池充電電壓、充電電流及鎳氫電池組的電壓、電流、溫度等進(jìn)行檢測和顯示，并根據(jù)電池當(dāng)前狀態(tài)選擇合適的充電方式，這里選用motorola公司的112腳表面貼芯片hsc12系列16位mcu mc9s12d64。

mc9s12d64采用高速s12內(nèi)核（starcore），cpu外部總線頻率為8mhz，內(nèi)部運(yùn)算速度可達(dá)25mhz[3]。片內(nèi)集成了64kb flash、4kb ram和1kbe2prom，可滿足程序?qū)Υ鎯?chǔ)空間的不同要求，mc9s12d64包括1路can總線接口，2路異步串行通信接口（sci），1路同步串行通訊接口（spi），1個(gè)bdlc（j1850）接口，8路8位或4路16位pwm輸出，2個(gè)8路10位ad轉(zhuǎn)換器，8路鍵盤中斷等。通過內(nèi)部的pll電路可以使用0.5-16mhz的低功耗晶振以產(chǎn)生25mhz的片內(nèi)總線時(shí)鐘，單線后臺(tái)調(diào)試模式bdm還能縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

鎳氫電池充電系統(tǒng)由mc9s12d64最小系統(tǒng)--包括電源模塊、外圍復(fù)位電路、時(shí)鐘晶振電路、工作模式選擇、pll電路及bdm調(diào)試接口電路，鎳氫電池充電電路選擇控制，鍵盤控制，液晶顯示，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，電池充滿指示，pwm電流調(diào)節(jié)控制電路，鎳氫電池狀態(tài)檢測，rs-232通信電路和can總線通信電路組成，具體硬件框圖如圖1所示。

整個(gè)鎳氫電池充電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)有以下兩個(gè)方面：鎳氫電池狀態(tài)檢測電路和pwm電流調(diào)節(jié)控制電路。其中鎳氫電池狀態(tài)檢測電路包括檢測鎳氫電池單體電壓，鎳氫電池充電電流及鎳氫電池組的溫度，它是硬件電路設(shè)計(jì)的核心，狀態(tài)檢測的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到電池充電效果和充電的安全性[2]，在鎳氫電池組中電池是串聯(lián)在一起的，要測量每個(gè)單體的電壓，每次只能使一只待測單體電池接入到電路中通過兩片模擬電子開關(guān)cd4067將單體電池的正負(fù)端與系統(tǒng)中的ad采樣端和模擬地相連，并依次接通對(duì)應(yīng)電池的正負(fù)極，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)單體電池電壓之間的切換，充電電流通過電量隔離傳感器，將充電電流轉(zhuǎn)化成電壓，電壓測量通過外擴(kuò)ad芯片icl7109來完成，icl7109是12位數(shù)字輸出ad。供電電壓為±5v，硬件電路如圖2所示，圖中，j11的管腳1-11依次連接電池負(fù)極及電流傳感器的負(fù)輸出端，對(duì)應(yīng)的cd4067（即u45）輸出與模擬地相連，j12的管腳1-10依次連接電池正極及電流傳感器的正輸出端，對(duì)應(yīng)的cd4067（即u44）輸出通過運(yùn)算放大器lm358后接入ad轉(zhuǎn)換芯片以將其信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量由mcu讀入并進(jìn)行處理。

電池組溫度檢測采用的是美國dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器ds18b20。它的測溫范圍為-50+125℃，精度可達(dá)到0.1℃，且不需要a/d轉(zhuǎn)換，并可直接將溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量[4]。ds18b20嚴(yán)格地遵守單線串行通信協(xié)議，每一個(gè)ds18b20在出廠時(shí)都用激光進(jìn)行了調(diào)校，并具有唯一的64位序列號(hào)，多個(gè)ds18b20可采用一線制通信，ds18b20與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)如圖3所示，將ds18b20的信號(hào)線與單片機(jī)的pb0口相連，并在口線上接一個(gè)上拉電阻，便可采用外加電源方式供電。

pwm電流調(diào)節(jié)控制電路可調(diào)節(jié)鎳氫電池的充電電流，因?yàn)閷?duì)鎳氫電池組進(jìn)行充電的電流一般在幾安培到上百安培，這里選用基于igbt的智能功率模塊ipm進(jìn)行大電流充電，ipm是先進(jìn)的混合集成功率器件，由高速、低功耗的igbt和驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路構(gòu)成。內(nèi)有過電壓、過電流、短路和過熱等故障檢測電路，并具有自動(dòng)保護(hù)功能，簡化的鎳氫電池充電電流調(diào)節(jié)回路如圖4所示，其中r1、光隔、r2、r3、igbt集成在ipm中，由pwm通道3控制光隔的通斷來控制igbt的導(dǎo)通，由pwm的占空比來調(diào)節(jié)對(duì)鎳氫電池充電電流的大小。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

鎳氫電池組soc（荷電狀態(tài)）計(jì)算

電池的soc狀態(tài)可用來反應(yīng)當(dāng)前電池的剩余容量，他在數(shù)值上定義為電池剩余容量占與電池容量的比值：

soc=qc/ci （1）

式中，qc為電池剩余容量，ci為電池以恒定電流i放電時(shí)放出的容量，若電池充滿電狀態(tài)定義為soc=1，則soc的定義可表示為：

soc=q/ci （2）

式中，q為電池充入的容量，電池soc的計(jì)算是通過計(jì)算充入電池電量來間接計(jì)算的?？紤]到電池的充電效率，當(dāng)前電池容量的計(jì)算公式為：

qn+1=qn+itη （3）

時(shí)間間隔t可通過定時(shí)時(shí)間t來產(chǎn)生，q可通過定時(shí)中斷服務(wù)程序計(jì)算，soc的值可由公式（2）得到。

控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件主要包括單片機(jī)系統(tǒng)初始化、液晶顯示初始化、實(shí)時(shí)時(shí)鐘初始化、充電控制、狀態(tài)檢測、鍵盤處理、液晶顯示、實(shí)時(shí)時(shí)鐘處理，can通信及定時(shí)中斷處理等，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，不同的功能模塊由不同的子程序來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)主程序流程如圖5所示，圖中的虛線部分為存在多個(gè)充電控制器時(shí)或有上位機(jī)監(jiān)控時(shí)的情況。

單片機(jī)系統(tǒng)初始化模塊的內(nèi)容有：pll電路初始化、端口初始化、can通信初始化、ad初始化、sci口初始化等，系統(tǒng)初始化是保證系統(tǒng)能正常工作的基礎(chǔ)。

充電控制設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，充電控制是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，充電開始時(shí)，首先讀入鎳氫電池的電壓，電池溫度及鍵盤選擇標(biāo)志位，當(dāng)選擇涓流充電方式時(shí)，系統(tǒng)將以c/16的充電速率對(duì)電池涓流充電。當(dāng)無充電方式選擇或選擇恒流充電模式時(shí)，首先判斷電池組的初始溫度是否大于10℃，若電池組初始溫度小于10℃，則以c/16的速率進(jìn)行涓流充電到電池溫度大于10℃，然后以充電電流c/4或由鍵盤設(shè)定的充電電流恒流充電，若鎳氫電池的初始溫度小于10℃，則首先以c/16的充電速率涓流充電2分鐘，然后再恒流充電，充電過程中，系統(tǒng)要實(shí)時(shí)檢測鎳氫電池電壓、充電電流、電池組溫度并讀取充電時(shí)間以便計(jì)算剩余充電時(shí)間和當(dāng)前電池的soc。同時(shí)由液晶顯示，當(dāng)檢測到鎳氫電池的電壓開始下降（du/dt為零或負(fù)值）或電池溫度達(dá)到最大時(shí)，系統(tǒng)將由快速充電方式轉(zhuǎn)入涓流充電方式，并根據(jù)當(dāng)前電池的soc確定剩余充電時(shí)間，當(dāng)充電滿標(biāo)志位置時(shí)，結(jié)束充電。其具體的流程如如圖6所示。

結(jié)束語

充電系統(tǒng)作為電池能量的再次補(bǔ)充，直接決定著充電電池補(bǔ)充能量的有效程度及電池循環(huán)使用壽命的長短，在選用10qnf12進(jìn)行充電測試時(shí)，使用本系統(tǒng)充電與普通充電方式充電相比，在相同充電條件，相同充電次數(shù)下，電池的平均充電時(shí)間可大大縮短，電池充電有效容量可得到提高，電池充電結(jié)束后，單體端電壓一致性提高，結(jié)果表明：本系統(tǒng)在一定程度上消除了充電不均衡現(xiàn)象，從而延長了電池的使用壽命。