基于XC164CM的新型快速無(wú)損智能充電器設(shè)計(jì)

　　充電電路采用Buck型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，C1、L1、C2構(gòu)成π型濾波器可以濾除直流電壓中的高頻分量，其中L1是差模電感。

　　經(jīng)濾波輸出后，PV為Buck變換器輸入電源，同時(shí)也是單片機(jī)控制系統(tǒng)的前級(jí)輸入電源。L2是輸出濾波電感、C5是輸出濾波電容、Q3為功率開(kāi)關(guān)管、D3為續(xù)流二極管。充電電路輸入電壓范圍Ui=20~28 V，輸出電壓范圍U0=3~18 V，負(fù)載輸出電流I0=0~3.5 A，開(kāi)關(guān)頻率fs=20kHz，紋波電壓小于1%即△U0/U0≤1%，當(dāng)負(fù)載電流I0在0~0.4 A時(shí)，Buck電路工作在電感電流不連續(xù)模式；當(dāng)負(fù)載電流I0在0.4~3.5 A時(shí)，電路工作在電感電流連續(xù)模式。

　　3.3 負(fù)脈沖放電電路

　　鎳鎘電池具有記憶效應(yīng)，在對(duì)鎳鎘電池充電前先對(duì)其放電，消除記憶效應(yīng)。同時(shí)，在鎳鎘電池的快速充電過(guò)程中，為了消除電池極化的影響，引入間歇負(fù)脈沖的放電，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了放電電路。放電電路由4個(gè)5Ω/3 W功率電阻（瞬間短時(shí)間放電）和4個(gè)控制開(kāi)關(guān)組成。

　　3.4 電流檢測(cè)及保護(hù)電路

　　電流檢測(cè)及過(guò)流保護(hù)電路如圖4所示。電流采樣輸入端接電池組負(fù)端（BAT-），BAT-與地之間為功率開(kāi)關(guān)管IRF7805和康銅絲采樣電阻RS（29 mΩ），開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)漏源極之間導(dǎo)通電阻RDS（on）為11 mΩ，利用RS+RDS（on）端的壓降來(lái)檢測(cè)電流。

　　圖4 電流檢測(cè)及過(guò)流保護(hù)電路

　　過(guò)流時(shí)（電流超過(guò)4 A），經(jīng)比較器U2A輸出低電平過(guò)流信號(hào)（FAULT），該信號(hào)送入XC164CM的中斷陷阱引腳觸發(fā)單片機(jī)硬件中斷，此外，當(dāng)FAULT為低電平時(shí)，經(jīng)比較器U2B，輸出低電平信號(hào)，也迫使PWM輸出為低電平，強(qiáng)行關(guān)閉開(kāi)關(guān)管Q3，確保系統(tǒng)安全。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　智能充電器的軟件設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)主程序、鎳鎘電池快速充電子程序、ANFIS預(yù)測(cè)電流子程序和故障報(bào)警程序等，使用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，在Keil C166軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上完成。系統(tǒng)軟件對(duì)XC164單片機(jī)特殊功能寄存器SFR的設(shè)置在START_V2.A66中使用匯編語(yǔ)言文件，而整個(gè)充電系統(tǒng)的控制程序采用C語(yǔ)言文件。

　　系統(tǒng)上電后進(jìn)入初始化，讀取E2PROM中的參數(shù)，完成各中斷寄存器和I/O口的功能設(shè)置，給相應(yīng)單元賦初始值。完成后進(jìn)入待機(jī)等待狀態(tài)。充電開(kāi)始，先檢測(cè)是否有電池連接，若檢測(cè)到有電池接入，則進(jìn)入電池的快速充電過(guò)程，其流程圖如圖5所示。ANFIS預(yù)測(cè)可接受電流子程序如圖6所示。

　　圖5 單節(jié)鎳鎘電池智能充電流程圖

　　圖6 ANFIS預(yù)測(cè)可接受電流子程序圖

　　所有的控制程序都由通過(guò)中斷完成，包括由T12周期中斷實(shí)現(xiàn)ANFIS預(yù)測(cè)電流和充電電流的控制，由T3周期中斷實(shí)現(xiàn)充電控制和去極化子程序控制，以及由CCU6硬件陷阱中斷實(shí)現(xiàn)供電過(guò)流/短路保護(hù)。

　　對(duì)于鎳鎘電池的快速充電階段，采用自適應(yīng)跟蹤電池可接受電流變化和負(fù)脈沖充電相結(jié)合的方法。在A-C段，每2分鐘檢測(cè)電池的電壓和電流信息，作為ANFIS模型的輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)ANFIS預(yù)測(cè)下一時(shí)刻電池的可接受電流ick，直到預(yù)測(cè)結(jié)果滿足要求才輸出ick，送給微處理器作為實(shí)際的充電電流大小，通過(guò)單片機(jī)控制調(diào)整充電電路的輸出電壓，給電池提供ick的電流進(jìn)行恒流充電。在A-B段，采用間歇負(fù)脈沖消除極化效應(yīng)。開(kāi)始停充2 ms消除歐姆極化，之后采用大小約為充電電流的2.5倍的放電電流放電3 ms，有效的消除濃度差極化和電化學(xué)極化，放電終止5 ms后充電電流重新啟動(dòng)。

　　當(dāng)電池充入85%的電量時(shí)，接近充足電；此后，電池的極化現(xiàn)象嚴(yán)重，這時(shí)，即使加入負(fù)脈沖去極化后，蓄電池可接受的充電電流仍然很小。因此，在檢測(cè)到充電電流ic≤I0/10后，停止調(diào)用負(fù)脈沖去極化子程序。

　　5 試驗(yàn)結(jié)果

　　鎳鎘電池的智能充電過(guò)程，電池的最大充電電流約為8.75 A，約經(jīng)過(guò)2.3小時(shí)，在2.65小時(shí)電壓升至17.6 V，充電電流減少為400 mA（約為0.1 C的電流），當(dāng)檢測(cè)到100 mV的電壓跌落后，終止充電，充滿指示燈亮，共計(jì)充電時(shí)間2.85小時(shí)，在整個(gè)充電過(guò)程中，充電前期電流較大，前50分鐘的充電電流大于2 A，能較快的給電池充入電量；而在充電時(shí)間為100分鐘時(shí)充電電流約為1 A（為0.22 C），這時(shí)充入的電量為65%C;而充電后期電流下降至很低，完全符合電池自身的充電特性。期間由于負(fù)脈沖的引入，大大減小極化的影響，消除了由于極化現(xiàn)象引起的溫度升高和氣泡的產(chǎn)生，所以，整個(gè)充電過(guò)程電池最高溫度為38.5℃。充電電流曲線如圖7所示。負(fù)脈沖波形如圖8所示。

　　圖7 充電電流曲線

　　圖8 充電電流為2.2A時(shí)的負(fù)脈沖

　　6 結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)鎳鎘電池的充電特性進(jìn)行深入研究，得出電池在某種荷電狀態(tài)下的充電接受率是一定的，文中創(chuàng)新地提出應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)功能和模糊控制的決策規(guī)則對(duì)電池的可接受電流進(jìn)行預(yù)測(cè)，并利用英飛凌的單片機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)的硬件電路。所設(shè)計(jì)的充電器在速充電過(guò)程中引入模糊神經(jīng)網(wǎng)