電動(dòng)自行車蓄電池充電過程智能控制的解決方案

近幾年隨著城鎮(zhèn)規(guī)模的擴(kuò)大，交通越來越擁擠，機(jī)動(dòng)車燃油所排放的尾氣也成為造成大氣污染的主要原因之一。而電動(dòng)自行車因其輕巧、安全、省力并有益于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為理想的交通工具。

目前電動(dòng)自行車所用的電池的鉛酸蓄電池是目前世界上廣泛使用的一種化學(xué)電源，該產(chǎn)品由于具有良好的可逆性，電壓特性平穩(wěn)，使用壽命長(zhǎng)，適用范圍廣，原材料豐富及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的使用。但是由于普通的蓄電池充電方法不合理，其壽命大大縮短?，F(xiàn)在很多普通的蓄電池使用壽命只有3～5年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)指標(biāo)10～15年的要求。研究發(fā)現(xiàn)：電池充電過程對(duì)電池壽命影響較大，也就是說，絕大多數(shù)的電池不是用壞的，而是充壞的。由此可見，一個(gè)性能良好的充電器對(duì)電池的使用壽命具有舉足輕重的作用，同時(shí)也降低了電動(dòng)自行車用戶的經(jīng)濟(jì)投入。

由于單片機(jī)具有良好的控制功能，并且價(jià)格低廉，在鉛酸蓄電池的設(shè)計(jì)中應(yīng)用單片機(jī)作為控制元件可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電過程的智能控制，使其達(dá)到最佳的充電效果。

1 充電器的電路結(jié)構(gòu)

充電器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中市電接入電路、高頻變換電路、3842穩(wěn)壓電路和次級(jí)整流濾波電路4部分構(gòu)成了高頻開關(guān)充電電源。單片機(jī)控制電路、采樣電路和充電輸出電路組成輸出控制電路。

1.1 高頻開關(guān)充電電源

市電接入電路通過RS508型單相橋式集成整流電路將220 V的交流電轉(zhuǎn)換為300 V的直流電。高頻變換電路主要由高頻變壓器T和MOSFET管組成，本文采用的是單端反激式電路。單端反激變換器很重要的特色就是變壓器充當(dāng)了電感，即在原邊開關(guān)(MOSFET管)導(dǎo)通時(shí)變壓器儲(chǔ)能，開關(guān)截止時(shí)變壓器將能量釋放到副邊。高頻變壓器T有3個(gè)副邊繞組和1個(gè)反饋繞組。副邊繞組1的輸出為光藕(TLP250)提供15 V電源，副邊繞組2的輸出為單片機(jī)提供5 V電源，副邊繞組3的輸出構(gòu)成充電主回路，反饋繞組的輸出則為3842提供電源。而3842就是通過調(diào)整輸出PWM波形的脈寬，從而調(diào)整MOSFET管導(dǎo)通和截止的時(shí)間對(duì)高頻變換電路的輸出進(jìn)行穩(wěn)壓的。充電主回路經(jīng)過LC-π型濾波后輸出很純凈的直流。

1.2 PIC16C73B單片機(jī)的控制策略

PIC16C73B是充電電路中的控制部件，他主要用來實(shí)現(xiàn)充電狀態(tài)的轉(zhuǎn)換、溫度補(bǔ)償?shù)目刂?、停充控制和輸出?qū)動(dòng)波形。他是Microchip公司生產(chǎn)的一款基于EPROM的8位高性能微控制器。與其他價(jià)格相當(dāng)?shù)奈⒖刂破飨啾龋趫?zhí)行速度和代碼壓縮方面都有很大的改進(jìn)。由于隨時(shí)可以買到需要的OPT(一次性編程)產(chǎn)品，因而縮短了利用PIC16C73進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的周期。PIC16C73微控制器所具有的優(yōu)越性能主要?dú)w功于他的精簡(jiǎn)指令集(RISC)和所采用的哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，他可運(yùn)用兩級(jí)流水線指令進(jìn)行取數(shù)和執(zhí)行，除了跳轉(zhuǎn)指令需要2個(gè)周期外，其余所有的指令都可在單周期內(nèi)執(zhí)行。

1.2.1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換的控制

當(dāng)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池電壓采樣電路立刻對(duì)電池的端電壓進(jìn)行循環(huán)的掃描，將采樣得到的端電壓信號(hào)送人到PIC16C73B的一路AD口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，單片機(jī)根據(jù)電池當(dāng)前的狀態(tài)決定采用何種方式對(duì)電池充電。控制過程框圖如圖2所示。

1.2.2 溫度補(bǔ)償?shù)目刂?/strong>

充電過程中，電池內(nèi)的再化合反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，由于蓄電池的密封結(jié)構(gòu)使熱量不易散出，導(dǎo)致蓄電池溫度升高，電解液干涸，造成電池的熱失控。而且若沒有溫度補(bǔ)償，可能導(dǎo)致電池充電不足或過充，而縮短了電池的使用壽命。電池溫度采樣電路采集到當(dāng)前的電池溫度，利用PIC16C73B單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。啟動(dòng)溫度補(bǔ)償功能之后，充電電壓可根據(jù)以下方程式進(jìn)行修正：

Vtc=Vn-TcN(T-20)

式中，Vtc為經(jīng)溫度補(bǔ)償后的電壓Vn為未經(jīng)補(bǔ)償?shù)碾娪?Tc為溫度補(bǔ)償系數(shù)，mV/℃，補(bǔ)償系數(shù)一般為-2～4 mV/℃;N為每組蓄電池的數(shù)值;T為溫度傳感器采集的溫度。

1.2.3 停充控制

蓄電池溫度控制在正常充電時(shí)，電池的溫度變化并不明顯，但是，當(dāng)電池過充時(shí)，其內(nèi)部氣體壓力將迅速增大，負(fù)極板上氧化反映使內(nèi)部發(fā)熱，溫度迅速上升(每分鐘可以高幾個(gè)攝氏度)。所以PIC16C73B單片機(jī)可以根據(jù)電池的溫度變化值判斷電池是否充滿，從而發(fā)出停充控制信號(hào)。

停充控制框圖如圖3所示。

1.2.4 驅(qū)動(dòng)波形的輸出

利用PIC16C73B單片機(jī)輸出頻率為120 Hz、占空比為0.8的矩形波，此矩形波在經(jīng)過光藕的放大后直接驅(qū)動(dòng)MOS管(RPF540)，給電池充電。

2 充電器性能試驗(yàn)與測(cè)試

充電試驗(yàn)得到如圖4所示的充電波形。

充電脈沖能充分地還原電池中的浯性物質(zhì)，使蓄電池電量能快速充滿，間歇期使蓄電池有較充分的反應(yīng)時(shí)間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。多次試驗(yàn)結(jié)果表明電池一般在5～6 h即可充滿。

3 結(jié) 語

以高頻開關(guān)充電電源為充電器電路的硬件基礎(chǔ)，PIC16C73B單片機(jī)為控制部件，能準(zhǔn)確地對(duì)電池進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、充電控制、停充控制、溫度補(bǔ)償控制。依據(jù)充電波形知電流在充電過程中慢慢減小，非常近似于美國(guó)科學(xué)家馬斯提出的最佳充電的充電曲線，提高了蓄電池充電接受率，有效地延長(zhǎng)了電池的使用壽命。