基于單片機(jī)的通用型智能充電器設(shè)計(jì)
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
電子信息技術(shù)的快速發(fā)展使得各種各樣的電子產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，并朝著便攜和小型輕量化的趨勢發(fā)展，這也使得更多的電氣化產(chǎn)品采用基于電池的供電系統(tǒng)。目前，較多使用的電池有鎳鎘、鎳氫、鉛蓄電池和鋰電池，由于它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)使得它們在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)將共存發(fā)展[4]。由于不同類型的電池的充電特性不同，目前通常對不同類型，甚至不同電壓、容量等級的電池使用不同的充電器，這在實(shí)際使用中有諸多不便。本文設(shè)計(jì)了一種通用型的充電器，可對電壓等級為1.2V～48V的鎳鎘、鎳氫、鉛蓄電池和鋰電池進(jìn)行充電。為達(dá)到如此寬的充電范圍，充電電源采用二級電路拓?fù)?，并使用同一PWM信號源對兩級電路進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。該電源在 85VAC～265VAC的通用輸入范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)1.2V(0.3A)～60V(1.6A)的寬范圍輸出。同時(shí)使用單片機(jī)進(jìn)行充電控制，先進(jìn)的慢脈沖快速充電法[4]，并綜合使用定時(shí)控制、電壓控制和溫度控制來中止快速充電，確保不會(huì)因過充電而損傷電池。
2 充電電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方案
由于要求充電電源的輸出變化范圍為1.2V(0.3A)～60V(1.6A)，采用單級變換器很難實(shí)現(xiàn)這 么大的變化范圍，故采用了兩級結(jié)構(gòu)，電源主電路如圖1所示，交流輸入經(jīng)整流濾波得到穩(wěn)定的直流電壓DCin，首先經(jīng)單端反激變換器預(yù)穩(wěn)壓，并實(shí)現(xiàn)輸入級與輸出級的隔離，然后再經(jīng)BUCK變換器進(jìn)一步降壓，得到所需輸出電壓。為了保證單端反激變換器能穩(wěn)定工作，加入了假負(fù)載R2。由于電池等效于一個(gè)大電容，故輸出端可不加濾波電容。
為簡化控制，采用同一PWM信號對兩級變換器進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。單端反激變換器的的占空比一般應(yīng)不超過0.5，以減小開關(guān)管電壓應(yīng)力，而BUCK變換器則希望盡量提高占空比，以改善輸出電壓波形和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此，在保證能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的輸出變化范圍的情況下，應(yīng)盡量提高BUCK變換器的占空比，這樣就不能采用完全相同的PWM信號同時(shí)控制兩級變換器。為此，本文給出了一種相對簡單的控制策略，使用同一 PWM信號變換出占空比不同的兩路PWM信號，分別控制兩級變換器，具體實(shí)現(xiàn)方法如下所述。
對于任一方波信號，要改變其占空比（對應(yīng)于導(dǎo)通時(shí)間，即信號處于高電平狀態(tài)的時(shí)間），一般有兩種實(shí)現(xiàn)途徑：一是改變其導(dǎo)通時(shí)間而頻率保持不變，二是改變其頻率而導(dǎo)通時(shí)間保持不變。本文采用后一種途徑，即用PWM控制器輸出的信號直接控制BUCK變換器，而在保持導(dǎo)通時(shí)間不變的情況下將其信號進(jìn)行二分頻，得到占空比減半的信號來控制單端反激變換器。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖2(a)所示，源信號經(jīng)分頻器二分頻，得到頻率減半的信號，再與源信號相與，即得到導(dǎo)通時(shí)間不變而頻率減半的信號。電路中各點(diǎn)波形參見圖2(b)。
3 充電控制方案
近年來，如何對電池高效、快速地充電成為充電技術(shù)研究的熱點(diǎn)，國內(nèi)外研究人員也提出了不少快速充電方法，本文即參考了其中一種較實(shí)用的慢脈沖快速充電法，這種方法能確保在充電過程中及時(shí)消除或降低電池極化，電池析氣量少，溫升低，充電效率高。整個(gè)充電過程由恒流和恒壓充電兩個(gè)階段組成，在每一階段均以周期為幾秒到幾十秒的電流或電壓脈沖進(jìn)行充電。而兩階段的轉(zhuǎn)換時(shí)刻則由電池的充電狀態(tài)所決定。
由于充電方法相對較復(fù)雜，且需要對多種類型和規(guī)格的電池進(jìn)行充電，故需要采用可編程器件進(jìn)行控制，而單片機(jī)以其相對強(qiáng)大的功能和低廉的價(jià)格成為首選。本文選用Motorola公司推出的 MC68HC908GP32作為主控元件，整個(gè)系統(tǒng)的組成框圖如圖3所示，反映電池充電狀態(tài)的充電電流、電池電壓和溫度信號經(jīng)采樣電路送入單片機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換口，單片機(jī)根據(jù)充電算法，通過D/A轉(zhuǎn)換口輸出信號控制充電電源的電壓或電流給定，從而達(dá)到控制充電電源輸出的目的。
軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，整個(gè)程序由主程序模塊、各類電池充電子程序模塊以及錯(cuò)誤處理模塊組成，各模塊相對獨(dú)立，以便于算法改進(jìn)及功能擴(kuò)充，其中主程序模塊構(gòu)架了軟件系統(tǒng)的骨架，通過其對其他模塊的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)完整的充電過程控制，其流程圖見圖4。
為確保充電安全，在開始充電前檢測電池電壓和溫度，以排除電池接反、用戶選擇的電池規(guī)格有誤等錯(cuò)誤，并判斷電池的狀態(tài)是否適合快速充電，如電池電壓或溫度過低，則需要進(jìn)行小電流預(yù)充電，待電池電壓、溫度達(dá)到正常范圍后再開始快速充電。在整個(gè)充電過程中均實(shí)時(shí)檢測電池電壓和溫度，并綜合采用最高電壓控制、電壓零增量控制、最高溫度控制和定時(shí)控制等方法來終止快速充電，以確保電池不被過充。
4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論
本文采用清華大學(xué)Motorola單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)研究中心推出的MC68HC908GP32 IDK作為開發(fā)系統(tǒng)[2]，對該充電器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)均有穩(wěn)定的輸出，開關(guān)管的最小導(dǎo)通時(shí)間（對應(yīng)于最小負(fù)載）約為1.2us，而開關(guān)管（MTP4N80）的開關(guān)時(shí)間和反向恢復(fù)時(shí)間之和小于0.7us，故充電電源能穩(wěn)定工作。
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)通用型智能充電器，給出了寬范圍充電電源的一種實(shí)現(xiàn)方法，并充分利用了單片機(jī)強(qiáng)大的控制功能，絕大部分功能由軟件編程實(shí)現(xiàn)，使得系統(tǒng)對硬件的依賴性較小，便于功能的擴(kuò)充及改進(jìn)。
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