基于8xC749單片機的電動自行車智能充電器的設(shè)計與實現(xiàn)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的電器走進人們的日常生活，家庭使用的小容量蓄電池的比例將會逐漸增加。因此，研究如何延長蓄電池的壽命，提高蓄電池的使用效率，并設(shè)計、生產(chǎn)出高質(zhì)量、高效率、符合家庭使用要求的充電器，有著十分重要的意義。
　　評估蓄電池的優(yōu)劣有很多指標，其中壽命是用戶十分關(guān)心的問題之一。而電池的過充電、過放電和充電不足是引起電池故障最主要的原因，其中過充電、充電不足主要是充電方法不當而引起的。常用的直流充電器只是用恒流定壓的方法給蓄電池充電，這樣不但不容易使電池充滿，更嚴重的還會造成充電不均衡的情況，影響電池的壽命。
　　清華大學智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室經(jīng)過近十年的研究開發(fā)，在智能充電算法方面的研究已經(jīng)取得了一些成果。為了實現(xiàn)智能化充電，我們采用單片機作控制器，實時監(jiān)控電壓、電流，使充電過程按理想的充電曲線進行，達到既保護電池、又能使電池充滿的最優(yōu)效果。
1 智能充電器的硬件結(jié)構(gòu)
　　傳統(tǒng)的電池充電器采用電流負反饋的方法來達到恒流充電的目的。為了加入智能控制，達到實時監(jiān)控的目的，我們打開電流反饋環(huán)，加入單片機及相關(guān)控制電路。硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

單片機對正在充電的電池進行實時電壓、電流、溫度取樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機。單片機根據(jù)電池不同的充電狀態(tài)采取不同的充電算法，通過D/A轉(zhuǎn)換輸出反饋電壓，對電源進行控制，通過改變電池組端電壓來達到控制充電過程的目的。在充電過程中，單片機還擔負著平衡電池組中各電池的容量、防止電池過充電而損壞電池的任務。另外，針對不同種類的電池，只要根據(jù)不同電池的最佳充電曲線對控制器里的程序進行相應的調(diào)整，就能對不同類型的電池進行充電。
　　充電器系統(tǒng)中的主要控制部件是單片機。在目前的市場里有很多的充電控制模塊可供選擇，如武漢力源電子的PS1718、BENCHMARQ的BQ2004等，只要接上適當?shù)耐鈬娐罚涂梢越M成不錯的充電器。但從經(jīng)濟的角度出發(fā)，普通的單片機就可以擔負控制器的任務。出于提高系統(tǒng)的集成性和可靠性的考慮，我們可以選擇內(nèi)部帶A/D、D/A轉(zhuǎn)換的單片機作為控制器。在本文中，我們所選擇的是PHILIPS公司的8xC749單片機。該單片機采用高密度CMOS技術(shù)制造；具有2K的ROM或EPROM、64byte的RAM，已經(jīng)足夠充電控制的需要；21個I/O口，可以作狀態(tài)顯示、輸出；一個計時器/計數(shù)器，可以實現(xiàn)延時功能；5路8位A/D轉(zhuǎn)換，可以作為電壓、電流、溫度檢測輸入；8位PWM輸出，經(jīng)濾波后可作為反饋電壓。
　　電池對充電過程中的環(huán)境溫度、電池溫度比較敏感，對于這些電池我們可以加入溫度測量電路。溫度測量有不同的方法，根據(jù)精度要求的不同可以采用不同的熱敏電阻、或者采用現(xiàn)有的溫度傳感器、溫度檢測模塊。充電器根據(jù)不同的環(huán)境、電池溫度采取不同的充電算法。
　　在單片機檢測到電池組中電池不平衡的情況下，可以采用均衡充電的方法，使電量較多的電池少充電，電量較少的電池多充電。均衡充電原理圖如圖2所示。

2 充電算法的設(shè)計與實現(xiàn)
　　根據(jù)清華大學計算機系智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室多年的研究，對于鉛酸電池，采用多段恒流、定壓、脈沖的充電算法最有效。程序原理框圖如圖3所示。

在程序的初始階段應首先對單片機進行初始化，然后判斷電池是否連接正確，根據(jù)電池狀況判斷應該進入哪一個充電階段。具體實現(xiàn)為開始輸出小電壓，然后從小電壓逐漸往上加，不斷讀入電池的電壓、電流，根據(jù)所讀入的數(shù)據(jù)進行判斷。
　　當電池很空的時候，由于電池可能已經(jīng)處于受損的狀態(tài)，這時候應該采用小電流恒流充電。這樣有利于激活電池內(nèi)的反應物質(zhì)，部分恢復受損的電池單元。當電池比較空的時候，可以用大電流恒流充電，使電池在短時間內(nèi)沖入比較大的電量而不會損壞電池。具體算法采取多段恒流方法，實驗證明多段恒流有利于充入更多的電量。當電池比較滿的時候，應該采用定壓充電，這時候隨著充電過程的延續(xù)，電流會逐漸下降，這樣能保證不會充電過量而損害電池。當電池很滿的時候，可以采用的是脈沖充電算法。經(jīng)試驗證明，脈沖充電算法比傳統(tǒng)的小電流充電算法不但速度快，而且充入的電量更多。
　　以上所說有四個充電階段(小電流、多段恒流、恒壓、脈沖)可以采用P、PI、PID算法，以保持電流/電壓的恒定。在充電過程的初段，電池處于恒流充電狀態(tài)，由于電池比較空，控制器對電流的精度要求不高，此時可以采用P算法。通過調(diào)整P算法的比例系數(shù)Kp，可以控制誤差的大小。Kp越大，電流誤差越小，但同時系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。根據(jù)控制理論，可以得到以下關(guān)系式：
　　Ui,i+1＝Ui,i+Kp×(Uo,i－Uo,i－1)
　　ΔI＝A/Kp
　　其中A為充電系統(tǒng)所確定的常數(shù)，由實驗測得。
　　在充電過程的定壓階段，為了避免電池過充電，充電器對電壓精度的要求比較高，此時應采用PI算法，以達到充電器對電池端電壓無差控制的目的。定壓控制的原理如圖4所示。輸出電壓Ui,i+1可由下式計算：
　　Ui,i+1＝Ui,i+Kp×(Uo,i－Uo,i－1)+Ki×Σ(Uo,j－Uo,j－1)

由于電池是一種容性負載，時間常數(shù)比較大，加上開關(guān)電源電路中也有一定的時延，因此整個電池充電系統(tǒng)的延時是比較大的。另外由于均衡充電電路也會引入很大的干擾，因此充電算法的魯棒性非常重要，否則很容易出現(xiàn)控制器反應遲緩或出現(xiàn)超調(diào)震蕩的現(xiàn)象。在這種情況下，PI算法中的常數(shù)Kp、Ki的數(shù)值對系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常重要。尤其是Ki，其取值范圍比較小，很小的變化就會引起系統(tǒng)的震蕩。一般情況下，Kp、Ki的確定可以采用以下方法：
　　(1)先采用P算法初步確定Kp1，選擇Ki1＜＜Kp1；
　　(2)經(jīng)實驗調(diào)整得Ki2;
　　(3)再經(jīng)實驗調(diào)整得Kp2；
　　(4)重復步驟(2)、(3)一到兩次；
　　(5)微調(diào)Ki，使系統(tǒng)的穩(wěn)定域盡量大、時間常數(shù)盡量小。
　　必須注意的是，無論在任何階段，控制器都必須不斷檢測以下三項關(guān)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。其中電池的斷路主要通過檢測電流的大小來判斷。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。斷路的判斷應該在電壓已經(jīng)達到預定值的情況下進行，否則在電壓沒有達到預定值的情況下，電流比較小，可能出現(xiàn)誤判斷。均衡充電是智能電器的另一個重要特點。在充電的過程中，由于電池的質(zhì)量不相同，容量小、質(zhì)量差電池的電壓在充入相同電量后會出現(xiàn)電壓增加比另一個電池多的情況，如果不采取措施，它們的電壓差將會增大，以至其中一個電池很快達到規(guī)定的安全電壓，充電過程被迫停止。這時候應該對電壓高的電池進行放電，即均衡充電。這樣有利于恢復電池內(nèi)受損的單元，使充電過程能順利地進行下去。為了防止電池沖壞，在電池電壓到達規(guī)定的安全電壓時應立刻停止充電，否則會損壞電池。
　　綜上所述，智能充電器是根據(jù)電動自行車、電動游覽車的現(xiàn)實需要而開發(fā)的，在引入了單片機作為控制器以后充電效果比較理想，達到了在保證電池安全的情況下盡量多充入電量的預期效果。但由于智能充電器發(fā)展時間尚短，無論在硬件設(shè)計上還是控制算法方面還存在著一些不足，有待以后不斷地改進。