基于ST72單片機的常規(guī)電池快速充電系統(tǒng)

前言：

傳統(tǒng)的常規(guī)蓄電池充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電，充電時間長達(dá)10～20個小時。為了縮短充電時間，必須對充電過程的充電電流進(jìn)行控制。許多生產(chǎn)廠家誤認(rèn)為盲目提高充電電流就是快速充電，其實這不但不能提高充電效率，而且會加劇電池的極化現(xiàn)象，升高蓄電池溫度，浪費電能，嚴(yán)重?fù)p壞蓄電池。根據(jù)美國科學(xué)家馬斯提出的馬斯三定律，脈沖充電、脈沖放電可以去除電池極化，減小蓄電池的內(nèi)部壓力、溫度和內(nèi)阻，加快充電速度，實現(xiàn)蓄電池快速充電需采用充－放－充的循環(huán)方式。這種模式的快充系統(tǒng)中一般應(yīng)包括控制回路、充電回路、放電回路。根據(jù)充電過程中測得的參數(shù)，通過單片機適當(dāng)調(diào)整，保證脈沖電壓的（充、放）幅值及充電與放電的寬度比值恒定，可以得出充電效率的最佳結(jié)果。
１ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．1 控制回路
ST72系列單片機是法國ST微電子公司最新生產(chǎn)的簡單、靈活、低價格的８位單片機，采用了獨特的制造工藝和技術(shù)，大大提高了抗干擾能力。它專為嵌入式控制應(yīng)用設(shè)計，特別適用于抗噪聲干擾高、整體性價比高的控制系統(tǒng)。它具有以下的主要性能：
（１）工作電源電壓有很寬的適應(yīng)范圍，從2.4Ｖ～5.5Ｖ；功耗較低，內(nèi)部數(shù)字看門狗。
（２）豐富的I/O功能，內(nèi)部帶有3個定時器／計時器，有的還多達(dá)16個通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，兩路脈寬調(diào)制?多種通信接口，多達(dá)12級的中斷源。
（３）多種內(nèi)部程序存儲器，除有廉價的0TP（0ne Time Programming）一次性編程寫入?還有非常方便的Flash程序存儲器，可以在線編程，易于修改程序代碼。存儲器的容量從1.5kB~60kB不等，可以滿足各種編程的需要。
根據(jù)系統(tǒng)功能的需要，選用ST72系列的ST72264G1單片機作控制芯片。該芯片具有4kB的FLASH內(nèi)部存儲器，２路PWM輸出，最大時鐘頻率8MHz，有20個I/O引腳，６個復(fù)用１０位A/D轉(zhuǎn)換器，有SPI,SCI,I2C三種通信接口。控制回路采用ST72262G1加上液晶顯示和鍵盤接口等；它利用單片機自身的Ａ／Ｄ端口，組成電壓、電流、溫度檢測電路。
１．２ 充放電回路
充電回路是采用一種新型的電源芯片TOP225Y構(gòu)成的電源電路。該芯片是美國Powergration公司生產(chǎn)的三端隔離式脈寬調(diào)制單片開關(guān)電源集成電路。它將PWM集成電路和MOSFET功率器件集成在同一芯片中，具備PWM型開關(guān)穩(wěn)壓電源所需的全部功能。通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，實現(xiàn)了無功頻變壓器隔離的開關(guān)電源的集成化。整個回路具有輸出功率范圍大、成本低、集成化程度高、電路設(shè)計簡單等優(yōu)點。
放電回路則由蓄電池和電阻構(gòu)成回路，Ｍ0S管作為開關(guān)，控制放電回路的關(guān)斷。Ｍ0S管的關(guān)斷由單片機給出控制信號。
智能充電系統(tǒng)的原理框圖如圖１所示。

單片機根據(jù)電壓反饋和電流反饋，輸出數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換成模擬電壓。模擬電壓再經(jīng)過光耦隔離，然后調(diào)節(jié)電源芯片TOP225Y控制腳的電流大小，由芯片調(diào)節(jié)控制信號的占空比，從而調(diào)整脈沖電壓的幅值或涓流電流的大小。一般單片機的數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換成模擬電壓都需要D/A轉(zhuǎn)換器，由于ST72系列單片機帶有PWM輸出，因此可以直接利用PWM輸出將數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換成模擬電壓，能夠保證精度，省卻了D/A轉(zhuǎn)換器。
２ 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件用Ｃ語言編寫，經(jīng)過匯編、仿真調(diào)試，燒寫在單片機的內(nèi)部程序存儲器內(nèi)。按照軟件工程的規(guī)范要求進(jìn)行軟件設(shè)計，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)層次化、功能模塊化，不僅使軟件的可讀性、可維護(hù)性、可擴展性得到了增強，而且提高了軟件的可靠性。程序的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖２所示。

程序先檢測蓄電池是否已充滿和蓄電池的好壞。蓄電池是否充滿可以從其兩端的電壓得出。蓄電池的好壞需要通過開路、短路、測溫等試驗措施來確定。對蓄電池可施加一個比較小的充電電流（約為快速充電電流的１／５），使電池電壓在一定時間內(nèi)達(dá)到某個特定值，確定蓄電池的好壞。開始脈沖充電后，程序自動跟蹤檢測蓄電池的各種參數(shù)。當(dāng)參數(shù)達(dá)到脈沖充電終止條件時，系統(tǒng)終止快速充電狀態(tài)而轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài)，以補充蓄電池因自放電而損失的電量。在涓流充電狀態(tài)下，充電器將以某一充電速率給蓄電池補充電荷，這樣可以使電池總處于充足電狀態(tài)。 為保證在任何情況下，均能準(zhǔn)確可靠地控制電池的充電狀態(tài)，本系統(tǒng)采用了電壓控制、溫度控制和定時控制的綜合控制法。
（１）電壓控制使用拐點控制法。這種充電終止方法由檢測電壓曲線的拐點構(gòu)成，對鎳氫、鎳鎘電池都適用。用單片機檢測電壓曲線需要求出電壓曲線對時間的一次求導(dǎo)值并檢測其頂點值。ST72664單片機的A/D轉(zhuǎn)換器每４秒鐘測得電池電壓一次，為減少由于高頻干擾（例如由脈沖充電電流所產(chǎn)生的干擾）而造成的測量誤差，連續(xù)多次測量電池電壓得出一個平均測量值。進(jìn)而對現(xiàn)今和先前的平均測量結(jié)果再做一個滾動平均，去除由于電化學(xué)電池電壓變化而造成的低頻干擾。通過對幾次測量數(shù)據(jù)的運算，以獲取電壓對時間的導(dǎo)數(shù)。因為電壓是通過A/D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)字量，電壓對時間的一次導(dǎo)數(shù)的曲線不平滑，所以必須對該曲線做平滑處理。通過檢測在平滑的導(dǎo)數(shù)曲線上所遇到的第一個最高頂值來辯認(rèn)這個拐點（圖３中的Ｂ點）。當(dāng)探測出這個頂值時就終止快速充電。 （２）溫度控制使用溫度變化率法。鎳氫和鎳鎘電池充足電后，電池溫度迅速上升，而且上升速率ΔＴ／Δｔ基本相同。當(dāng)電池溫度每分鐘上升１℃時，應(yīng)立即終止快速充電。需要注意的是：由于熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系是非線性的，因此，為了提高檢測精度應(yīng)設(shè)法減小熱敏電阻非線性的影響。

（３）定時控制就是設(shè)定時間上限，超過時間就停止快速充電。
３ 系統(tǒng)的性能評價
利用本充電系統(tǒng)對鎳氫電池、鎳鎘電池充電，對于容量為1000mAH電池，充足電時間為25min；容量為1300mAH的電池，充足電時間為33min；容量為1600mAH的電池，充足電時間為40min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于常規(guī)充電系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試容易、充電安全可靠，不會損壞蓄電池或縮短蓄電池壽命。