一種電動(dòng)汽車電池智能快速充電器的設(shè)計(jì)

1 引言

電池是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵動(dòng)力輸出單位，在鉛酸蓄電池，鎳鎘電池，鎳氫電池，鋰電池和燃料電池等幾種常用電池中，因?yàn)榫哂心芰勘却?、重量輕、溫度特性好，污染低，記憶效果不明顯等特點(diǎn)，鉛酸蓄電池、鎳氫電池在電動(dòng)汽車中使用很普遍。然而由于充電方法的不正確.造成充電電池的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)定的壽命。也就是說很多電池不是被用壞的而是被充壞的，可見充電器的好壞對電池壽命有很大的影響?；诖?。本文提出一種使用C805lF040單片機(jī)智能充電控制方案的智能充電器的設(shè)計(jì)，能有效的提高充電效率，延長電池的使用壽命。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

該電動(dòng)汽車智能充電器以c8051040F單片機(jī)為控制核心，主要包括AC/DC變換器、IGBT功率模塊、高頻變壓器、整流濾波電路、單片機(jī)控制電路、脈沖調(diào)寬電路以及狀態(tài)顯示電路等。圖1是其系統(tǒng)框圖。

該方案中開關(guān)電源的最大輸出功率為2.6KW，交流輸入范圍為l70V-270V，充電器電路主要包括主充電電路和單片機(jī)控制電路兩部分，整個(gè)電路的工作過程為：220v單相交流電經(jīng)過全橋整流由電容進(jìn)行濾波.得到約300v左右的直流電.經(jīng)過由4只IGBT構(gòu)成的逆變橋，得到高頻交流電，經(jīng)高頻變壓器耦合到副邊.再經(jīng)過整流管D6，D7整流。最后經(jīng)過電感L3和電容C7濾波后得到穩(wěn)定的直流輸出。由于采用智能充電，根據(jù)不同的電池每個(gè)階段充電電壓和充電電流都不同。所以使用cygnal公司的C8051040F單片機(jī)作為充電過程控制設(shè)備，充電時(shí)單片機(jī)檢測充電電池的充電電流，充電電壓，電池溫度，防止電路過壓和過流。電池溫度過高，還可以通過檢測電池電壓電流值來決定是否在切換到下一個(gè)的充電階段。同時(shí)通過單片機(jī)給出每一階段的充電的電壓值或是電流值，與采樣所得的對應(yīng)電壓電流值相比較。通過移相控制芯片uCC3895改變PWM值來改變功率管的導(dǎo)通時(shí)間.達(dá)到在不同電池不同階段得到不同穩(wěn)定的輸出值的目的。

2.2單片機(jī)控制電介紹

充電控制電路采用C8051F040單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，該芯片是完全集成混合信號系統(tǒng)級芯片(soc).具有與805l指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。這些外設(shè)或功能部件包括：ADC、可編程增益放大器、DAC、溫度傳感器、12C總線、UART、SPI、定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器、定時(shí)器陣列等。C805lF040單片機(jī)采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，處理能力大大提高，峰值性能可達(dá)到25MIPS。內(nèi)置64K字節(jié)的Flash程序存儲器和256B的內(nèi)部RAM及4KB位于外部數(shù)據(jù)存儲器空間的XRAM。C805lF040具有片內(nèi)JTAG調(diào)試電路.通過4腳JTAG接口并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的器件就可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。由于其具有多達(dá)8路12位ADc和8路8位ADC.能對來自端口PORTC的單端輸入電壓、電流進(jìn)行采樣。6通道PWM，片內(nèi)可編程看門狗定時(shí)器.可大大簡化單片機(jī)控制電路的外圍設(shè)計(jì)和保證了程序的安全運(yùn)行。ADC負(fù)責(zé)對充電時(shí)電壓，電流J2C負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集，PWM輸出充電時(shí)電壓電流的基準(zhǔn)值到到比較電路，同時(shí)單片機(jī)控制開關(guān)電源控制模塊UCC3895。

電壓檢測電路：電壓采樣電路由精密電阻和可調(diào)電阻構(gòu)成，由于該單片機(jī)AD測量最大設(shè)定范圍為5V。所以要使電池組電壓成比例的縮小在5V范圍內(nèi).然后利用C805lF040內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行轉(zhuǎn)換。單片機(jī)在內(nèi)部計(jì)算出電池電壓，該電路采用單片機(jī)內(nèi)部自帶l2位AD轉(zhuǎn)換.減少了設(shè)計(jì)電路的復(fù)雜性。并提高了可靠性和精度。為了抵抗電氣干擾和高壓電擊.該電路采用高速隔離光藕PC8l7隔離。

電流檢測電路：一般進(jìn)行電流采集時(shí)在電路中串聯(lián)一個(gè)阻值很小的取樣電阻.把取樣電阻上的電壓輸入單片機(jī)轉(zhuǎn)換通道，進(jìn)行A巾轉(zhuǎn)換.再通過計(jì)算把電壓值轉(zhuǎn)換為電流值。但由于本方案中充電電流較大.使用電阻采樣會消耗點(diǎn)較多的功率，因此。本方案使用電流互感器進(jìn)行電流采樣。

溫度檢測電路：溫度采樣采用溫度傳感器LM92。LM92是美國國家半導(dǎo)體公司公司出品的單片高精度數(shù)字溫度傳感器。常溫下，測溫精度可達(dá)到正負(fù)0.33度。并可與用戶設(shè)置的溫度點(diǎn)進(jìn)行比較。通過12C總線接口可對該傳感器的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作。其編程容易。使用方便，在高精度溫度測量及控溫過程中得到廣泛應(yīng)用。

在充電開始前的預(yù)處理階段。根據(jù)不同的電池，軟件選擇相應(yīng)的充電算法.將通道選擇控制字寫入C805lF040單片機(jī)的方式寄存器PCAOCPMn中.并初始化計(jì)數(shù)器，定時(shí)器的寄存器PCA0和模塊捕捉/比較寄存器PCAOCPn。PWM輸出信號的頻率取決于PCA0計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的時(shí)基。改變模塊捕捉/比較寄存器PCA0CPn的值可改變PWM輸出脈沖的占空比。

充電開始后。軟件定時(shí)采集采樣電池分壓電阻上的電壓值，同時(shí)。電流互感器電路實(shí)時(shí)檢測充電電流.經(jīng)過計(jì)算.設(shè)置PCAOCPn單片機(jī)PwM的輸出參數(shù)。實(shí)現(xiàn)最佳智能充電控制。

2.3 狀態(tài)液晶顯示模塊電路

選用LCDl286A點(diǎn)陣液晶顯示屏作為狀態(tài)顯示。液晶顯示模塊電路可直接與單片機(jī)C8051F040的I/O口的P5和P3連接，P5作為數(shù)據(jù)口(D0。D7);P3.0，P3.1、P3.2、P3.3、P3.4和P3.5連接液晶模塊的6條信號線LCDD/l，LCDR/W.LCDE，LCDCSl.LCDCS2和LCDRST控制液晶的讀，寫操作。在充電的每個(gè)階段均有狀態(tài)顯示，如：電池處于正在充電狀態(tài)、電池因溫度過高進(jìn)入溫控狀態(tài)、電池快充結(jié)束充電狀態(tài)等。

3 軟件設(shè)計(jì)

本軟件主要由系統(tǒng)初始化、預(yù)處理、根據(jù)不同電池類型和狀態(tài)選擇脈沖快速充電模塊與算法或恒流、恒壓、浮充充電模塊與算法等部分組成。其流程如圖2所示。

圖2主程序框圖

3.1初始化

在程序的初始階段應(yīng)首先對C805lFU40單片機(jī)進(jìn)行初始化操作.通過設(shè)置I/O口編碼交叉開關(guān)來設(shè)置I/O端口的輸入輸出狀態(tài).確定芯片引腳功能，設(shè)置中斷、TIM定時(shí)器參數(shù)等等。

3.2預(yù)處理

預(yù)處理階段是進(jìn)入快速充電前的準(zhǔn)備工作。

程序初始化后，首先利用C805lF040單片機(jī)的內(nèi)部溫度傳感器檢測環(huán)境溫度。環(huán)境溫度過低或過高時(shí).均不能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電，否則將損傷電池。

然后，設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換參數(shù)和通道，檢測電池的端電壓。將檢測數(shù)據(jù)同理論經(jīng)驗(yàn)值比較，判斷電池的類別以及是否連接正確。對端電壓低的電池，采用短時(shí)間的脈動(dòng)電流充電，這樣有利于激活電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)。部分恢復(fù)受損的電池單元。對端電壓在標(biāo)稱范圍內(nèi)的電池選擇相應(yīng)的充電控制模塊和算法，對端電壓不在標(biāo)稱范圍內(nèi)的電池.軟件自動(dòng)將其剔除。

3.3快速充電

按預(yù)定的充電控制模塊和算法設(shè)置C805lF040單片機(jī)PWM的控制寄存器PCAOCN、方式寄存器PCAOMD以及16位捕捉，比較寄存器PCAOCPn.打開中斷使能位.開始快速充電。

快速充電時(shí)，C8051F04J0單片機(jī)必須不斷檢測以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：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(dá)到規(guī)定的安全電壓、電池是否溫度過高、電池是否滿足-△v或△T/△t條件。

其中電池的斷路主要通過檢測采樣電阻上的電流大小來判斷。而且為了避免誤判斷應(yīng)該反復(fù)檢測。當(dāng)出現(xiàn)斷路時(shí)應(yīng)重新返回預(yù)處理階段。斷路的判斷時(shí)機(jī)應(yīng)該在電池端電壓已經(jīng)達(dá)到預(yù)定值的情況下進(jìn)行，否則在電池端電壓沒有達(dá)到預(yù)定值的情況下，充電電流比較小?？赡艹霈F(xiàn)誤判斷。

電池的端電壓檢測使用C8051F040單片機(jī)的片上12位高精度A/D模塊.采用中斷控制方式。這樣可節(jié)省C805lF040單片機(jī)在加轉(zhuǎn)換期間的等待時(shí)間。端電壓檢測的數(shù)據(jù)，通過充電算法計(jì)算電池的電壓負(fù)增長-△V是否滿足快速充電終止條件，時(shí)實(shí)修改c805lF040單片機(jī)PwM的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。

電池的溫度檢測在端電壓檢測之后進(jìn)行。C805lF單片機(jī)通過設(shè)置不同的地址編碼，訪問相應(yīng)的數(shù)字溫度傳感器LM92,讀取溫度數(shù)據(jù).通過充電算法計(jì)算電池的溫度變化率△T/△t是否滿足快速充電終止條件，時(shí)實(shí)修改C805lF040單片機(jī)PWM的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。

為了防止電池被沖壞，在電池電壓到達(dá)最高端電壓Vmax或最高溫度Tmax時(shí)應(yīng)立刻停止充電，否則會損壞電池。

4 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，以C805lF040單片機(jī)為控制核心的智能快速充電器已能正常工作。由于C805lF040具有良好的性能價(jià)格比，將其特有的模擬電路模塊、高精度A/D轉(zhuǎn)換、12C總線接口以及高速PwM等功能運(yùn)用到充電控制中.有效使用了C8051FD40的片內(nèi)外功能.增加產(chǎn)品的智能化和實(shí)用性.節(jié)省了產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的一致性和可靠性，具有很好的推廣價(jià)值。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本設(shè)計(jì)以SoC單片機(jī)C805lF040為主體，構(gòu)建電動(dòng)汽車電池充電系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)平臺和軟件設(shè)計(jì)方法。并在C805lF040內(nèi)部嵌入μC/OS II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性和、移植性。