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基于单片机的脉冲快速充电系统设计
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铅酸蓄电池由于其技术成熟、成本低、容量大、内阻小、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点而被大多数电动车所使用。但是研究发现，不良的充电方式不仅会直接影响蓄电池的性能，而且对其寿命造成极大影响。所以正确的充电方式对蓄电池寿命有着非常重要的作用。
随着人们对快速充电理论的研究不断深入，电力电子技术应用的日益广泛，铅酸蓄电池快速充电技术也有了进一步改进及进入实用阶段的条件和可能。比如现代脉冲智能充电器以高频开关电源技术为基础，嵌入先进的智能控制数字电路，采用智能检测和控制技术来调节充电器的脉冲输出比例，实现可控去极化功能。在效果方面，电池的充电时间缩短，一定程度提高了电池充电的有效容量，并延长了电池的使用寿命，但同时却没有考虑到充电过程中的功耗问题。
本文采用分级定电流的脉冲快速充电方法，提出了以高频开关电源技术为基础，主要研究以超低功耗MSP430系列单片机作为主控制器的硬件设计和软件设计方案，测试结果表明，该充电方案能有效提高对蓄电池的充电速度，减少充电损耗，使延长蓄电池的使用寿命成为可能。
1 脉冲充电理论
实验证明，蓄电池充电电流接受率由下列三条基本定律决定:
(1)对于任意给定的放电电流来说，蓄电池充电电流接受率，与它已放出电荷量的平方根成反比，即:
(1)
式(1)中:K 为放电电流常数，视放电电流的大小而定;Q 为蓄电池放出的容量。
(2)对于任意给定的放电量，蓄电池充电电流接受率，与蓄电池放电电流Id的对数成正比，即如式(2)所示:I0 =KQlg(KId) (2)
(3)蓄电池以不同的电流放电后，其最终可接受的充电电流(接受能力)等于以各种不同电流放电时的可接受充电电流之和，即:
It =I1+I2+I3+I4+……
因此 at =I0 / Qt(3)
式(3)中:It表示总的可接受电流；Qt表示蓄电池放出的金部电量；at表示总的充电电流接受率。
脉冲快速充电方法正是基于这个理论而提出的一种快速充电方式。
2 充电方法
基于上述理论，并考虑到铅酸蓄电池自身的一些特性，本文研究的快速充电装置所采用的充电方法将整个充电过程分为预充电、脉冲快速充电、补足充电和涓流充电4个阶段。根据蓄电池充电前反馈的技术指标，进入不同的充电阶段。
2.1 预充电
对于长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池进行充电时，一开始就采取快速充电会影响电池的寿命。为了避免这一问题要先对蓄电池实行稳定小电流充电，使蓄电池电压上升，当电压升到能接受大电流充电的阈值时再进行大电流快速充电。
2.2 脉冲快速充电
在快速充电过程中，采用分级定电流脉冲快速充电法，将充电电流分级。开始充电时采用大电流(约1C)，随着蓄电池容量的增加，端电压升高，当蓄电池中单格电压达到2.35V即停止第一级充电(约2min)。首先停止充电B (25~40ms)，称为前停歇，此阶段可以去除欧姆极化和部分浓差极化;接着再放电或反充电，使蓄电池反向通过一个较大的脉冲电流，脉冲宽度为C (25~200ms)，脉冲幅值为2~5倍的充电电流，可以进一步消除浓差极化;然后再停止放电D(25ms)，称为后停歇。如此反复，直至蓄电池电压上升至补足充电电压阈值时，转入补足充电阶段。采用这种方法可有效消除充电接近充满时易出现的震荡现象及过充问题。
2.3 补足充电
相对于快速充电阶段，补足充电阶段又可以称为慢速充电阶段。当快速充电阶段终止时，电池并未完全充足，还需加入补足充电过程。补足充电速率一般不超过0.3c，因为电池电压经过快速充电阶段后有所升高，所以补足充电阶段的充电电压也应该有所提升，并且恒定在某一范围之内。此阶段充电采用恒压充电，可使电池容量快速恢复。当电流下降至某一阈值时，转入涓流充电阶段。
2.4 涓流充电
在补足充电阶段后期，当检测到温度上升超过极限值或充电电流减小到一定值之后，开始用更小的电流进行充电直至满足一定的条件后结束充电。此阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，只要电池接在充电器上并且充电器接通电源，充电器就会给电池不断补充电荷，这样可使电池总处于充足电状态。
3 脉冲快速充电系统硬件设计
3.1 总体设计
该系统硬件电路主要由开关电源电路、充放电控制电路以及显示、报警电路等模块组成。开关电源电路即功率电路为蓄电池提供充电电流和电压，充放电回路中开关管的开关动作去控制蓄电池的充电电压和电流，保证充电过程的正常进行，控制模块的显示、报警电路给用户提供充电状态信息，同时主控芯片输出PWM 信号到驱动电路，控制充放电回路中开关管的导通程度，对蓄电池的充电过程进行控制。系统的硬件结构框图如图1所示。
图1 控制电路硬件设计
本设计采用TI的16 位单片机MSP430F149。它具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点。其工作电压为1.8V~3.6V;CPU 运行正交的精简指令集，片内寄存器数量多. 存储器可实现多种运算;MSP430F149中断源较多并可任意嵌套，系统处于省电状态，用中断请求唤醒只需6μs:它还具有丰富的片上外围模块，其12位A/D转换器带有内部参考源，采样保持，自动扫描等特性;16位定时器Timer A具有4种工作模式，可同时进行多个捕获/比较功能:48个可达独立编程的I/O口:2个串行通信接口USART0与USARTl:FLASH 存储器多达60KB，擦写次数可达10万次。本系统研究主要是鉴于其低功耗的特点。
3.2 开关电源电路的设计
系统中的开关电源电路为蓄电池的充电提供稳定的电压采用的是反激式的开关电源电路。反激式开关电源的电路比较简单，比正激式开关电源少用了一个大的储能滤波电感，以及一个续流二极管，因此，反激式开关电源的体积要比正激式开关电源的体积小，且成本也要低。此外，反激式开关电源输出电压受占空比的调制幅度，相对于正激式开关电源来要高很多，因此，反激式开关电源要求调控占空比的误差信号幅度要比较低，误差信号放大器的增益和动态范围也要较小。基于这些优点，反激式开关电源在目前家电领域中被广泛的应用。如图2所示。
图2 开关电源电路
开关电源电路控制芯片采用UC3842，UC3842是目前比较理想的新型的脉宽调制器。由该集成电路构成的开关稳压电源与电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有以下特点:
1)微调的振荡器放电电流，可精确控制占空比;
2)电流模式工作到500kHz;
3)自动前馈补偿;
4)锁存脉宽调制，可逐周限流;
5)内部微调的参考电压，带欠压锁定;
6)大电流图腾柱输出;
7)欠压锁定，带滞后;
8)低启动和工作电流。
TL431称为可调式精密并联稳压器，利用两只外部电阻可设定2.5V~36V范围内的任何基准电压值。其工作原理是当输出电压U 0发生波动时，经电阻分压后得到的取样电压就与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较，在阴极形成误差电压，使发光二极管的工作电流产生相应变化，再通过光耦去改变控制端电流Ic的大小，调节开关管的输出占空比，使输出电压U0不变，从而达到稳压目的。
3.3 充放电电路的设计
本设计中的充放电过程主要由两片P沟道的场效应管IRF9540N来完成。如图3所示。Q2管控制系统的充电过程，而放电脉冲主要Q3来进行控制。
图3 充放电电路图
3.3.1 采集部分
在MSP430F149 中有1 个12 位精度的AD 转换模块ADC12。ADC12可以对8个外部模拟信号之一或4个内部电压之一作转换，由ADC内核把模拟信号转换成12位数据并存入转换存储寄存器。内核用到2个参考电平，即VR+和VR-作为转换范围的上下限和读数的量程值和“0”值。转换数值在输入信号大于等于VR+时为满量程，小于等于VR-时为“0”。蓄电池端电压通过两个电阻R2和R6分压方式，将单片机采样电压值AD1限制在输入电压量程范围内。充电电流和放电电流都通过电阻转化成相应的电压值，送入单片机的AI口。三路AD采样结果分别存储在相应的ADC12MEMx寄存器中。
3.3.2 驱动部分
根据三路AD采样结果确定充电器的充电状态后，由单片机输出两路占空比可调频率为1kHz的PWM 波形PWM1和PWM2分别用来控制两只三极管2N5551的导通程度，三极管集电极电流会随着不同，再经电阻分压后提供不同的电压给场效应管的栅极，驱动MOSFET，输出不停大小的漏极电流Id，给蓄电池提供大小不等的充电电流和放电脉冲幅值，最终达到脉冲充电的效果。
4 脉冲快速充电系统软件设计
4.1 系统软件设计框图
本系统软件部分的主要功能是，通过对蓄电池状态的检测，使充电转入不同的充电阶段。进入不同的充电阶段后，通过一定的算法，改变单片机输出PWM 信号的占空比，实现不同阶段的充电、放电、暂停充电和终止充电的控制，并显示充电器的状态。软件流程图如图4所示。
图4 软件设计流程图
4.2 快速充电流程图
系统硬件搭建并调试完成后，选用12V/1.3Ah的铅酸蓄电池进行测试，经过多次充放电实验，最终确定了充电器快速充电阶段中脉冲充放电的几组时间值:大电流充电脉冲时间为约900ms，前停歇时间约20ms，放电脉冲时间约为50ms，后停歇时间约为30ms。快速充电控制在这组时间值情况下，蓄电池充电时间最短，充电效果最好。快速充电阶段流程图如图5所示。
图5 快速充电阶段流程图
此阶段用MSP430F149单片机内部定时器A对充放电时间进行严格控制，在定时器A的中断服务子程序中调整充电脉冲和放电脉冲的幅值。
4.3 软件的设计
软件做设计主要包括以下几个模块:
1)在程序的初始阶段应对MSP430单片机进行初始化操作，其中包括设置I/O端口的输入与输出状态、设置定时器参数、初始化单片机内部的A/D转换模块和PWM 输出模块以及设置单片机的低功耗模式等。
2)充电电流和放电电流通过电阻转换成相应的电压后，送到单片机的AO口，此时单片机需要连续地采样蓄电池端电压、充电电流和放电电流。
3)根据采集到的蓄电池端电压、充电、放电电流大小等信息实时地调节单片机输出的PWM 信号的占空比和PWM 信号输入到MOSFET 的驱动电路，从而严格地控制MOSFET的导通程度，以保证在几种充电状态之间的精确转换。
4)另外，单片机还需要对蓄电池温度进行检测，控制蓄电池的充电状态，避免造成充电过程对蓄电池的损害。
5)LCD液晶显示屏上同时会显示充电器的充电状态，蓄电池端电压、充电和放电电流的大小以及温度大小等信息，配合发光二极管和蜂鸣器，使充电器的充电信息更加直观。
5 部分测试结果
图6与图7分别为为调试时高频变压器一次侧与二次侧的部分波形图。
图6 高频变压器一次侧输入电压波形图
图7 二次绕组输出电压的输出波形图
为了方便调试，本系统中选用铅酸蓄电池容量较小，此充电器可以给12V/1.3Ah的铅酸蓄电池充电，最大充电电流限制为1.3A，最大输出电压为18V。充电开始时，充电器先检测蓄电池两端电压，确定蓄电池所处的初始状态，如果蓄电池初始电压低于12.8V，蓄电池所处的状态为放电过度状态，此时应该以130mA (约0.1C)的电流对电池进行预充电，直到蓄电池两端电压达到12.8V，才能进行脉冲快速充电。
6 结论
铅酸蓄电池在我们的日常生活中扮演着很重要的角色，为了保证蓄电池的使用安全，我们应该给它配置更好的充电器。而相比与以前传统的充电形式，这里研究设计的脉冲快速充电器有着更大的优势，经测试它能够提高充电速度，提高充电效率，并能够延长蓄电池的使用寿命。所以，可以预见此种充电器在实际生活中发挥的作用将会会越来越大，用途也会越来越广泛。此次设计中的主要部分采用的是开关电源，开关电源以其效率高、损耗小等特点已逐渐成为电源市场的主导。
随着人们对快速充电理论的研究不断深入，电力电子技术应用的日益广泛，铅酸蓄电池快速充电技术也有了进一步改进及进入实用阶段的条件和可能。比如现代脉冲智能充电器以高频开关电源技术为基础，嵌入先进的智能控制数字电路，采用智能检测和控制技术来调节充电器的脉冲输出比例，实现可控去极化功能。在效果方面，电池的充电时间缩短，一定程度提高了电池充电的有效容量，并延长了电池的使用寿命，但同时却没有考虑到充电过程中的功耗问题。
本文采用分级定电流的脉冲快速充电方法，提出了以高频开关电源技术为基础，主要研究以超低功耗MSP430系列单片机作为主控制器的硬件设计和软件设计方案，测试结果表明，该充电方案能有效提高对蓄电池的充电速度，减少充电损耗，使延长蓄电池的使用寿命成为可能。
1 脉冲充电理论
实验证明，蓄电池充电电流接受率由下列三条基本定律决定:
(1)对于任意给定的放电电流来说，蓄电池充电电流接受率，与它已放出电荷量的平方根成反比，即:
(1)
式(1)中:K 为放电电流常数，视放电电流的大小而定;Q 为蓄电池放出的容量。
(2)对于任意给定的放电量，蓄电池充电电流接受率，与蓄电池放电电流Id的对数成正比，即如式(2)所示:I0 =KQlg(KId) (2)
(3)蓄电池以不同的电流放电后，其最终可接受的充电电流(接受能力)等于以各种不同电流放电时的可接受充电电流之和，即:
It =I1+I2+I3+I4+……
因此 at =I0 / Qt(3)
式(3)中:It表示总的可接受电流；Qt表示蓄电池放出的金部电量；at表示总的充电电流接受率。
脉冲快速充电方法正是基于这个理论而提出的一种快速充电方式。
2 充电方法
基于上述理论，并考虑到铅酸蓄电池自身的一些特性，本文研究的快速充电装置所采用的充电方法将整个充电过程分为预充电、脉冲快速充电、补足充电和涓流充电4个阶段。根据蓄电池充电前反馈的技术指标，进入不同的充电阶段。
2.1 预充电
对于长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池进行充电时，一开始就采取快速充电会影响电池的寿命。为了避免这一问题要先对蓄电池实行稳定小电流充电，使蓄电池电压上升，当电压升到能接受大电流充电的阈值时再进行大电流快速充电。
2.2 脉冲快速充电
在快速充电过程中，采用分级定电流脉冲快速充电法，将充电电流分级。开始充电时采用大电流(约1C)，随着蓄电池容量的增加，端电压升高，当蓄电池中单格电压达到2.35V即停止第一级充电(约2min)。首先停止充电B (25~40ms)，称为前停歇，此阶段可以去除欧姆极化和部分浓差极化;接着再放电或反充电，使蓄电池反向通过一个较大的脉冲电流，脉冲宽度为C (25~200ms)，脉冲幅值为2~5倍的充电电流，可以进一步消除浓差极化;然后再停止放电D(25ms)，称为后停歇。如此反复，直至蓄电池电压上升至补足充电电压阈值时，转入补足充电阶段。采用这种方法可有效消除充电接近充满时易出现的震荡现象及过充问题。
2.3 补足充电
相对于快速充电阶段，补足充电阶段又可以称为慢速充电阶段。当快速充电阶段终止时，电池并未完全充足，还需加入补足充电过程。补足充电速率一般不超过0.3c，因为电池电压经过快速充电阶段后有所升高，所以补足充电阶段的充电电压也应该有所提升，并且恒定在某一范围之内。此阶段充电采用恒压充电，可使电池容量快速恢复。当电流下降至某一阈值时，转入涓流充电阶段。
2.4 涓流充电
在补足充电阶段后期，当检测到温度上升超过极限值或充电电流减小到一定值之后，开始用更小的电流进行充电直至满足一定的条件后结束充电。此阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，只要电池接在充电器上并且充电器接通电源，充电器就会给电池不断补充电荷，这样可使电池总处于充足电状态。
3 脉冲快速充电系统硬件设计
3.1 总体设计
该系统硬件电路主要由开关电源电路、充放电控制电路以及显示、报警电路等模块组成。开关电源电路即功率电路为蓄电池提供充电电流和电压，充放电回路中开关管的开关动作去控制蓄电池的充电电压和电流，保证充电过程的正常进行，控制模块的显示、报警电路给用户提供充电状态信息，同时主控芯片输出PWM 信号到驱动电路，控制充放电回路中开关管的导通程度，对蓄电池的充电过程进行控制。系统的硬件结构框图如图1所示。
图1 控制电路硬件设计
本设计采用TI的16 位单片机MSP430F149。它具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点。其工作电压为1.8V~3.6V;CPU 运行正交的精简指令集，片内寄存器数量多. 存储器可实现多种运算;MSP430F149中断源较多并可任意嵌套，系统处于省电状态，用中断请求唤醒只需6μs:它还具有丰富的片上外围模块，其12位A/D转换器带有内部参考源，采样保持，自动扫描等特性;16位定时器Timer A具有4种工作模式，可同时进行多个捕获/比较功能:48个可达独立编程的I/O口:2个串行通信接口USART0与USARTl:FLASH 存储器多达60KB，擦写次数可达10万次。本系统研究主要是鉴于其低功耗的特点。
3.2 开关电源电路的设计
系统中的开关电源电路为蓄电池的充电提供稳定的电压采用的是反激式的开关电源电路。反激式开关电源的电路比较简单，比正激式开关电源少用了一个大的储能滤波电感，以及一个续流二极管，因此，反激式开关电源的体积要比正激式开关电源的体积小，且成本也要低。此外，反激式开关电源输出电压受占空比的调制幅度，相对于正激式开关电源来要高很多，因此，反激式开关电源要求调控占空比的误差信号幅度要比较低，误差信号放大器的增益和动态范围也要较小。基于这些优点，反激式开关电源在目前家电领域中被广泛的应用。如图2所示。
图2 开关电源电路
开关电源电路控制芯片采用UC3842，UC3842是目前比较理想的新型的脉宽调制器。由该集成电路构成的开关稳压电源与电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有以下特点:
1)微调的振荡器放电电流，可精确控制占空比;
2)电流模式工作到500kHz;
3)自动前馈补偿;
4)锁存脉宽调制，可逐周限流;
5)内部微调的参考电压，带欠压锁定;
6)大电流图腾柱输出;
7)欠压锁定，带滞后;
8)低启动和工作电流。
TL431称为可调式精密并联稳压器，利用两只外部电阻可设定2.5V~36V范围内的任何基准电压值。其工作原理是当输出电压U 0发生波动时，经电阻分压后得到的取样电压就与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较，在阴极形成误差电压，使发光二极管的工作电流产生相应变化，再通过光耦去改变控制端电流Ic的大小，调节开关管的输出占空比，使输出电压U0不变，从而达到稳压目的。
3.3 充放电电路的设计
本设计中的充放电过程主要由两片P沟道的场效应管IRF9540N来完成。如图3所示。Q2管控制系统的充电过程，而放电脉冲主要Q3来进行控制。
图3 充放电电路图
3.3.1 采集部分
在MSP430F149 中有1 个12 位精度的AD 转换模块ADC12。ADC12可以对8个外部模拟信号之一或4个内部电压之一作转换，由ADC内核把模拟信号转换成12位数据并存入转换存储寄存器。内核用到2个参考电平，即VR+和VR-作为转换范围的上下限和读数的量程值和“0”值。转换数值在输入信号大于等于VR+时为满量程，小于等于VR-时为“0”。蓄电池端电压通过两个电阻R2和R6分压方式，将单片机采样电压值AD1限制在输入电压量程范围内。充电电流和放电电流都通过电阻转化成相应的电压值，送入单片机的AI口。三路AD采样结果分别存储在相应的ADC12MEMx寄存器中。
3.3.2 驱动部分
根据三路AD采样结果确定充电器的充电状态后，由单片机输出两路占空比可调频率为1kHz的PWM 波形PWM1和PWM2分别用来控制两只三极管2N5551的导通程度，三极管集电极电流会随着不同，再经电阻分压后提供不同的电压给场效应管的栅极，驱动MOSFET，输出不停大小的漏极电流Id，给蓄电池提供大小不等的充电电流和放电脉冲幅值，最终达到脉冲充电的效果。
4 脉冲快速充电系统软件设计
4.1 系统软件设计框图
本系统软件部分的主要功能是，通过对蓄电池状态的检测，使充电转入不同的充电阶段。进入不同的充电阶段后，通过一定的算法，改变单片机输出PWM 信号的占空比，实现不同阶段的充电、放电、暂停充电和终止充电的控制，并显示充电器的状态。软件流程图如图4所示。
图4 软件设计流程图
4.2 快速充电流程图
系统硬件搭建并调试完成后，选用12V/1.3Ah的铅酸蓄电池进行测试，经过多次充放电实验，最终确定了充电器快速充电阶段中脉冲充放电的几组时间值:大电流充电脉冲时间为约900ms，前停歇时间约20ms，放电脉冲时间约为50ms，后停歇时间约为30ms。快速充电控制在这组时间值情况下，蓄电池充电时间最短，充电效果最好。快速充电阶段流程图如图5所示。
图5 快速充电阶段流程图
此阶段用MSP430F149单片机内部定时器A对充放电时间进行严格控制，在定时器A的中断服务子程序中调整充电脉冲和放电脉冲的幅值。
4.3 软件的设计
软件做设计主要包括以下几个模块:
1)在程序的初始阶段应对MSP430单片机进行初始化操作，其中包括设置I/O端口的输入与输出状态、设置定时器参数、初始化单片机内部的A/D转换模块和PWM 输出模块以及设置单片机的低功耗模式等。
2)充电电流和放电电流通过电阻转换成相应的电压后，送到单片机的AO口，此时单片机需要连续地采样蓄电池端电压、充电电流和放电电流。
3)根据采集到的蓄电池端电压、充电、放电电流大小等信息实时地调节单片机输出的PWM 信号的占空比和PWM 信号输入到MOSFET 的驱动电路，从而严格地控制MOSFET的导通程度，以保证在几种充电状态之间的精确转换。
4)另外，单片机还需要对蓄电池温度进行检测，控制蓄电池的充电状态，避免造成充电过程对蓄电池的损害。
5)LCD液晶显示屏上同时会显示充电器的充电状态，蓄电池端电压、充电和放电电流的大小以及温度大小等信息，配合发光二极管和蜂鸣器，使充电器的充电信息更加直观。
5 部分测试结果
图6与图7分别为为调试时高频变压器一次侧与二次侧的部分波形图。
图6 高频变压器一次侧输入电压波形图
图7 二次绕组输出电压的输出波形图
为了方便调试，本系统中选用铅酸蓄电池容量较小，此充电器可以给12V/1.3Ah的铅酸蓄电池充电，最大充电电流限制为1.3A，最大输出电压为18V。充电开始时，充电器先检测蓄电池两端电压，确定蓄电池所处的初始状态，如果蓄电池初始电压低于12.8V，蓄电池所处的状态为放电过度状态，此时应该以130mA (约0.1C)的电流对电池进行预充电，直到蓄电池两端电压达到12.8V，才能进行脉冲快速充电。
6 结论
铅酸蓄电池在我们的日常生活中扮演着很重要的角色，为了保证蓄电池的使用安全，我们应该给它配置更好的充电器。而相比与以前传统的充电形式，这里研究设计的脉冲快速充电器有着更大的优势，经测试它能够提高充电速度，提高充电效率，并能够延长蓄电池的使用寿命。所以，可以预见此种充电器在实际生活中发挥的作用将会会越来越大，用途也会越来越广泛。此次设计中的主要部分采用的是开关电源，开关电源以其效率高、损耗小等特点已逐渐成为电源市场的主导。
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