正负脉冲型电动车智能充电器的设计

摘要：从保护铅酸蓄电池、提高充电效率的角度出发，分析了目前市场上主要充电方式的弊端，设计了一种正负脉冲型电动车智能充电器。系统采用PIC16F676单片机进行控制，将普通三段式充电方式中的恒压阶段变为正负脉；中充电方式，增加了涓流充电等功能，优化了定时和自断电电路，在延长蓄电池使用寿命、缩短充电时间方面有很好的效果。
关键词：智能充电器；开关电源；正负脉冲

0 引言
目前的电动车用充电器主要有以下几种：(1)三段式充电器，即将充电方式分为恒流、恒压、浮充三个阶段。三段式充电方式基本上能够满足电动车日常充电的需要，成本也最低，然而这种充电方式有诸多问题，比如各厂家蓄电池极性不同，容易烧坏充电器、损坏蓄电池；不能定时强制进入浮充状态等。(2)带有防反接和定时功能的充电器，即当电动车蓄电池极性接反时不进行充电，防止出现故障；在充电上限时间达到后强制转入浮充状态，防止损坏铅酸蓄电池。可以有效地防止因极性不同而发生的故障，并且可以强制进入浮充阶段，但是多采用晶闸管或继电器进行控制，晶闸管对电网有影响，继电器控制直流电灭弧困难，有安全隐患。(3)脉冲充电器，将三段式充电器中的恒压阶段改为脉冲式充电方式，但仅仅是正脉冲。这在一定程度上解决了充电过程中温升高的问题，同时充电效率有所提高，但是仅仅依靠正脉冲对于解决这些问题效果还不是很理想。基于以上种种弊端，本文在三段式充电电路基础上设计了一种智能型充电器，通过涓流充电、正负脉冲充电和定时断电等一系列措施提高充电效率，延长电池寿命，并可修复略有损伤的蓄电池。

1 系统硬件设计
本方案电路主要分为三个部分，分别为电源电路部分、单片机系统电路部分和正负脉冲控制电路部分。如图1所示，图中5V电源电路为单片机供电，单片机通过控制正负脉冲控制电路对变压器输出电压进行控制，达到产生正负脉冲的目的。

1．1 电源电路
如图2所示，变压器输出的交流信号经过续流二极管D18整流和电容C20滤波输出约12V的直流电压VCC1，VCC1经过三端稳压电源芯片78L 05稳压后输出5V直流电压，经过电容C26、C24滤波后供给单片机。其中C26为极性电容，主要用来抗浪涌，C24为无极性小电容，主要用来滤除高次谐波。图中LD2为电源指示灯，电阻R22为限流电阻。[p]
1．2 正负脉冲控制电路
普通充电方式在充电过程中温升较大，容易产生析气，影响充电效率，同时温升会损伤蓄电池。本文中的正负脉冲充电方式采用充电-停充-放电-停充-充电的循环过程，程序中设定每周期内充电时间和放电时间。正负脉冲通过一组MOS管的开通和关断来实现，控制正脉冲的为P型MOS管IRF9530，控制负脉冲的为N型MOS管IRF530。另外，目前普通充电器定时一般采用定时芯片，增加了额外成本。本文中直接在单片机中定时，时间到则发出信号，强制进入浮充阶段，再过一定时间后单片机发出信号，控制MOS管切断电源，达到断电目的，节约成本。

如图3所示，变压器输出的交流信号经过二极管D19、D8整流和电容C14、C16滤波成为直流电压，电阻R21、R95为假负载，用来防止在充电器没有接负载(蓄电池)时电压升高，保证充电器电压的稳定。MOS管Q2、Q3用来控制正负脉冲产生，Q2为PMOS管。用来控制充电电压的通断，Q3为NMOS管，用来控制蓄电池放电。单片机RA2脚经限流电阻R46控制NPN三极管Q8的通断，当单片机输出为高电平时，三极管Q8导通，电阻R33、R31经过Q8接地，构成回路，电阻R33、R31进行分压后接到Q2的栅极，驱动Q2导通；同理，当单片机RA2脚输出低电平时，Q2关断。其中小电容C17用来防止电压突变对Q2的影响，使得电压变化略趋于平缓但又不会影响开关速度。单片机RC1脚经限流电阻R45控制NPN型三极管Q10和PNP型三极管Q11，从而控制MOS管Q3的通断。当单片机RC1脚输出高电平，三极管Q10导通，Q11截止，电压VCC经三极管Q10、电阻R51后控制NMOS管Q3导通；当单片机RC1脚输出低电平时，三极管Q11导通，Q10截止，Q3结电容中的电通过Q11迅速释放，加速Q3关断。电感L1、电容C18用于滤波，使输出电压更平稳。电阻R23为电流取样电阻，流过蓄电池的电流会在电阻R23上产生压降，此电压在电路中用于判断充电状态和充电阶段。
1．3 单片机系统电路
PIC16F676单片机6采用RISC型CPU内核，仅需学习35条指令，除了跳转指令以外所有指令都是单周期的，由于采用哈佛总线结构，以及指令的读取和执行采用流水作业方式，使得PIC单片机的运行速度大大提高；PIC单片机是最节省程序存储器空间的单片机，驱动能力强，每个I／O口的吸入和输出电流最大值可达25mA。PIC系列单片机集成了上电复位电路、I／O引脚上拉电路、看门狗定时器等，可以最大程度地减少或免用外接器件，以便实现“纯单片”应用。

如图4所示，电阻R1和电容C15组成单片机复位电路，单片机IC4和复位电路构成了单片机最小系统。单片机1脚接电源VCC，14脚接地，7脚通过二极管D9输出信号，当7脚输出高电平时充电状态强制进入浮充状态，减小充电电流，防止损伤蓄电池。电阻R54为上拉电阻，防止单片机输出的信号驱动能力不足而无法正常工作。单片机9脚用于驱动NMOS管Q3，11脚用于驱动PMOS管Q2。普通三段式充电由于初始充电电流很大，这对于过放电后的蓄电池是致命的，因此必须进行判断。本文方案在充电初始阶段，单片机控制MOS管关断，利用电阻R50和R41对蓄电池电压进行分压，输入单片机10脚，10脚采样蓄电池电压，判断蓄电池极性是否正确，如不正确，则不进行充电，利用指示灯进行提示；如正确，再判断是否过放电，如果电压低于设定值，认定蓄电池过放电，则采用小电流进行充电，即涓流充电，当蓄电池可以承受大电流时再进入常规三段式充电阶段。单片机12脚、13脚控制指示灯LD1，12脚控制红灯，13脚控制绿灯，用于指示蓄电池充电状态。
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2 系统软件设计
2．1 系统软件功能
系统软件用于检测蓄电池极性、是否过放电等状态，检测正常才允许进行充电；在充电过程中，通过软件判断充电阶段，作为控制各阶段电压电流的依据；充电中若定时时间到，但充电器没有进入浮充阶段，则通过软件强制转入，防止损坏蓄电池；充电完成后，软件控制电路断电。
2．2 系统软件流程图

3 系统测试
通过对48V20AH的铅酸蓄电池进行充电的实验，系统很好地完成了设定的各项功能，充电效率较普通充电器有所提高，充电时间有所缩短，工作安全可靠。

4 结束语
本文在普通三段式充电电路基础上进行改进，增加了涓流充电阶段，并将普通三段式充电中的恒压充电阶段改为正负脉冲充电方式。改进后，系统的充电效率有所提高，充电时间有所缩短，同时，防止极性反接的功能对蓄电池和充电器都是一种保护，使充电器的适应性更强。本文的方案在普通三段式的充电器基础上只增加了单片机和MOS管控制电路，对原有电路改动较少，便于生产厂家升级。