引言

　　由于石油危機和日益嚴重的環(huán)境污染，電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展已經(jīng)是大勢所趨。蓄電池為電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力，而蓄電池充電性能直接影響蓄電池的使用和壽命，蓄電池一般分為鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。由于蓄電池種類(lèi)繁多且容量不一，不同種類(lèi)和容量的蓄電池往往需要不同的充電器匹配，如果蓄電池的充電器匹配不好會(huì )出現過(guò)充過(guò)熱等不安全現象，從而影響蓄電池的正常使用并縮短蓄電池壽命。因此，設計一款基于單片機控制的能為各類(lèi)蓄電池充電的多功能充電系統是十分必要的。多功能充電系統能快速穩定地為不同類(lèi)型和不同容量的蓄電池充電，我們在軟件上針對不同類(lèi)型的蓄電池設計了相應的充電方法，使每種蓄電池都能在最佳充電方法下充電。對于不同容量的蓄電池，在選擇好充電方法時(shí)只要設定充電參數即可快速穩定地為蓄電池充電。

　　1 硬件電路設計

　　本系統采用移相全橋軟開(kāi)關(guān)電路，即將Boost電路與全橋變換器合成一起組成單級PFC電路，該電路結構簡(jiǎn)單、效率高，可以實(shí)現對輸入電流的整定，又可以工作在較大功率場(chǎng)合，發(fā)揮了全橋電路的優(yōu)勢。

　　系統主要由充電主電路和充電控制回路組成，圖1為多功能快速充電系統硬件原理圖。

　　1.1 系統工作原理

　　本設計采用了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，最大功率為3500W，先將220V單相工頻交流電，經(jīng)4個(gè)二極管組成全橋電路進(jìn)行整流，再經(jīng)過(guò)大電容濾波得到300V左右的直流電，此時(shí)直流電中紋波較大。直流電通過(guò)由4個(gè)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）組成的全橋逆變器，得到電壓可調的高頻交流電，經(jīng)高頻變壓器耦合到副邊，再經(jīng)全橋整流，最后經(jīng)電感電容濾波得到紋波很小的直流電為蓄電池充電。多功能充電系統能為不同類(lèi)型的蓄電池及容量不同的蓄電池充電，其充電過(guò)程中的充電電壓、電流通過(guò)單片機實(shí)時(shí)控制，整個(gè)充電系統為反饋控制系統，單片機通過(guò)實(shí)時(shí)檢測充電過(guò)程中的電流、電壓及溫度監測整個(gè)充電過(guò)程，有效地避免了充電過(guò)程中過(guò)流、過(guò)壓及過(guò)熱現象，使充電過(guò)程安全穩定地進(jìn)行。

　　逆變橋前的空氣開(kāi)關(guān)是為了防止電路中出現短路或大電流損壞蓄電池或電子器件。單片機通過(guò)檢測充電電流、電壓及溫度與充電前的設定值進(jìn)行比較，控制輸出4路PWM波到4個(gè)IGBT的柵極，從而控制其集電極到發(fā)射極電流通斷時(shí)間，達到控制輸出電壓的目的。

　　由于IGBT需隔離驅動(dòng)，本設計選用了三菱公司IBGT專(zhuān)用驅動(dòng)芯片M57962L，圖2是其應用電路。

　　由于選用了4只IGBT組成全橋逆變器，每個(gè)IGBT需要一個(gè)M57962L芯片驅動(dòng)，而每個(gè)M57662L芯片需要3個(gè)電壓等級即15V、l0V、5v為其供電，其中5v電壓同時(shí)為MC9S12XS128單片機供電，本文設計了一款功率為50W的變壓器，為單片機及4個(gè)M57962L芯片供電，其次級繞組輸出3組電壓，經(jīng)整流濾波穩壓后，得到上述所需的3個(gè)電壓。

　　1.2 充電控制回路

　　選用飛思卡爾MC9S12XS128單片機作為控制核心進(jìn)行數據采集和控制，其內部數據存儲器8KB、程序存儲器128KB，2個(gè)SCI、1個(gè)SPI、1個(gè)IIC、1個(gè)CAN、16路A/D、8路PWM、8路ECT模塊，其工作頻率為80MHz，運算速度快，處理能力大大提高。該芯片集成了l6路l2位高精度的A/D轉換器，能直接對蓄電池的充電電壓、電流及溫度進(jìn)行檢測，8路PWM可直接輸出到M57962L芯片控制IGBT的通斷，簡(jiǎn)化了單片機外圍電路的設計。

　　1.2.1 電壓檢測

　　本系統選用電阻分壓式結構，并聯(lián)在充電電路中監測電壓信號，電壓信號從PAD0口經(jīng)單片機自帶A/D轉換器傳至單片機進(jìn)行處理，這種結構能根據外面的實(shí)際電壓自動(dòng)選用相應的量程檢測電壓，使電壓越小時(shí)，檢測到的電壓精度越高，有助于更精確地控制充電過(guò)程中的充電電壓的變化。

　　1.2.2 電流檢測

　　　本系統選用霍爾式電流傳感器檢測充電電流信號，并將檢測到的電流信號經(jīng)過(guò)一定的換算處理從PAD1口經(jīng)單片機自帶的A/D轉換器傳至單片機進(jìn)行處理，該傳感器精度高，能精確的檢測到充電電流0.1A的變化。

       溫度檢測 

　　1.2.3 溫度檢測

　　本系統選用熱敏電阻檢測充電過(guò)程中電池溫度信號，實(shí)際應用時(shí)將熱敏電阻貼在電池上檢測電池溫度，該熱敏電阻能準確檢測到充電過(guò)程中電池溫度的變化量，溫度信號經(jīng)PAD2口傳至單片機進(jìn)行處理，防止充電過(guò)程中電池過(guò)熱，使充電過(guò)程能平穩、安全的進(jìn)行。

　　1.2.4 液晶顯示模塊

　　本系統選用帶中文字庫的12864液晶屏，液晶屏模塊與單片機的PA、PB口相連。

　　能實(shí)時(shí)顯示充電過(guò)程中的充電電壓、充電電流以及電池的端電壓和溫度，并在空閑時(shí)能顯示日歷、4路PWM波的占空比等。

　　1.2.5 按鍵輸入

　　選用4x4矩陣鍵盤(pán)。通過(guò)按鍵可切換到蓄電池充電方法選擇、充電參數設定、日歷調整、4路PWM波的占空比顯示及充電電壓、充電電流、電池的端電壓和溫度顯示等界面。

　　1.2.6 PWM輸出

　　PWM的輸出頻率由一個(gè)定時(shí)器/計數器設定的高頻交流電交變周期決定，本系統PWM波形選用左對齊的方式，每路PWM的占空比：[（PWMPERx—PWMDTYx）/PWMPERx]×100%，其中PWMPERx表示PWM通道寄存器，PWMDTYx表示PWM通道占空比寄存器。

　　2 軟件設計

　　多功能快速充電系統的系統軟件用C語(yǔ)言編寫(xiě)，經(jīng)過(guò)匯編、仿真調試寫(xiě)入單片機的內部程序存儲器中，實(shí)現系統軟件的結構層次化、功能模塊化，軟件的可讀性、可維護性和可擴展性強。

　　多功能快速 充電系統針對不同類(lèi)型的蓄電池，設計了相應的充電方法，軟件主要由初始化、充電前電池好壞檢測、充電階段和充電保護等部分組成。

　　本系統主要應用磷酸鐵鋰進(jìn)行試驗，其充電階段由小電流充電階段、恒流充電階段、恒壓充電階段3部分組成，其程序流程圖如圖3所示。

　　充電階段：電池檢測程序完成后，開(kāi)始對電池進(jìn)行小電流充電，充電速率約為1/5C左右；當小電流充電至電池電壓達到參考值時(shí)，系統進(jìn)入恒流充電階段，此階段為蓄電池的快速充電階段，充電速率為1-2C；當充電電壓達到設定的電池的最大充電電壓時(shí)，系統進(jìn)入恒壓充電階段，隨著(zhù)電池電壓逐漸上升，充電電流逐漸減��；當充電電流減d,N設定參考值時(shí)，系統判斷蓄電池充足停止充電。

　　充電保護部分：充電過(guò)程中不斷監測電池電壓是否超過(guò)安全值、溫度或溫度變化率是否達到限定值，如有上述情況立即終止充電。檢測電池電壓是為了防止鋰離子電池和鉛蓄電池過(guò)充，檢測溫度和溫度變化率是否達到限定值，是為了防止鎳氫和鎳鎘電池過(guò)充。

　　上述充電階段是針對鋰離子電池設計的，實(shí)際中主要用磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行實(shí)驗，對于其它類(lèi)型蓄電池，在軟件上設定了相應的充電方法：鉛蓄電池充電階段同鋰離子電池，即先小電流預充，再恒流充電、最后恒壓充電，當恒壓充電電流小到一定程度時(shí)，系統判斷電池充足并停止充電；鎳鎘電池，先小電流預充，再快速恒流充電，當檢測到電池電壓第一次下降時(shí)，系統判斷電池充足并停止充電；鎳氫電池，先小電流預充，再快速恒流充電，當電池電壓出現零增長(cháng)時(shí)，判斷電池充足并停止充電。

　　鉛蓄電池和鋰離子電池自放電率低，電池充滿(mǎn)后可直接停止充電，鎳氫和鎳鎘電自放電率高，如夜間無(wú)人看守充電時(shí)，可在電池充足后采用涓流充電方式給電池補充電荷，使蓄電池保持充足電狀態(tài)。

　　3 結語(yǔ)

　　實(shí)驗結果表明，所設計的多功能快速充電系統能正常工作，輸出的直流電壓平穩、紋波小，充電過(guò)程控制精度高，能快速穩定地為各類(lèi)蓄電池充電，并在蓄電池充滿(mǎn)電后及時(shí)停止充電，有實(shí)際應用推廣價(jià)值。