基于PIC單片機的智能充電器的設計與實(shí)現

1 引言

鉛酸蓄電池是目前大容量電池的主要品種，其制造成本低、容量大、價(jià)格低廉，使用范圍非常廣泛。鉛酸蓄電池的基本充電方式有兩種：恒壓充電和恒流充電。如果單獨采用一種方法，比如恒流法，則在充電后期由于充電電流不變，容易使容量下降而提前報廢。單獨采用恒壓法，充電初期電流過(guò)大，可能致使電極活性物質(zhì)脫落，后期電流又過(guò)小，形成長(cháng)期充電不足，影響蓄電池的使用壽命[1]。因此，充電器大部分都是綜合采用兩種方法的多階段充電方式。近年來(lái)，先恒流、再恒壓、最后恒壓浮充的三階段充電方式被逐漸接受。

目前，三階段充電方式主要采用模擬控制的方案。雖然具有實(shí)時(shí)性好、帶寬高的優(yōu)點(diǎn)，但其硬件電路復雜，控制不靈活。為此，本文設計了一種數字控制的充電器，采用單片機作為控制回路的核心，通過(guò)電壓、電流實(shí)時(shí)采樣，從而控制輸出電壓和輸出電流，實(shí)現了三階段充電策略，可智能靈活的控制蓄電池的充電，提高蓄電池的利用效率，并有助于提高蓄電池的使用壽命和性能。

2 充電器電源結構

系統的總體設計框圖如圖1所示。主要由3部分組成：第一部分為開(kāi)關(guān)電源部分，采用反激DC/DC變換器；第二部分為電壓、電流采樣電路；第三部分為單片機核心的PWM輸出，再經(jīng)驅動(dòng)電路驅動(dòng)反激電路。

圖1 充電器電路總體設計框圖

系統由電壓采樣電路、電流采樣電路實(shí)時(shí)分別采樣電壓、電流，將采樣的電壓、電流各自送單片機的RA0、RA1,經(jīng)過(guò)單片機內部的A/D轉換模塊轉化為數值，然后根據編寫(xiě)的軟件進(jìn)行對應操作，由PWM模塊得到相應的占空比，再由RC2將占空比送到驅動(dòng)電路，用于驅動(dòng)反激電路的開(kāi)關(guān)管，從而在輸出端得到相應的電壓或電流對鉛酸蓄電池進(jìn)行充電。

3 數字控制電路結構

數字控制電路通過(guò)相應信號的獲取和輸出，監測和控制充電器對應的工作過(guò)程，使其能自適應工作。然而，主電路輸出是模擬信號，單片機能夠處理的卻是數字信號，因此在處理信號之前，必須先通過(guò)模數轉換器(ADC)將模擬信號轉變?yōu)閿底中盘?。假定ADC字長(cháng)為N，則模數轉換精度為1/2N，N越大精度也越高，但價(jià)格越貴。數字控制器PWM單元的時(shí)間分辨率及模數轉換精度，決定了充電器的輸出電壓、輸出電流、輸出功率的精度。為了同時(shí)滿(mǎn)足精度需求及降低成本的考量，需要選擇合適位數的ADC和PWM數字控制器。

ADC轉換器選定后，需要選擇PWM位數。如果PWM位數太小，將導致輸出電壓在某一電壓值附近上下波動(dòng)，造成極限環(huán)現象，輸出電壓將發(fā)生周期性抖動(dòng)，進(jìn)而影響到采樣數據，最終影響到整個(gè)系統的處理精度。因此，PWM單元分辨率越高越好。

PWM位數N與頻率fPWM滿(mǎn)足下式：。式中，fclk表示單片機的時(shí)鐘頻率。PR2為單片機PWM周期寄存器，fPWM越高存入PR2的值越小。設存入PR2的值為M，則最大分辨率為分頻值f/M。由此可見(jiàn)，頻率不一定越高越好，過(guò)高的頻率會(huì )降低PWM分辨率。PWM輸出的頻率與分辨率之間的關(guān)系如表1所示。

表1 PWM頻率與分辨率的關(guān)系（fclk=40MHz）

為了保證足夠高的分辨率，保證輸出電壓紋波受PWM分辨率的影響小于輸出濾波電容的影響，本設計選用10位PWM。

同時(shí)，考慮到其它需求，本系統對數字控制器的具體要求主要包括：（1）內置ADC模塊，至少2個(gè)ADC信道，精度在10位以上；（2）至少內置1個(gè)PWM單元，PWM精度在10位以上；（3）至少兩個(gè)定時(shí)器；（4）有中斷優(yōu)先級設置；（5）至少5個(gè)I/O口；（6）價(jià)格低于50元人民幣。

綜合考慮以上因素，選擇microchip公司的PIC18F2620作為數字控制芯片。PIC18F2620的主要性能有：10個(gè)10位的ADC信道；最高外接時(shí)鐘頻率可達到40M：1024字節的數據EEPROM，用于儲存可變數據；可延長(cháng)電池壽命的低功耗強化設計，睡眠模式下耗電僅為100nA等等，其性能滿(mǎn)足系統需要。

4 系統軟件設計

4.1 主程序設計

三階段充電，開(kāi)始時(shí)采用恒流充電，中間為恒壓充電，最后采用浮充充電。該充電法減少了充電出氣量，充電比較徹底，延長(cháng)了蓄電池使用壽命。三階段充電法充電電流和充電電壓變化曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 三階段充電特性圖

根據三階段充電的原理，畫(huà)出系統的主程序流程圖，如圖3所示。(其中Um為蓄電池的最大電壓上限，Ubat為恒壓充電門(mén)限，Ibat為恒流充電門(mén)限，其值一般取蓄電池容量的1/10。)

單片機系統的主程序，主要用于A(yíng)/D采樣初始化、PWM初始化、定時(shí)和中斷系統、定時(shí)器的初值設定，然后一直檢測充電器的電壓與電流，進(jìn)行三階段的自適應充電。

程序中需要注意一下問(wèn)題。

（１）因為需要同時(shí)采樣電壓和電流２個(gè)變量，此時(shí)可根據PIC18F2620的采樣單元特點(diǎn)，可通過(guò)直接改變A/D控制寄存器ADCON0.2~3位進(jìn)行更換通道，其速度快、花費時(shí)間少。

（2）中斷系統是程序的重點(diǎn)部分。由于采樣單元不可能一直工作，這樣既浪費單片機的運算能力又影響其它部分的工作，使系統的工作效率低下。為了使單片機更有效率的工作，系統采用定時(shí)中斷的工作方式：利用TMR0定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，固定一定的時(shí)間后進(jìn)入中斷。目前，市面上的單片機一般都存在中斷優(yōu)先級，比如系統采用的PIC18F2620有2個(gè)優(yōu)先級，可以通過(guò)設置不同的中斷向量進(jìn)行不同優(yōu)先級的操作。對應的高優(yōu)先級中斷服務(wù)子程序，使TMR0復位，并載入相應的初值，進(jìn)入下一次的定時(shí)狀態(tài)。低優(yōu)先級中斷服務(wù)子程序，則是復位A/D模塊使能位，讀取并存儲A/D轉換結果，然后判別相應的電壓、電流采樣值所處的階段，最后經(jīng)過(guò)各個(gè)階段對應的PI調節修改占空比。

圖3 主程序流程圖

4.2 采樣子程序

采樣處理后的電壓、電流信號，不可避免的存在系統所帶來(lái)的噪聲和干擾，為了準確的測量和控制，必須濾除這些噪聲和干擾。除了在硬件電路上進(jìn)行濾波，還可采用軟件濾波或稱(chēng)為數字濾波。常用的數字濾波方法有很多，本系統采用了平均值法：多次采樣后排序，再去掉最大和最小值之后求平均值的方法，提高了采樣精度。

4.3 PI子程序

為了消除積分飽和的影響，本系統采用增量式PI控制算法，并利用遇限削弱的方法。

遇限削弱積分PI算法，實(shí)際上是一旦控制量進(jìn)入飽和區范圍，則停止增大積分項的運算而只執行削弱積分項的運算[5]。PI程序流程圖如圖4所示。

圖4 PI控制算法流程圖

5 實(shí)驗結果與分析

采用以上介紹的方法制作樣機，對YTX7A-BS/12V-7AH的鉛酸蓄電池充電。

主電路參數如下：輸入電壓Uin=24V，電路工作頻率f=50kHz，采用EI33磁芯，原邊電感Lp=212μH，副邊電感Ls＝112μH，開(kāi)關(guān)管采用IRF840，輸出電容采用1000μF/25V的電解電容。

圖5為樣機給鉛酸蓄電池充電變化曲線(xiàn)圖，橫軸為充電時(shí)間，左邊Y軸為蓄電池電壓，右邊Y軸為充電電流。

圖5 蓄電池充電變化曲線(xiàn)

從圖5可知，根據程序設計要求，在充電的初始階段，充電器先進(jìn)行恒流充電，蓄電池電流保持為0.7A左右。此后，當蓄電池電壓超過(guò)恒壓充電門(mén)限14.4V，轉為恒壓充電，充電電壓保持為14.4V，充電電流不斷下降。同時(shí)，通過(guò)RA1不斷檢測充電電流，當充電電流降到0.1A以下時(shí)，表明蓄電池已充滿(mǎn)電。這時(shí)，為了補充蓄電池的自放電，轉為浮充充電，充電電壓保持于13.7V。根據以上結果分析表明：本文所提出的鉛酸蓄電池三階段自適應數字控制方案是有效的，充電器能夠根據蓄電池所處的實(shí)際狀態(tài)來(lái)選擇對應的充電方式（恒流，恒壓充電和浮充）進(jìn)行充電。

6 結語(yǔ)

相對于傳統的模擬控制的鉛酸蓄電池充電器，采用數字控制的充電器大大提高了控制系統的靈活性、可靠性、穩定性等。隨著(zhù)控制方案與功能整合的不斷完善以及單片機價(jià)格的逐漸降低，采用單片機的數字控制充電器將成為今后一個(gè)重要的研究方向。

參考文獻

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