單片機充電器與蓄電池的關(guān)系
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我公司在清華大學(xué)飛斯卡爾單片機研究中心的指導下，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的研究開(kāi)發(fā)，在智能充電算法方面的研究已經(jīng)取得了一些成果。為了實(shí)現智能化充電，我們采用單片機作控制器，實(shí)時(shí)監控電壓、電流，使充電過(guò)程按理想的充電曲線(xiàn)進(jìn)行，達到既保護電池、又能使電池充滿(mǎn)的最優(yōu)效果。
1 智能充電器的硬件結構
傳統的電池充電器采用電流負反饋的方法來(lái)達到恒流充電的目的。為了加入智能控制，達到實(shí)時(shí)監控的目的，我們打開(kāi)電流反饋環(huán)，加入單片機及相關(guān)控制電路。硬件的結構框圖如圖１所示。
單片機對正在充電的電池進(jìn)行實(shí)時(shí)電壓、電流、溫度取樣，經(jīng)ａ／ｄ轉換輸入單片機。單片機根據電池不同的充電狀態(tài)采取不同的充電算法，通過(guò)ｄ／ａ轉換輸出反饋電壓，對電源進(jìn)行控制，通過(guò)改變電池組端電壓來(lái)達到控制充電過(guò)程的目的。在充電過(guò)程中，單片機還擔負著(zhù)平衡電池組中各電池的容量、防止電池過(guò)充電而損壞電池的任務(wù)。另外，針對不同種類(lèi)的電池，只要根據不同電池的最佳充電曲線(xiàn)對控制器里的程序進(jìn)行相應的調整，就能對不同類(lèi)型的電池進(jìn)行充電。
充電器系統中的主要控制部件是單片機。在目前的市場(chǎng)里有很多的充電控制模塊可供選擇，如武漢力源電子的ｐｓ１７１８、ｂｅｎｃｈｍａｒｑ的ｂｑ２００４等，只要接上適當的外圍電路，就可以組成不錯的充電器。但從經(jīng)濟的角度出發(fā)，普通的單片機就可以擔負控制器的任務(wù)。出于提高系統的集成性和可控性的考慮，我們可以選擇內部帶ａ／ｄ、ｄ／ａ轉換的單片機作為控制器。我們所選擇的單片機采用高密度ｃｍｏｓ技術(shù)制造；具有２ｋ的ｒｏｍ或ｅｐｒｏｍ、６４ｂｙｔｅ的ｒａｍ，已經(jīng)足夠充電控制的需要；可以作為狀態(tài)顯示、輸出；一個(gè)計時(shí)器／計數器，可以實(shí)現延時(shí)功能；８位ａ／ｄ轉換，可以作為電壓、電流、溫度檢測輸入；８位ｐｗｍ輸出，經(jīng)濾波后可作為反饋電壓。
電池對充電過(guò)程中的環(huán)境溫度、電池溫度比較敏感，對于這些電池我們可以加入溫度測量電路。溫度測量有不同的方法，根據精度要求的不同可以采用不同的熱敏電阻、或者采用現有的溫度傳感器、溫度檢測模塊。充電器根據不同的環(huán)境、電池溫度采取不同的充電算法。
在單片機檢測到電池組中電池不平衡的情況下，可以采用均衡充電的方法，使電量較多的電池少充電，電量較少的電池多充電。均衡充電原理圖如圖２所示。
2 充電算法的設計與實(shí)現
根據清華大學(xué)飛斯卡爾單片機研究中心與系統國家重點(diǎn)實(shí)驗室多年的研究，對于蓄電池，采用多段恒流、定壓、脈沖的充電算法最有效。程序原理框圖如圖３所示。
在程序的初始階段應首先對單片機進(jìn)行初始化，然后判斷電池是否連接正確，根據電池狀況判斷應該進(jìn)入哪一個(gè)充電階段。具體實(shí)現為開(kāi)始輸出小電壓，然后從小電壓逐漸往上加，不斷讀入電池的電壓、電流，根據所讀入的數據進(jìn)行判斷。
當電池很空的時(shí)候，由于電池可能已經(jīng)處于受損的狀態(tài)，這時(shí)候應該采用小電流恒流充電。這樣有利于激活電池內的反應物質(zhì)，部分恢復受損的電池單元。當電池比較空的時(shí)候，可以用大電流恒流充電，使電池在短時(shí)間內沖入比較大的電量而不會(huì )損壞電池。具體算法采取多段恒流方法，實(shí)驗證明多段恒流有利于充入更多的電量。當電池比較滿(mǎn)的時(shí)候，應該采用定壓充電，這時(shí)候隨著(zhù)充電過(guò)程的延續，電流會(huì )逐漸下降，這樣能保證不會(huì )充電過(guò)量而損害電池。當電池很滿(mǎn)的時(shí)候，可以采用的是脈沖充電算法。經(jīng)試驗證明，脈沖充電算法比傳統的小電流充電算法不但速度快，而且充入的電量更多。
以上所說(shuō)有四個(gè)充電階段（小電流、多段恒流、恒壓、脈沖）可以采用ｐ、ｐｉ、ｐｉｄ算法，以保持電流／電壓的恒定。在充電過(guò)程的初段，電池處于恒流充電狀態(tài)，由于電池比較空，控制器對電流的精度要求不高，此時(shí)可以采用ｐ算法。通過(guò)調整ｐ算法的比例系數ｋｐ，可以控制誤差的大小。ｋｐ越大，電流誤差越小，但同時(shí)系統穩定性降低。根據控制理論，可以得到以下關(guān)系式：
ｕｉ，ｉ＋１＝ｕｉ，ｉ＋ｋｐ×（ｕｏ，ｉ－ｕｏ，ｉ－１）
δｉ＝ａ／ｋｐ
其中ａ為充電系統所確定的常數，由實(shí)驗測得。
在充電過(guò)程的定壓階段，為了避免電池過(guò)充電，充電器對電壓精度的要求比較高，此時(shí)應采用ｐｉ算法，以達到充電器對電池端電壓無(wú)差控制的目的。定壓控制的原理如圖４所示。輸出電壓ｕｉ?。椋笨捎上率接嬎悖?br />ｕｉ，ｉ＋１＝ｕｉ，ｉ＋ｋｐ×?。酰?，ｉ－ｕｏ，ｉ－１）＋ｋｉ×Σ（ｕｏ，ｊ－ｕｏ，ｊ－1）
由于電池是一種容性負載，時(shí)間常數比較大，加上開(kāi)關(guān)電源電路中也有一定的時(shí)延，因此整個(gè)電池充電系統的延時(shí)是比較大的。另外由于均衡充電電路也會(huì )引入很大的干擾，因此充電算法的魯棒性非常重要，否則很容易出現控制器反應遲緩或出現超調震蕩的現象。在這種情況下，ｐｉ算法中的常數ｋｐ、ｋｉ的數值對系統的穩定性非常重要。尤其是ｋｉ，其取值范圍比較小，很小的變化就會(huì )引起系統的震蕩。一般情況下，ｋｐ、ｋｉ的確定可以采用以下方法：
（１）先采用ｐ算法初步確定ｋｐ１，選擇ｋｉ１＜＜ｋｐ１；
（２）經(jīng)實(shí)驗調整得ｋｉ２；
（３）再經(jīng)實(shí)驗調整得ｋｐ２；
（４）重復步驟（２）、（３）一到兩次；
（５）微調ｋｉ，使系統的穩定域盡量大、時(shí)間常數盡量小。
必須注意的是，無(wú)論在任何階段，控制器都必須不斷檢測以下三項關(guān)鍵技術(shù)指標：電路是否出現斷路、電池是否出現不均衡現象、電池是否達到規定的安全電壓。其中電池的斷路主要通過(guò)檢測電流的大小來(lái)判斷。而且為了避免誤判斷，應該反復檢測。當出現斷路時(shí)，應重新返回預處理階段。斷路的判斷應該在電壓已經(jīng)達到預定值的情況下進(jìn)行，否則在電壓沒(méi)有達到預定值的情況下，電流比較小，可能出現誤判斷。均衡充電是智能電器的另一個(gè)重要特點(diǎn)。在充電的過(guò)程中，由于電池的質(zhì)量不相同，容量小、質(zhì)量差電池的電壓在充入相同電量后會(huì )出現電壓增加比另一個(gè)電池多的情況，如果不采取措施，它們的電壓差將會(huì )增大，以至其中一個(gè)電池很快達到規定的安全電壓，充電過(guò)程被迫停止。這時(shí)候應該對電壓高的電池進(jìn)行放電，即均衡充電。這樣有利于恢復電池內受損的單元，使充電過(guò)程能順利地進(jìn)行下去。為了防止電池沖壞，在電池電壓到達規定的安全電壓時(shí)應立刻停止充電，否則會(huì )損壞電池。
綜上所述，智能充電器是根據目前蓄電池的現實(shí)需要而開(kāi)發(fā)的，在引入了單片機作為控制器以后充電效果更加理想，達到了在保證電池安全的情況下盡量多充入電量的預期效果。
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