基于PIC16C73B的電動(dòng)自行車(chē)充電器的設計

　　近幾年隨著(zhù)城鎮規模的擴大，交通越來(lái)越擁擠，機動(dòng)車(chē)燃油所排放的尾氣也成為造成大氣污染的主要原因之一。而電動(dòng)自行車(chē)因其輕巧、安全、省力并有益于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為理想的交通工具。

　　目前電動(dòng)自行車(chē)所用的電池的鉛酸蓄電池是目前世界上廣泛使用的一種化學(xué)電源，該產(chǎn)品由于具有良好的可逆性，電壓特性平穩，使用壽命長(cháng)，適用范圍廣，原材料豐富及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的使用。但是由于普通的蓄電池充電方法不合理，其壽命大大縮短?，F在很多普通的蓄電池使用壽命只有3～5年，遠遠低于設計指標10～15年的要求。研究發(fā)現：電池充電過(guò)程對電池壽命影響較大，也就是說(shuō)，絕大多數的電池不是用壞的，而是充壞的。由此可見(jiàn)，一個(gè)性能良好的充電器對電池的使用壽命具有舉足輕重的作用，同時(shí)也降低了電動(dòng)自行車(chē)用戶(hù)的經(jīng)濟投入。

　　由于單片機具有良好的控制功能，并且價(jià)格低廉，在鉛酸蓄電池的設計中應用單片機作為控制元件可實(shí)現對蓄電池充電過(guò)程的智能控制，使其達到最佳的充電效果。

　　2 充電器的電路結構

　　充電器的電路結構如圖1所示，其中市電接入電路、高頻變換電路、3842穩壓電路和次級整流濾波電路4部分構成了高頻開(kāi)關(guān)充電電源。單片機控制電路、采樣電路和充電輸出電路組成輸出控制電路。

　　2.1 高頻開(kāi)關(guān)充電電源

　　市電接入電路通過(guò)RS508型單相橋式集成整流電路將220 V的交流電轉換為300 V的直流電。高頻變換電路主要由高頻變壓器T和MOSFET管組成，本文采用的是單端反激式電路。單端反激變換器很重要的特色就是變壓器充當了電感，即在原邊開(kāi)關(guān)(MOSFET管)導通時(shí)變壓器儲能，開(kāi)關(guān)截止時(shí)變壓器將能量釋放到副邊。高頻變壓器T有3個(gè)副邊繞組和1個(gè)反饋繞組。副邊繞組1的輸出為光藕(TLP250)提供15 V電源，副邊繞組2的輸出為單片機提供5 V電源，副邊繞組3的輸出構成充電主回路，反饋繞組的輸出則為3842提供電源。而3842就是通過(guò)調整輸出PWM波形的脈寬，從而調整MOSFET管導通和截止的時(shí)間對高頻變換電路的輸出進(jìn)行穩壓的。充電主回路經(jīng)過(guò)LC-π型濾波后輸出很純凈的直流。

　　2.2 PIC16C73B單片機的控制策略

　　PIC16C73B是充電電路中的控制部件，他主要用來(lái)實(shí)現充電狀態(tài)的轉換、溫度補償的控制、停充控制和輸出驅動(dòng)波形。他是Microchip公司生產(chǎn)的一款基于EPROM的8位高性能微控制器。與其他價(jià)格相當的微控制器相比，他在執行速度和代碼壓縮方面都有很大的改進(jìn)。由于隨時(shí)可以買(mǎi)到需要的OPT(一次性編程)產(chǎn)品，因而縮短了利用PIC16C73進(jìn)行產(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)的周期。PIC16C73微控制器所具有的優(yōu)越性能主要歸功于他的精簡(jiǎn)指令集(RISC)和所采用的哈佛(Harvard)結構，他可運用兩級流水線(xiàn)指令進(jìn)行取數和執行，除了跳轉指令需要2個(gè)周期外，其余所有的指令都可在單周期內執行。

　　2.2.1 狀態(tài)轉換的控制

　　當電池進(jìn)行充電時(shí)，電池電壓采樣電路立刻對電池的端電壓進(jìn)行循環(huán)的掃描，將采樣得到的端電壓信號送人到PIC16C73B的一路AD口進(jìn)行轉換，單片機根據電池當前的狀態(tài)決定采用何種方式對電池充電?？刂七^(guò)程框圖如圖2所示。

　　2.2.2 溫度補償的控制

　　充電過(guò)程中，電池內的再化合反應產(chǎn)生大量的熱，由于蓄電池的密封結構使熱量不易散出，導致蓄電池溫度升高，電解液干涸，造成電池的熱失控。而且若沒(méi)有溫度補償，可能導致電池充電不足或過(guò)充，而縮短了電池的使用壽命。電池溫度采樣電路采集到當前的電池溫度，利用PIC16C73B單片機進(jìn)行A/D轉換，并進(jìn)行溫度補償。啟動(dòng)溫度補償功能之后，充電電壓可根據以下方程式進(jìn)行修正：

　　Vtc=Vn-TcN(T-20)

　　式中，Vtc為經(jīng)溫度補償后的電壓Vn為未經(jīng)補償的電影;Tc為溫度補償系數，mV/℃，補償系數一般為-2～4 mV/℃;N為每組蓄電池的數值;T為溫度傳感器采集的溫度。

　　2.2.3 停充控制

　　蓄電池溫度控制在正常充電時(shí)，電池的溫度變化并不明顯，但是，當電池過(guò)充時(shí)，其內部氣體壓力將迅速增大，負極板上氧化反映使內部發(fā)熱，溫度迅速上升(每分鐘可以高幾個(gè)攝氏度)。所以PIC16C73B單片機可以根據電池的溫度變化值判斷電池是否充滿(mǎn)，從而發(fā)出停充控制信號。

　　停充控制框圖如圖3所示。

　　2.2.4 驅動(dòng)波形的輸出

　　利用PIC16C73B單片機輸出頻率為120 Hz、占空比為0.8的矩形波，此矩形波在經(jīng)過(guò)光藕的放大后直接驅動(dòng)MOS管(RPF540)，給電池充電。

　　3 充電器性能試驗與測試

　　充電試驗得到如圖4所示的充電波形。

　　充電脈沖能充分地還原電池中的浯性物質(zhì)，使蓄電池電量能快速充滿(mǎn)，間歇期使蓄電池有較充分的反應時(shí)間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。多次試驗結果表明電池一般在5～6 h即可充滿(mǎn)。

　　4 結 語(yǔ)

　　以高頻開(kāi)關(guān)充電電源為充電器電路的硬件基礎，PIC16C73B單片機為控制部件，能準確地對電池進(jìn)行狀態(tài)監測、充電控制、停充控制、溫度補償控制。依據充電波形知電流在充電過(guò)程中慢慢減小，非常近似于美國科學(xué)家馬斯提出的最佳充電的充電曲線(xiàn)，提高了蓄電池充電接受率，有效地延長(cháng)了電池的使用壽命。