王 斌，趙 卉，孔令強(qiáng)，巫靈珊，朱金榮

（揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225002）

0 引言

目前的電動(dòng)車用充電器主要有以下幾種:（1）三段式充電器，即將充電方式分為恒流、恒壓、浮充三個(gè)階段。三段式充電方式基本上能夠滿足電動(dòng)車日常充電的需要，成本也最低，然而這種充電方式有諸多問題，比如各廠家蓄電池極性不同，容易燒壞充電器、損壞蓄電池;不能定時(shí)強(qiáng)制進(jìn)入浮充狀態(tài)等。（2）帶有防反接和定時(shí)功能的充電器，即當(dāng)電動(dòng)車蓄電池極性接反時(shí)不進(jìn)行充電，防止出現(xiàn)故障;在充電上限時(shí)間達(dá)到后強(qiáng)制轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)，防止損壞鉛酸蓄電池?？梢杂行У胤乐挂驑O性不同而發(fā)生的故障，并且可以強(qiáng)制進(jìn)入浮充階段，但是多采用晶閘管或繼電器進(jìn)行控制，晶閘管對(duì)電網(wǎng)有影響，繼電器控制直流電滅弧困難，有安全隱患。（3）脈沖充電器，將三段式充電器中的恒壓階段改為脈沖式充電方式，但僅僅是正脈沖。這在一定程度上解決了充電過程中溫升高的問題，同時(shí)充電效率有所提高，但是僅僅依靠正脈沖對(duì)于解決這些問題效果還不是很理想［1-3］。基于以上種種弊端，本文在三段式充電電路基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種智能型充電器，通過涓流充電、正負(fù)脈沖充電和定時(shí)斷電等一系列措施提高充電效率，延長(zhǎng)電池壽命，并可修復(fù)略有損傷的蓄電池。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本方案電路主要分為三個(gè)部分，分別為電源電路部分、單片機(jī)系統(tǒng)電路部分和正負(fù)脈沖控制電路部分。如圖1所示，圖中5V電源電路為單片機(jī)供電，單片機(jī)通過控制正負(fù)脈沖控制電路對(duì)變壓器輸出電壓進(jìn)行控制，達(dá)到產(chǎn)生正負(fù)脈沖的目的。

1.1 電源電路

如圖2所示，變壓器輸出的交流信號(hào)經(jīng)過續(xù)流二極管D18整流和電容C20濾波輸出約12V的直流電壓VCC1，VCC1經(jīng)過三端穩(wěn)壓電源芯片78L05穩(wěn)壓后輸出5V直流電壓，經(jīng)過電容C26、C24濾波后供給單片機(jī)。其中C26為極性電容，主要用來(lái)抗浪涌，C24為無(wú)極性小電容，主要用來(lái)濾除高次諧波。圖中LD2為電源指示燈，電阻R22為限流電阻。

圖1 正負(fù)脈沖型電動(dòng)車智能充電器電路框圖

圖2 電源電路原理圖

1.2 正負(fù)脈沖控制電路

普通充電方式在充電過程中溫升較大，容易產(chǎn)生析氣，影響充電效率，同時(shí)溫升會(huì)損傷蓄電池［4］。本文中的正負(fù)脈沖充電方式采用充電—停充—放電—停充—充電的循環(huán)過程，程序中設(shè)定每周期內(nèi)充電時(shí)間和放電時(shí)間。正負(fù)脈沖通過一組MOS管的開通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制正脈沖的為P型MOS管IRF9530，控制負(fù)脈沖的為N型MOS管IRF530。另外，目前普通充電器定時(shí)一般采用定時(shí)芯片，增加了額外成本。本文中直接在單片機(jī)中定時(shí)，時(shí)間到則發(fā)出信號(hào)，強(qiáng)制進(jìn)入浮充階段，再過一定時(shí)間后單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，控制MOS管切斷電源，達(dá)到斷電目的，節(jié)約成本。

如圖3所示，變壓器輸出的交流信號(hào)經(jīng)過二極管D19、D8整流和電容C14、C16濾波成為直流電壓，電阻R21、R95為假負(fù)載，用來(lái)防止在充電器沒有接負(fù)載（蓄電池）時(shí)電壓升高，保證充電器電壓的穩(wěn)定。MOS管Q2、Q3用來(lái)控制正負(fù)脈沖產(chǎn)生，Q2為PMOS管，用來(lái)控制充電電壓的通斷，Q3為NMOS管，用來(lái)控制蓄電池放電。單片機(jī)RA2腳經(jīng)限流電阻R46控制NPN三極管Q8的通斷，當(dāng)單片機(jī)輸出為高電平時(shí)，三極管Q8導(dǎo)通，電阻R33、R31經(jīng)過Q8接地，構(gòu)成回路，電阻R33、R31進(jìn)行分壓后接到Q2的柵極，驅(qū)動(dòng)Q2導(dǎo)通;同理，當(dāng)單片機(jī)RA2腳輸出低電平時(shí)，Q2關(guān)斷。其中小電容C17用來(lái)防止電壓突變對(duì)Q2的影響，使得電壓變化略趨于平緩但又不會(huì)影響開關(guān)速度。單片機(jī)RC1腳經(jīng)限流電阻R45控制NPN型三極管Q10和PNP型三極管Q11，從而控制MOS管Q3的通斷。當(dāng)單片機(jī)RC1腳輸出高電平，三極管Q10導(dǎo)通，Q11截止，電壓VCC經(jīng)三極管Q10、電阻R51后控制NMOS管Q3導(dǎo)通;當(dāng)單片機(jī)RC1腳輸出低電平時(shí)，三極管Q11導(dǎo)通，Q10截止，Q3結(jié)電容中的電通過Q11迅速釋放，加速Q(mào)3關(guān)斷。電感L1、電容C18用于濾波，使輸出電壓更平穩(wěn)。電阻R23為電流取樣電阻，流過蓄電池的電流會(huì)在電阻R23上產(chǎn)生壓降，此電壓在電路中用于判斷充電狀態(tài)和充電階段。

圖3 正負(fù)脈沖控制電路原理圖

1.3 單片機(jī)系統(tǒng)電路

PIC16F676單片機(jī)6采用RISC型CPU內(nèi)核，僅需學(xué)習(xí)35條指令，除了跳轉(zhuǎn)指令以外所有指令都是單周期的，由于采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，以及指令的讀取和執(zhí)行采用流水作業(yè)方式，使得PIC單片機(jī)的運(yùn)行速度大大提高;PIC單片機(jī)是最節(jié)省程序存儲(chǔ)器空間的單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，每個(gè)I/O口的吸入和輸出電流最大值可達(dá)25mA。PIC系列單片機(jī)集成了上電復(fù)位電路、I/O引腳上拉電路、看門狗定時(shí)器等，可以最大程度地減少或免用外接器件，以便實(shí)現(xiàn)“純單片”應(yīng)用［5］。

如圖4所示，電阻R1和電容C15組成單片機(jī)復(fù)位電路，單片機(jī)IC4和復(fù)位電路構(gòu)成了單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)1腳接電源VCC，14腳接地，7腳通過二極管D9輸出信號(hào)，當(dāng)7腳輸出高電平時(shí)充電狀態(tài)強(qiáng)制進(jìn)入浮充狀態(tài)，減小充電電流，防止損傷蓄電池。電阻R54為上拉電阻，防止單片機(jī)輸出的信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力不足而無(wú)法正常工作。單片機(jī)9腳用于驅(qū)動(dòng)NMOS管Q3，11腳用于驅(qū)動(dòng)PMOS管Q2。普通三段式充電由于初始充電電流很大，這對(duì)于過放電后的蓄電池是致命的，因此必須進(jìn)行判斷。本文方案在充電初始階段，單片機(jī)控制MOS管關(guān)斷，利用電阻R50和R41對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行分壓，輸入單片機(jī)10腳，10腳采樣蓄電池電壓，判斷蓄電池極性是否正確，如不正確，則不進(jìn)行充電，利用指示燈進(jìn)行提示;如正確，再判斷是否過放電，如果電壓低于設(shè)定值，認(rèn)定蓄電池過放電，則采用小電流進(jìn)行充電，即涓流充電，當(dāng)蓄電池可以承受大電流時(shí)再進(jìn)入常規(guī)三段式充電階段。單片機(jī)12腳、13腳控制指示燈LD1，12腳控制紅燈，13腳控制綠燈，用于指示蓄電池充電狀態(tài)。

圖4 單片機(jī)系統(tǒng)電路原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件功能

系統(tǒng)軟件用于檢測(cè)蓄電池極性、是否過放電等狀態(tài)，檢測(cè)正常才允許進(jìn)行充電;在充電過程中，通過軟件判斷充電階段，作為控制各階段電壓電流的依據(jù);充電中若定時(shí)時(shí)間到，但充電器沒有進(jìn)入浮充階段，則通過軟件強(qiáng)制轉(zhuǎn)入，防止損壞蓄電池;充電完成后，軟件控制電路斷電。

2.2 系統(tǒng)軟件流程圖

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

通過對(duì)48V20AH的鉛酸蓄電池進(jìn)行充電的實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)很好地完成了設(shè)定的各項(xiàng)功能，充電效率較普通充電器有所提高，充電時(shí)間有所縮短，工作安全可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在普通三段式充電電路基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，增加了涓流充電階段，并將普通三段式充電中的恒壓充電階段改為正負(fù)脈沖充電方式。改進(jìn)后，系統(tǒng)的充電效率有所提高，充電時(shí)間有所縮短，同時(shí)，防止極性反接的功能對(duì)蓄電池和充電器都是一種保護(hù)，使充電器的適應(yīng)性更強(qiáng)。本文的方案在普通三段式的充電器基礎(chǔ)上只增加了單片機(jī)和MOS管控制電路，對(duì)原有電路改動(dòng)較少，便于生產(chǎn)廠家升級(jí)。

［1］李衛(wèi)兵，張之超，曹偉.“電動(dòng)車”智能充電器設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（2）:138-141.

［2］趙光明.蓄電池快速充電方法研究［J］.通信電源技術(shù)，2012，29（4）:128-130.

［3］李文濤，孔健.電動(dòng)車用鉛酸蓄電池的特性認(rèn)識(shí)［J］.研究與開發(fā)，2012（7）:17-20.

［4］郭毅鋒.帶負(fù)脈沖鉛酸電池充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析［J］.低壓電器，2011（8）:23-25，39.

［5］Microchip公司.PIC16F630/676數(shù)據(jù)手冊(cè)［Z］.2004.