楊智勇，王德軍

（1. 重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，重慶 400037；2. 重慶大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400037）

0 引言

近年來，以小汽車為代表的燃油交通工具數(shù)量不斷增多，各城市普遍面臨能源危機(jī)和環(huán)境惡化的雙重壓力。電動(dòng)自行車以其具有節(jié)能、污染小、結(jié)構(gòu)和控制簡單以及安全性高等優(yōu)點(diǎn)，被世界各國所普遍采用。隨著各國對(duì)節(jié)能減排以及環(huán)境治理的高度重視，電動(dòng)自行車必將成為城市私人交通發(fā)展的方向[1]。目前，電動(dòng)自行車用鉛酸蓄電池因其價(jià)格便宜、材料來源豐富、比功率較高、可逆性良好、適用范圍廣、使用壽命長以及技術(shù)和制造工藝較成熟等優(yōu)點(diǎn)，為大多數(shù)人所喜愛[2]。但是，通過大量研究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：由于電動(dòng)自行車用蓄電池充電方法的不合理，導(dǎo)致蓄電池的使用壽命大大縮短，只能達(dá)到設(shè)置指標(biāo)要求的三分之一左右[3]。此外，由于充電器的智能化程度較低，在快速充電過程中，存在著蓄電池充放電能量浪費(fèi)、循環(huán)壽命受損等問題[4]。因此，為了使充電技術(shù)在充電的速度、質(zhì)量和效果上滿足人們?cè)谏詈蜕a(chǎn)方面的實(shí)際需要，本文設(shè)計(jì)了一種能夠解決電動(dòng)自行車用蓄電池充電效率和充電質(zhì)量問題的充電器，以最大程度延長電池的使用壽命，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

圖1 智能充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要針對(duì)目前普遍使用的電動(dòng)自行車用36V/10A·h鉛酸蓄電池所設(shè)計(jì)的。其核心設(shè)計(jì)思想是依據(jù)電動(dòng)自行車用鉛酸蓄電池自身的特性，研究設(shè)計(jì)具有智能化程度較高、充電性能較好的鉛酸蓄電池智能充電系統(tǒng)。系統(tǒng)除了滿足實(shí)現(xiàn)變電流脈沖充放電功能的基本功能以外，還配備了電路監(jiān)控功能以及友好的人機(jī)交互界面。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括以下四個(gè)部分：充電電路、取樣檢測電路、控制電路和監(jiān)控電路。

2 電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過取樣檢測電路實(shí)時(shí)對(duì)蓄電池的充電狀態(tài)進(jìn)行取樣檢測，并將檢測信號(hào)傳送給HT66F50單片機(jī)；通過對(duì)該信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析，得出蓄電池的當(dāng)前充電狀態(tài)，從而制定合適的充電策略；結(jié)合軟件編程，系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)電池反接檢測等功能。

2.1 充電電路設(shè)計(jì)

充電電路主要完成系統(tǒng)的充電任務(wù)，是系統(tǒng)的功率電路部分，具有輸入濾波、逆變、放電去極化以及輸出整流濾波等功能。

通過在系統(tǒng)電源線的入口處安裝一個(gè)輸入濾波電路，可有效地切斷電源線上的電磁干擾[5]。輸入濾波電路是指交流電網(wǎng)與開關(guān)電源輸入級(jí)之間的系統(tǒng)，輸入濾波電路具有雙向隔離作用：一方面，可以消除從交流電網(wǎng)輸入的各種干擾信號(hào)，如開關(guān)器件的合閘和關(guān)斷信號(hào)，雷擊等產(chǎn)生的尖峰干擾信號(hào)等；另一方面，它在防止開關(guān)電源工作時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲信號(hào)向電網(wǎng)擴(kuò)散而污染電網(wǎng)方面也有不可替代的作用。輸入濾波器接在電網(wǎng)輸入和整流橋之間，電路如圖2所示，這是一個(gè)雙Л型的LC濾波器，它是兩個(gè)Л型的LC濾波器的并聯(lián)組成的。整流前后輸出的電流首先通過每個(gè)Л型LC濾波器中的電容濾波，然后再經(jīng)濾波器濾波，從而促使輸出電壓脈動(dòng)系數(shù)的大幅度降低，使濾波效果得到顯著改善。其中，L1是一個(gè)共扼電感，它有兩個(gè)有相同匝數(shù)卻相互獨(dú)立的線圈，繞在同一個(gè)鐵芯上。

圖2 充電電路

本系統(tǒng)將控制電路送來的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)變成能夠直接驅(qū)動(dòng)MOSFET工作的電壓信號(hào)。其中，PWM信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2所示。

鑒于HT66F50單片機(jī)I/O口具有較強(qiáng)的灌電流能力，因此其產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過電阻和光耦器件隔離后與5V電源連接。當(dāng)PWM波為低電平時(shí)，光耦原邊有電流通過，使光耦副邊導(dǎo)通，此時(shí)u1點(diǎn)為低電平，Q3導(dǎo)通，MOSFET的柵極為低電壓，Q4關(guān)閉；當(dāng)PWM波為高電平時(shí)，光耦關(guān)斷，與之相對(duì)應(yīng)的u1點(diǎn)為高電平，此時(shí)Q2導(dǎo)通，MOSFET的柵極為高電平，Q4也導(dǎo)通。

MOSFET的柵極通過R32接地是為了在PWM由高變低時(shí)，能夠迅速拉低MOSFET柵極的電壓，實(shí)現(xiàn)迅速關(guān)斷MOSFET的目標(biāo)。MOSFET高頻率地開關(guān)，易造成輸出電壓有較大的尖峰。特別是在關(guān)斷時(shí)，由于電路中存在寄生電感，電流瞬間的切斷將會(huì)在電感的兩端產(chǎn)生沖擊電壓，解決辦法是對(duì)MOSFET增加緩沖電路[6]。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，原電路中的一部分電流通過恢復(fù)二極管D15對(duì)電容C37進(jìn)行充電，使MOSFET兩端的電壓緩慢地上升，同時(shí)，電路中電流的減小速度也緩慢降低，從而減小MOSFET的損耗和減小尖峰電壓。圖中L6起到了平滑電壓的作用，C38和C39是濾波電容[7]。通過在開關(guān)電源整流電路和輸出端之間使用相對(duì)簡單的輸出濾波電路，設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波電感和濾波電容，可有效節(jié)約開發(fā)成本并使系統(tǒng)更加小巧，方便攜帶。

此外，在整個(gè)快速充電過程中，由于系統(tǒng)需要在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)，通過采取負(fù)脈沖瞬間放電措施來消除充電電池的極化現(xiàn)象，因此，本裝置設(shè)計(jì)了一條放電通道，如圖2所示。放電去極化電路是由開關(guān)三極管Q5（在其上反向并聯(lián)一個(gè)二極管，以實(shí)現(xiàn)能量的回流，從而保護(hù)Q 5）、負(fù)載R10和濾波電感L所組成，通過檢查充電電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)，單片機(jī)分析決定何時(shí)進(jìn)行去極化操作。去極化時(shí)，系統(tǒng)將停止充電，此時(shí)存儲(chǔ)在濾波電感L中的電能將存儲(chǔ)到電池中，然后單片機(jī)通過P2.1管腳使Q5導(dǎo)通，電池通過負(fù)載進(jìn)行放電操作，從而保證電池在充電過程中的適時(shí)放電，以更好地消除電池充電過程中的極化現(xiàn)象。

2.2 取樣檢測電路設(shè)計(jì)

在充電過程中，為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控充電蓄電池的充電狀態(tài)，必須對(duì)電壓值、電流值和溫度值等信息進(jìn)行采樣檢查，并將采樣信息反饋給單片機(jī)，控制電路通過實(shí)時(shí)調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，從而調(diào)整充電電壓和電流，保證充電操作按照論文中提出的充電方法進(jìn)行充電。本文設(shè)計(jì)使用以DS2438為核心構(gòu)成的取樣檢測電路，對(duì)電壓、電流和溫度等狀態(tài)信息進(jìn)行跟蹤采樣，取樣檢測電路如圖3所示。

2.3 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路以HT66F50單片機(jī)為核心，并擴(kuò)展外圍電路，如圖3所示?？刂齐娐返闹饕饔檬墙邮苋訖z測電路傳送的數(shù)據(jù)信息，完成充電系統(tǒng)的核心控制功能。單片機(jī)通過計(jì)算分析取樣信息，根據(jù)結(jié)果控制PWM的輸出信號(hào)來控制開關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)充、放電功能；通過檢測充電電池的溫度、電壓和電流等信息，單片機(jī)自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)某潆娔Ｊ?，并?shí)現(xiàn)電路保護(hù)功能；并將檢測到的充電電壓、電流和電池的溫度等信息通過液晶顯示、語音播報(bào)等方式予以展現(xiàn)。

圖3 HT66F50單片機(jī)控制電路

2.4 監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

該電路具有液晶顯示、語音播報(bào)和蜂鳴報(bào)警等功能，主要完成充電過程中的人機(jī)交互功能。其中，液晶顯示和語音播報(bào)主要用于顯示流過充電鉛酸蓄電池的電流、電壓以及系統(tǒng)工作狀態(tài)和故障等信息；蜂鳴器主要用于故障報(bào)警提示。

1）液晶顯示電路

本系統(tǒng)采用12864液晶顯示器，HT66F50單片機(jī)為LCD數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了特殊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，任何寫入其內(nèi)的數(shù)據(jù)，都會(huì)自動(dòng)被LCD驅(qū)動(dòng)電路所讀取。LCD顯示分為兩行，第一行顯示電池的電流、電壓和溫度值，第二行顯示電池正?；虍惓顟B(tài)。

2）語音播報(bào)電路

本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了語音播報(bào)電路，電路如圖4所示。當(dāng)充電電池出現(xiàn)充電錯(cuò)誤或充電完畢等情況時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行語音提示。本電路的核心是ISD4004語音芯片，該芯片采用先進(jìn)的CMOS技術(shù)，具有自動(dòng)靜噪、多段信息處理和高質(zhì)量、自然的語音還原等功能，只需要很少的外圍電路就可以組成一個(gè)較為完整的聲音錄放系統(tǒng)。

圖4 語音播報(bào)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序根據(jù)所獲得充電蓄電池電壓、電流和溫度等狀態(tài)信息，確定系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)，通過計(jì)算分析，得出結(jié)果，進(jìn)而采取最佳的充電方式，從而達(dá)到合理控制充電過程的目的。此外，系統(tǒng)還配備了充電去極化、終止充電檢測以及液晶顯示和語音報(bào)警等功能。主程序流程框圖如圖5所示。

系統(tǒng)通電后，程序?qū)⑦M(jìn)行系統(tǒng)初始化，檢查充電電池是否反接，如果異常，則系統(tǒng)將不進(jìn)行充電操作并報(bào)警；如果狀態(tài)檢測正常，系統(tǒng)將判斷蓄電池的端電壓值是否滿足大電流充電條件，若其端電壓小于設(shè)定值31.4V，則系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)進(jìn)入涓流充電模式，通過40m A的電流對(duì)充電電池進(jìn)行充電，直至滿足大電流充電為止；若其端電壓大于31.4V，則系統(tǒng)將直接跳過涓流充電而進(jìn)入大電流充電模式，并以最大允許電流2A的變電流間歇充電對(duì)其進(jìn)行充電操作；當(dāng)充電電池的端電壓大于或等于40V時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行電壓負(fù)增量檢測操作，以判斷是否停止充電。

圖5 主程序流程圖

系統(tǒng)在去極化操作時(shí)，充電電路將停止進(jìn)行充電操作，同時(shí)，系統(tǒng)導(dǎo)通去極化電路開關(guān)元件Q5來實(shí)現(xiàn)放電去極化的操作。具體的操作過程為：系統(tǒng)通過對(duì)蓄電池實(shí)時(shí)進(jìn)行充電狀態(tài)信息的計(jì)算分析操作，獲知蓄電池需要進(jìn)行去極化操作后，系統(tǒng)將PWM的輸出引腳設(shè)置為高阻態(tài)，充電電路將停止充電操作；同時(shí)，計(jì)算得出該蓄電池的負(fù)脈沖放電和停充電的時(shí)間，將信息送入定時(shí)器2中，并啟動(dòng)定時(shí)器2進(jìn)行去極化放電操作，直至本次去極化放電結(jié)束。

4 安裝與調(diào)試

系統(tǒng)焊接安裝完畢后，寫入軟件程序。利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備做了三階段恒流充電、變電流充電和變電流間歇充電三組實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)所采用的變電流間歇正負(fù)脈沖充電方法的合理性。

5 結(jié)論

本文以電動(dòng)自行車用鉛酸蓄電池充電技術(shù)為研究背景，結(jié)合電力電子、控制和計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù)手段，在研究和比對(duì)各種電充電系統(tǒng)和充電方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于HT66F50單片機(jī)控制的電動(dòng)自行車智能充電系統(tǒng)。在理論研究和大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)構(gòu)建了簡易的充電實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)。通過比較試驗(yàn)數(shù)值和理論設(shè)計(jì)的誤差，證明了本系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)節(jié)充電方式，基本能夠滿足鉛酸電池組充電的快速性和去極化的要求，為電動(dòng)自行車用鉛酸蓄電池快速充電方法和模式的深入研究與應(yīng)用打下了一定的基礎(chǔ)。由于實(shí)驗(yàn)條件和時(shí)間的限制，在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程中存在一些不足之處，如PWM控制脈沖的穩(wěn)定改進(jìn)等問題，將作為今后完善和研究的方向。

[1] 別文群,王留芳.基于C504單片機(jī)的電動(dòng)自行車智能充電器的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2006,16(7)．

[2] 李蓓,王映林.鉛酸蓄電池快速充電器的基礎(chǔ)理論研究尚需加強(qiáng)[J].中國西部科技,2006(31)．

[3] 孫莉莉,雷永鋒,鄭菲.基于PIC16C73B的電動(dòng)自行車充電器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(20)．

[4] 張幸,楊偉民,李綱園.智能化電池充電裝置的研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(4)．

[5] 一種輸出電壓4～16V開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)[EB/OL].http://data.weeqoo.com/2007/10/20071019115431108213.htm l. 2007-9-25/2012-4-28．

[6] 張乃國.電源技術(shù)[M].中國電力出版社, 1999．

[7] 崔光照,袁贊.基于MF—RC500的射頻卡讀寫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(29)．