基于8xC749單片機(jī)的電動(dòng)自行車智能充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在程序的初始階段應(yīng)首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，然后判斷電池是否連接正確，根據(jù)電池狀況判斷應(yīng)該進(jìn)入哪一個(gè)充電階段。具體實(shí)現(xiàn)為開始輸出小電壓，然后從小電壓逐漸往上加，不斷讀入電池的電壓、電流，根據(jù)所讀入的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。
　　當(dāng)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(yīng)該采用小電流恒流充電。這樣有利于激活電池內(nèi)的反應(yīng)物質(zhì)，部分恢復(fù)受損的電池單元。當(dāng)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(nèi)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(yàn)證明多段恒流有利于充入更多的電量。當(dāng)電池比較滿的時(shí)候，應(yīng)該采用定壓充電，這時(shí)候隨著充電過程的延續(xù)，電流會(huì)逐漸下降，這樣能保證不會(huì)充電過量而損害電池。當(dāng)電池很滿的時(shí)候，可以采用的是脈沖充電算法。經(jīng)試驗(yàn)證明，脈沖充電算法比傳統(tǒng)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(duì)電流的精度要求不高，此時(shí)可以采用P算法。通過調(diào)整P算法的比例系數(shù)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(tǒng)穩(wěn)定性降低。根據(jù)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(tǒng)所確定的常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。
　　在充電過程的定壓階段，為了避免電池過充電，充電器對(duì)電壓精度的要求比較高，此時(shí)應(yīng)采用PI算法，以達(dá)到充電器對(duì)電池端電壓無差控制的目的。定壓控制的原理如圖4所示。輸出電壓Ui,i+1可由下式計(jì)算：
　　Ui,i+1＝Ui,i+Kp×(Uo,i－Uo,i－1)+Ki×Σ(Uo,j－Uo,j－1)

由于電池是一種容性負(fù)載，時(shí)間常數(shù)比較大，加上開關(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(tǒng)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(xiàn)控制器反應(yīng)遲緩或出現(xiàn)超調(diào)震蕩的現(xiàn)象。在這種情況下，PI算法中的常數(shù)Kp、Ki的數(shù)值對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)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(yàn)調(diào)整得Ki2;
　　(3)再經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)整得Kp2；
　　(4)重復(fù)步驟(2)、(3)一到兩次；
　　(5)微調(diào)Ki，使系統(tǒng)的穩(wěn)定域盡量大、時(shí)間常數(shù)盡量小。
　　必須注意的是，無論在任何階段，控制器都必須不斷檢測(cè)以下三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：電路是否出現(xiàn)斷路、電池是否出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象、電池是否達(dá)到規(guī)定的安全電壓。其中電池的斷路主要通過檢測(cè)電流的大小來判斷。而且為了避免誤判斷，應(yīng)該反復(fù)檢測(cè)。當(dāng)出現(xiàn)斷路時(shí)，應(yīng)重新返回預(yù)處理階段。斷路的判斷應(yīng)該在電壓已經(jīng)達(dá)到預(yù)定值的情況下進(jìn)行，否則在電壓沒有達(dá)到預(yù)定值的情況下，電流比較小，可能出現(xiàn)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(xiàn)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(dá)到規(guī)定的安全電壓，充電過程被迫停止。這時(shí)候應(yīng)該對(duì)電壓高的電池進(jìn)行放電，即均衡充電。這樣有利于恢復(fù)電池內(nèi)受損的單元，使充電過程能順利地進(jìn)行下去。為了防止電池沖壞，在電池電壓到達(dá)規(guī)定的安全電壓時(shí)應(yīng)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(jù)電動(dòng)自行車、電動(dòng)游覽車的現(xiàn)實(shí)需要而開發(fā)的，在引入了單片機(jī)作為控制器以后充電效果比較理想，達(dá)到了在保證電池安全的情況下盡量多充入電量的預(yù)期效果。但由于智能充電器發(fā)展時(shí)間尚短，無論在硬件設(shè)計(jì)上還是控制算法方面還存在著一些不足，有待以后不斷地改進(jìn)。