基于PIC單片機(jī)的智能充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

鉛酸蓄電池是目前大容量電池的主要品種，其制造成本低、容量大、價(jià)格低廉，使用范圍非常廣泛。鉛酸蓄電池的基本充電方式有兩種：恒壓充電和恒流充電。如果單獨(dú)采用一種方法，比如恒流法，則在充電后期由于充電電流不變，容易使容量下降而提前報(bào)廢。單獨(dú)采用恒壓法，充電初期電流過大，可能致使電極活性物質(zhì)脫落，后期電流又過小，形成長(zhǎng)期充電不足，影響蓄電池的使用壽命[1]。因此，充電器大部分都是綜合采用兩種方法的多階段充電方式。近年來，先恒流、再恒壓、最后恒壓浮充的三階段充電方式被逐漸接受。

目前，三階段充電方式主要采用模擬控制的方案。雖然具有實(shí)時(shí)性好、帶寬高的優(yōu)點(diǎn)，但其硬件電路復(fù)雜，控制不靈活。為此，本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)字控制的充電器，采用單片機(jī)作為控制回路的核心，通過電壓、電流實(shí)時(shí)采樣，從而控制輸出電壓和輸出電流，實(shí)現(xiàn)了三階段充電策略，可智能靈活的控制蓄電池的充電，提高蓄電池的利用效率，并有助于提高蓄電池的使用壽命和性能。

2 充電器電源結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。主要由3部分組成：第一部分為開關(guān)電源部分，采用反激DC/DC變換器；第二部分為電壓、電流采樣電路；第三部分為單片機(jī)核心的PWM輸出，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)反激電路。

圖1 充電器電路總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)由電壓采樣電路、電流采樣電路實(shí)時(shí)分別采樣電壓、電流，將采樣的電壓、電流各自送單片機(jī)的RA0、RA1,經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)值，然后根據(jù)編寫的軟件進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作，由PWM模塊得到相應(yīng)的占空比，再由RC2將占空比送到驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)反激電路的開關(guān)管，從而在輸出端得到相應(yīng)的電壓或電流對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電。

3 數(shù)字控制電路結(jié)構(gòu)

數(shù)字控制電路通過相應(yīng)信號(hào)的獲取和輸出，監(jiān)測(cè)和控制充電器對(duì)應(yīng)的工作過程，使其能自適應(yīng)工作。然而，主電路輸出是模擬信號(hào)，單片機(jī)能夠處理的卻是數(shù)字信號(hào)，因此在處理信號(hào)之前，必須先通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。假定ADC字長(zhǎng)為N，則模數(shù)轉(zhuǎn)換精度為1/2N，N越大精度也越高，但價(jià)格越貴。數(shù)字控制器PWM單元的時(shí)間分辨率及模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，決定了充電器的輸出電壓、輸出電流、輸出功率的精度。為了同時(shí)滿足精度需求及降低成本的考量，需要選擇合適位數(shù)的ADC和PWM數(shù)字控制器。

ADC轉(zhuǎn)換器選定后，需要選擇PWM位數(shù)。如果PWM位數(shù)太小，將導(dǎo)致輸出電壓在某一電壓值附近上下波動(dòng)，造成極限環(huán)現(xiàn)象，輸出電壓將發(fā)生周期性抖動(dòng)，進(jìn)而影響到采樣數(shù)據(jù)，最終影響到整個(gè)系統(tǒng)的處理精度。因此，PWM單元分辨率越高越好。

PWM位數(shù)N與頻率fPWM滿足下式：。式中，fclk表示單片機(jī)的時(shí)鐘頻率。PR2為單片機(jī)PWM周期寄存器，fPWM越高存入PR2的值越小。設(shè)存入PR2的值為M，則最大分辨率為分頻值f/M。由此可見，頻率不一定越高越好，過高的頻率會(huì)降低PWM分辨率。PWM輸出的頻率與分辨率之間的關(guān)系如表1所示。

表1 PWM頻率與分辨率的關(guān)系（fclk=40MHz）

為了保證足夠高的分辨率，保證輸出電壓紋波受PWM分辨率的影響小于輸出濾波電容的影響，本設(shè)計(jì)選用10位PWM。

同時(shí)，考慮到其它需求，本系統(tǒng)對(duì)數(shù)字控制器的具體要求主要包括：（1）內(nèi)置ADC模塊，至少2個(gè)ADC信道，精度在10位以上；（2）至少內(nèi)置1個(gè)PWM單元，PWM精度在10位以上；（3）至少兩個(gè)定時(shí)器；（4）有中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置；（5）至少5個(gè)I/O口；（6）價(jià)格低于50元人民幣。

綜合考慮以上因素，選擇microchip公司的PIC18F2620作為數(shù)字控制芯片。PIC18F2620的主要性能有：10個(gè)10位的ADC信道；最高外接時(shí)鐘頻率可達(dá)到40M：1024字節(jié)的數(shù)據(jù)EEPROM，用于儲(chǔ)存可變數(shù)據(jù)；可延長(zhǎng)電池壽命的低功耗強(qiáng)化設(shè)計(jì)，睡眠模式下耗電僅為100nA等等，其性能滿足系統(tǒng)需要。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

三階段充電，開始時(shí)采用恒流充電，中間為恒壓充電，最后采用浮充充電。該充電法減少了充電出氣量，充電比較徹底，延長(zhǎng)了蓄電池使用壽命。三階段充電法充電電流和充電電壓變化曲線如圖2所示。

圖2 三階段充電特性圖

根據(jù)三階段充電的原理，畫出系統(tǒng)的主程序流程圖，如圖3所示。(其中Um為蓄電池的最大電壓上限，Ubat為恒壓充電門限，Ibat為恒流充電門限，其值一般取蓄電池容量的1/10。)

單片機(jī)系統(tǒng)的主程序，主要用于A/D采樣初始化、PWM初始化、定時(shí)和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器的初值設(shè)定，然后一直檢測(cè)充電器的電壓與電流，進(jìn)行三階段的自適應(yīng)充電。

程序中需要注意一下問題。

（１）因?yàn)樾枰瑫r(shí)采樣電壓和電流２個(gè)變量，此時(shí)可根據(jù)PIC18F2620的采樣單元特點(diǎn)，可通過直接改變A/D控制寄存器ADCON0.2~3位進(jìn)行更換通道，其速度快、花費(fèi)時(shí)間少。

（2）中斷系統(tǒng)是程序的重點(diǎn)部分。由于采樣單元不可能一直工作，這樣既浪費(fèi)單片機(jī)的運(yùn)算能力又影響其它部分的工作，使系統(tǒng)的工作效率低下。為了使單片機(jī)更有效率的工作，系統(tǒng)采用定時(shí)中斷的工作方式：利用TMR0定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，固定一定的時(shí)間后進(jìn)入中斷。目前，市面上的單片機(jī)一般都存在中斷優(yōu)先級(jí)，比如系統(tǒng)采用的PIC18F2620有2個(gè)優(yōu)先級(jí)，可以通過設(shè)置不同的中斷向量進(jìn)行不同優(yōu)先級(jí)的操作。對(duì)應(yīng)的高優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)子程序，使TMR0復(fù)位，并載入相應(yīng)的初值，進(jìn)入下一次的定時(shí)狀態(tài)。低優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)子程序，則是復(fù)位A/D模塊使能位，讀取并存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后判別相應(yīng)的電壓、電流采樣值所處的階段，最后經(jīng)過各個(gè)階段對(duì)應(yīng)的PI調(diào)節(jié)修改占空比。

圖3 主程序流程圖

4.2 采樣子程序

采樣處理后的電壓、電流信號(hào)，不可避免的存在系統(tǒng)所帶來的噪聲和干擾，為了準(zhǔn)確的測(cè)量和控制，必須濾除這些噪聲和干擾。除了在硬件電路上進(jìn)行濾波，還可采用軟件濾波或稱為數(shù)字濾波。常用的數(shù)字濾波方法有很多，本系統(tǒng)采用了平均值法：多次采樣后排序，再去掉最大和最小值之后求平均值的方法，提高了采樣精度。

4.3 PI子程序

為了消除積分飽和的影響，本系統(tǒng)采用增量式PI控制算法，并利用遇限削弱的方法。

遇限削弱積分PI算法，實(shí)際上是一旦控制量進(jìn)入飽和區(qū)范圍，則停止增大積分項(xiàng)的運(yùn)算而只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算[5]。PI程序流程圖如圖4所示。

圖4 PI控制算法流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用以上介紹的方法制作樣機(jī)，對(duì)YTX7A-BS/12V-7AH的鉛酸蓄電池充電。

主電路參數(shù)如下：輸入電壓Uin=24V，電路工作頻率f=50kHz，采用EI33磁芯，原邊電感Lp=212μH，副邊電感Ls＝112μH，開關(guān)管采用IRF840，輸出電容采用1000μF/25V的電解電容。

圖5為樣機(jī)給鉛酸蓄電池充電變化曲線圖，橫軸為充電時(shí)間，左邊Y軸為蓄電池電壓，右邊Y軸為充電電流。

圖5 蓄電池充電變化曲線

從圖5可知，根據(jù)程序設(shè)計(jì)要求，在充電的初始階段，充電器先進(jìn)行恒流充電，蓄電池電流保持為0.7A左右。此后，當(dāng)蓄電池電壓超過恒壓充電門限14.4V，轉(zhuǎn)為恒壓充電，充電電壓保持為14.4V，充電電流不斷下降。同時(shí)，通過RA1不斷檢測(cè)充電電流，當(dāng)充電電流降到0.1A以下時(shí)，表明蓄電池已充滿電。這時(shí)，為了補(bǔ)充蓄電池的自放電，轉(zhuǎn)為浮充充電，充電電壓保持于13.7V。根據(jù)以上結(jié)果分析表明：本文所提出的鉛酸蓄電池三階段自適應(yīng)數(shù)字控制方案是有效的，充電器能夠根據(jù)蓄電池所處的實(shí)際狀態(tài)來選擇對(duì)應(yīng)的充電方式（恒流，恒壓充電和浮充）進(jìn)行充電。

6 結(jié)語

相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬控制的鉛酸蓄電池充電器，采用數(shù)字控制的充電器大大提高了控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性、穩(wěn)定性等。隨著控制方案與功能整合的不斷完善以及單片機(jī)價(jià)格的逐漸降低，采用單片機(jī)的數(shù)字控制充電器將成為今后一個(gè)重要的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡恒生，王慧，趙徐成，呂瑞強(qiáng). 蓄電池充電方法的分析和探討[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用，2009,12（8）：1-4.

[2] 陳堅(jiān). 電力電子學(xué)DD電力電子變換和控制技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[3] 孟建輝,劉文生. 反激式變換器 DCM與CCM模式的分析與比較[J]. 通訊電源技術(shù)，2010，27（6）：33－38.

[4] 童詩(shī)白，華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2001.

[5] Cook,B. New Developments and Future Trends in High-Efficiency Lighting. IEEEngineering Science and Education Journal,2000,9:207-217.■