一種新型的蓄電池充放電綜合控制設(shè)備

由于軍事應(yīng)用中一些不斷電設(shè)備耗能較大，因而普遍采用串連電池組的模式避免過高的電流。串連電池組的充放電與單一電池的充放電有所不同，電池組內(nèi)不同電池的差異如果不被重視就會(huì)造成電池組使用效率降低，減少蓄電池的使用壽命；考慮軍用設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境的特殊要求，目前市場(chǎng)上還沒有一種可以滿足這些需求的綜合充放電控制設(shè)備，因而這里設(shè)計(jì)一種可以很好滿足這些需求的新型蓄電池充放電綜合控制設(shè)備。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

該蓄電池充放電綜合控制設(shè)備以MC68HC908SR12單片機(jī)為控制核心，采用FPGA輔助控制設(shè)計(jì)。主要包括電源電路、恒流恒壓充電控制單元、平衡放電控制單元、中央控制單元、FPGA輔助控制單元、溫度檢測(cè)電路、人機(jī)接口電路等。蓄電池充放電綜合控制設(shè)備主要針對(duì)軍事應(yīng)用中一些不斷電設(shè)備耗能較大，普遍采用蓄電池串聯(lián)供電的情況設(shè)計(jì)的。在設(shè)計(jì)過程中著重考慮蓄電池的平衡特性，以提高串聯(lián)蓄電池供電組的工作效率、延長(zhǎng)其使用壽命。圖1是其系統(tǒng)框圖。

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2 硬件設(shè)計(jì)

下面對(duì)充放電綜合控制設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)過程進(jìn)行概述說明。

2.1 電源電路

使用開關(guān)現(xiàn)代電子技術(shù) 作為充電器的供電設(shè)備。開關(guān)電源采用脈沖調(diào)制方式PWM(Pulse Width Modulation)和MOSFET，BTS，IGBT等電子器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。開關(guān)電源集成化程度較高，具有調(diào)壓、限流、過熱保護(hù)等功能。與線性電源相比其輸入電壓范圍寬(通常可達(dá)交流85～265 V)、體積小、重量輕、效率高。同時(shí)，其易于FPGA輔助控制單元對(duì)其進(jìn)行控制。

2.2 充電控制單元

充電控制單元采用目前較成熟的恒流恒壓充電電路來設(shè)計(jì)完成。圖2是電路原理圖。恒流恒壓電路由Motorola公司的MC68HC908SR12單片機(jī)片內(nèi)模擬電路模塊和片外的MOSFET開關(guān)管、肖特基二極管、濾波電感、濾波電容等器件組成。模擬電路模塊是Motorola公司的MC68HC908SR12單片機(jī)的特有部件，它由輸入多路開關(guān)、兩組可程控放大器、片內(nèi)溫度傳感器、電流檢測(cè)電路等組成?？沙炭胤糯笃骺偡糯蟊稊?shù)為1～256。放大器的輸入可選擇為2路模擬輸入腳(ATD0，ATD1)、片內(nèi)溫度傳感器、模擬地輸入(VSSAM)。ATD0和VSSAM間可接一個(gè)電流檢測(cè)電阻，用于測(cè)量外部電流，它還連接至電流檢測(cè)電路，可在電流超過指定值時(shí)產(chǎn)生中斷并輸出信號(hào)。

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在充電開始前的預(yù)處理階段，根據(jù)檢測(cè)到的不同電池特性，軟件選擇相應(yīng)的充電算法，充電算法由單片機(jī)和FPGA輔助控制單元實(shí)現(xiàn)。在充電開始后，軟件定時(shí)采集感應(yīng)電阻R上的電壓值，經(jīng)過計(jì)算，設(shè)置SR12單片機(jī)的輸出控制參數(shù)。同時(shí)，電流檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)充電電流，在電流超過指定值時(shí)產(chǎn)生中斷并由SR12單片機(jī)控制及時(shí)關(guān)斷充電電流，實(shí)現(xiàn)恒流恒壓的充電控制

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均衡充電是本充放電綜合控制設(shè)備的一個(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)量差的電池端電壓在充入相同電量后會(huì)出現(xiàn)電壓增長(zhǎng)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，充電過程也將被迫停止。此時(shí)應(yīng)該停充電壓高的電池，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。

2.3 放電控制單元

放電控制單元主要有2部分組成，一是返馳式平衡放電電路，可以實(shí)現(xiàn)電池組的平衡放電。平衡放電是本充放電綜合控制設(shè)備的一個(gè)重要特點(diǎn)。在放電的過程中，由于電池的個(gè)體差異，如果不采取措施，電池組內(nèi)電池個(gè)體的差異將越來越明顯，這樣會(huì)使電池組工作效率降低，使用壽命減少。放電控制單元采用的返弛式放電電路設(shè)計(jì)，其原理圖如圖3所示，該電路本身具有的電感端電壓互相牽制特性(也稱電路的返弛性)可以實(shí)現(xiàn)蓄電池組放電電池個(gè)體的平衡放電。這樣有利于恢復(fù)蓄電池內(nèi)的受損單元，提高蓄電池的工作效率和使用壽命。二是過度放電保護(hù)電路，該電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的過度放電保護(hù)。圖4是電池組過度放電保護(hù)電路原理圖，當(dāng)端電壓檢測(cè)電路檢測(cè)到的電壓低于設(shè)定的安全放電電壓時(shí)，該保護(hù)電路可以把放電電路切斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的保護(hù)。

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2.4 溫度檢測(cè)電路

在充電過程中，電池的溫度會(huì)隨著充電容量的增加而上升，尤其在接近充電終止時(shí)，溫度變化率△T／△t最大，該特性是判斷電池是否充滿的主要條件之一。因此，采用美國國家半導(dǎo)體公司出品的單片高精度數(shù)字溫度傳感器LM92設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)電路。其電路原理圖如圖5所示。

2.5 人機(jī)接口單元

(1)鍵盤響應(yīng)電路

設(shè)計(jì)鍵盤響應(yīng)電路時(shí)，使用MC68HC908SR12單片機(jī)PORT D(PTD6和PTD7)端口的鍵盤中斷功能(KBI)。根據(jù)實(shí)際情況，在MC68HC908SR12單片機(jī)的鍵盤中斷使能寄存器KBIER中寫人相應(yīng)的值，寫人“1”表示中斷允許，寫入“0”表示不能中斷。鍵盤中斷允許的端口，MC68HC908SR12單片機(jī)將對(duì)其內(nèi)部上拉30 kΩ的電阻，這樣鍵盤響應(yīng)電路的設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)潔，要注意的是應(yīng)用軟件中要增加鍵盤消抖動(dòng)子程序，防止誤操作。

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(2)狀態(tài)顯示電路

狀態(tài)顯示電路的設(shè)計(jì)使用MC68HC908SR12單片機(jī)PORT A(PTA0～PTA5)端口的LED直接驅(qū)動(dòng)功能。編程時(shí)首先設(shè)置PORT A的工作狀態(tài)，在LED控制寄存器LEDA中寫入相應(yīng)的值，寫入“1”表示可直接驅(qū)動(dòng)LED，寫入“0”表示作為標(biāo)準(zhǔn)I／O端口。在充電的每個(gè)階段均有狀態(tài)顯示，如：電池處于正在充電狀態(tài)、電池因溫度過高進(jìn)入溫控狀態(tài)等。

2.6 中央控制單元和FPGA輔助控制單元

中央控制單元和FPGA輔助控制單元主要實(shí)現(xiàn)充放電綜合控制設(shè)備的狀態(tài)控制轉(zhuǎn)換功能。根據(jù)傳感器獲取的不同狀況，寫入不同指令，轉(zhuǎn)換不同的工作模式。

3 軟件設(shè)計(jì)

殼放電綜合控制設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)思想是：各個(gè)功能組件實(shí)現(xiàn)模塊化編程，軟件流程采用中斷工作方式。其目的是使應(yīng)用軟件流程清晰、可讀性強(qiáng)、易于功能調(diào)試以及產(chǎn)品的維護(hù)和升級(jí)。本軟件主要由初始化、預(yù)處理、控制算法、充放電4個(gè)部分組成。

3.1 初始化

在程序的初始階段應(yīng)首先對(duì)MC68HC908SR12單片機(jī)進(jìn)行初始化操作，包括設(shè)置I／O端口的輸入／輸出狀態(tài)，設(shè)置PLL鎖相環(huán)電路參數(shù)，設(shè)置TIM定時(shí)器參數(shù)等。

3.2 預(yù)處理

預(yù)處理階段是充放電綜合控制設(shè)備正常工作前的準(zhǔn)備階段。程序初始化后，先根據(jù)利用MC68HC908SR12單片機(jī)的內(nèi)部溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度。當(dāng)環(huán)境溫度過低或過高時(shí)，均不能對(duì)電池進(jìn)行充放電，否則將損傷電池。然后，設(shè)置A／D轉(zhuǎn)換參數(shù)和通道，檢測(cè)電池的端電壓。將檢測(cè)數(shù)據(jù)與理論經(jīng)驗(yàn)值比較，判斷電池的類別以及是否連接正確。對(duì)端電壓低的電池，采用短時(shí)間的脈動(dòng)電流充電，這樣有利于激活電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)，部分恢復(fù)受損的電池單元。

3.3 充放電

根據(jù)控制單元給出的指令，進(jìn)行充放電。綜合充放電設(shè)備在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)考慮了平衡充電、平衡放電以及過放電保護(hù)等情況，因此，軟件設(shè)計(jì)時(shí)也給予相應(yīng)的考慮。

3.4 控制算法

控制算法主要是控制MC68HC908SR12單片機(jī)和FPGA輔助控制單元，寫入相應(yīng)指令，控制充放電綜合設(shè)備各模塊協(xié)調(diào)工作。

4 結(jié) 語

該蓄電池充放電綜合控制設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了串聯(lián)電池組充放電時(shí)的平衡效應(yīng)，可以很好地應(yīng)用于串聯(lián)電池組的充放電控制，能夠提高串聯(lián)電池組的工作效率、延長(zhǎng)其使用壽命；同時(shí)考慮到該充放電綜合控制設(shè)備主要配合軍用不斷電設(shè)備使用，在其設(shè)計(jì)時(shí)也充分考慮了軍事應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，因而，該蓄電池充放電綜合控制設(shè)備在軍民兩用方面具有廣泛的應(yīng)用前景。