基于ST72單片機(jī)的常規(guī)電池快速充電系統(tǒng)

前言：

傳統(tǒng)的常規(guī)蓄電池充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電，充電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10～20個(gè)小時(shí)。為了縮短充電時(shí)間，必須對(duì)充電過(guò)程的充電電流進(jìn)行控制。許多生產(chǎn)廠家誤認(rèn)為盲目提高充電電流就是快速充電，其實(shí)這不但不能提高充電效率，而且會(huì)加劇電池的極化現(xiàn)象，升高蓄電池溫度，浪費(fèi)電能，嚴(yán)重?fù)p壞蓄電池。根據(jù)美國(guó)科學(xué)家馬斯提出的馬斯三定律，脈沖充電、脈沖放電可以去除電池極化，減小蓄電池的內(nèi)部壓力、溫度和內(nèi)阻，加快充電速度，實(shí)現(xiàn)蓄電池快速充電需采用充－放－充的循環(huán)方式。這種模式的快充系統(tǒng)中一般應(yīng)包括控制回路、充電回路、放電回路。根據(jù)充電過(guò)程中測(cè)得的參數(shù)，通過(guò)單片機(jī)適當(dāng)調(diào)整，保證脈沖電壓的（充、放）幅值及充電與放電的寬度比值恒定，可以得出充電效率的最佳結(jié)果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 控制回路

ST72系列單片機(jī)是法國(guó)ST微電子公司最新生產(chǎn)的簡(jiǎn)單、靈活、低價(jià)格的8位單片機(jī)，采用了獨(dú)特的制造工藝和技術(shù)，大大提高了抗干擾能力。它專為嵌入式控制應(yīng)用設(shè)計(jì)，特別適用于抗噪聲干擾高、整體性價(jià)比高的控制系統(tǒng)。它具有以下的主要性能：

（1）工作電源電壓有很寬的適應(yīng)范圍，從2.4Ｖ～5.5Ｖ；功耗較低，內(nèi)部數(shù)字看門狗。

（2）豐富的I/O功能，內(nèi)部帶有3個(gè)定時(shí)器／計(jì)時(shí)器，有的還多達(dá)16個(gè)通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，兩路脈寬調(diào)制?多種通信接口，多達(dá)12級(jí)的中斷源。

（3）多種內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，除有廉價(jià)的0TP（0ne Time Programming）一次性編程寫入?還有非常方便的Flash程序存儲(chǔ)器，可以在線編程，易于修改程序代碼。存儲(chǔ)器的容量從1.5kB~60kB不等，可以滿足各種編程的需要。

根據(jù)系統(tǒng)功能的需要，選用ST72系列的ST72264G1單片機(jī)作控制芯片。該芯片具有4kB的FLASH內(nèi)部存儲(chǔ)器，2路PWM輸出，最大時(shí)鐘頻率8MHz，有20個(gè)I/O引腳，6個(gè)復(fù)用10位A/D轉(zhuǎn)換器，有SPI,SCI,I2C三種通信接口?？刂苹芈凡捎肧T72262G1加上液晶顯示和鍵盤接口等；它利用單片機(jī)自身的Ａ／Ｄ端口，組成電壓、電流、溫度檢測(cè)電路。

1.2 充放電回路

充電回路是采用一種新型的電源芯片TOP225Y構(gòu)成的電源電路。該芯片是美國(guó)Powergration公司生產(chǎn)的三端隔離式脈寬調(diào)制單片開(kāi)關(guān)電源集成電路。它將PWM集成電路和MOSFET功率器件集成在同一芯片中，具備PWM型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源所需的全部功能。通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功頻變壓器隔離的開(kāi)關(guān)電源的集成化。整個(gè)回路具有輸出功率范圍大、成本低、集成化程度高、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

放電回路則由蓄電池和電阻構(gòu)成回路，Ｍ0S管作為開(kāi)關(guān)，控制放電回路的關(guān)斷。Ｍ0S管的關(guān)斷由單片機(jī)給出控制信號(hào)。

智能充電系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。



單片機(jī)根據(jù)電壓反饋和電流反饋，輸出數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換成模擬電壓。模擬電壓再經(jīng)過(guò)光耦隔離，然后調(diào)節(jié)電源芯片TOP225Y控制腳的電流大小，由芯片調(diào)節(jié)控制信號(hào)的占空比，從而調(diào)整脈沖電壓的幅值或涓流電流的大小。一般單片機(jī)的數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換成模擬電壓都需要D/A轉(zhuǎn)換器，由于ST72系列單片機(jī)帶有PWM輸出，因此可以直接利用PWM輸出將數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換成模擬電壓，能夠保證精度，省卻了D/A轉(zhuǎn)換器。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件用Ｃ語(yǔ)言編寫，經(jīng)過(guò)匯編、仿真調(diào)試，燒寫在單片機(jī)的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器內(nèi)。按照軟件工程的規(guī)范要求進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)層次化、功能模塊化，不僅使軟件的可讀性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性得到了增強(qiáng)，而且提高了軟件的可靠性。程序的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。[!--empirenews.page--]



程序先檢測(cè)蓄電池是否已充滿和蓄電池的好壞。蓄電池是否充滿可以從其兩端的電壓得出。蓄電池的好壞需要通過(guò)開(kāi)路、短路、測(cè)溫等試驗(yàn)措施來(lái)確定。對(duì)蓄電池可施加一個(gè)比較小的充電電流（約為快速充電電流的1／5），使電池電壓在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到某個(gè)特定值，確定蓄電池的好壞。開(kāi)始脈沖充電后，程序自動(dòng)跟蹤檢測(cè)蓄電池的各種參數(shù)。當(dāng)參數(shù)達(dá)到脈沖充電終止條件時(shí)，系統(tǒng)終止快速充電狀態(tài)而轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài)，以補(bǔ)充蓄電池因自放電而損失的電量。在涓流充電狀態(tài)下，充電器將以某一充電速率給蓄電池補(bǔ)充電荷，這樣可以使電池總處于充足電狀態(tài)。 為保證在任何情況下，均能準(zhǔn)確可靠地控制電池的充電狀態(tài)，本系統(tǒng)采用了電壓控制、溫度控制和定時(shí)控制的綜合控制法。



（1）電壓控制使用拐點(diǎn)控制法。這種充電終止方法由檢測(cè)電壓曲線的拐點(diǎn)構(gòu)成，對(duì)鎳氫、鎳鎘電池都適用。用單片機(jī)檢測(cè)電壓曲線需要求出電壓曲線對(duì)時(shí)間的一次求導(dǎo)值并檢測(cè)其頂點(diǎn)值。ST72664單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器每４秒鐘測(cè)得電池電壓一次，為減少由于高頻干擾（例如由脈沖充電電流所產(chǎn)生的干擾）而造成的測(cè)量誤差，連續(xù)多次測(cè)量電池電壓得出一個(gè)平均測(cè)量值。進(jìn)而對(duì)現(xiàn)今和先前的平均測(cè)量結(jié)果再做一個(gè)滾動(dòng)平均，去除由于電化學(xué)電池電壓變化而造成的低頻干擾。通過(guò)對(duì)幾次測(cè)量數(shù)據(jù)的運(yùn)算，以獲取電壓對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。因?yàn)殡妷菏峭ㄟ^(guò)A/D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)字量，電壓對(duì)時(shí)間的一次導(dǎo)數(shù)的曲線不平滑，所以必須對(duì)該曲線做平滑處理。通過(guò)檢測(cè)在平滑的導(dǎo)數(shù)曲線上所遇到的第一個(gè)最高頂值來(lái)辯認(rèn)這個(gè)拐點(diǎn)（圖3中的Ｂ點(diǎn)）。當(dāng)探測(cè)出這個(gè)頂值時(shí)就終止快速充電。

（2）溫度控制使用溫度變化率法。鎳氫和鎳鎘電池充足電后，電池溫度迅速上升，而且上升速率ΔＴ／Δｔ基本相同。當(dāng)電池溫度每分鐘上升1℃時(shí)，應(yīng)立即終止快速充電。需要注意的是：由于熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系是非線性的，因此，為了提高檢測(cè)精度應(yīng)設(shè)法減小熱敏電阻非線性的影響。

（3）定時(shí)控制就是設(shè)定時(shí)間上限，超過(guò)時(shí)間就停止快速充電。

3 系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)

利用本充電系統(tǒng)對(duì)鎳氫電池、鎳鎘電池充電，對(duì)于容量為1000mAH電池，充足電時(shí)間為25min；容量為1300mAH的電池，充足電時(shí)間為33min；容量為1600mAH的電池，充足電時(shí)間為40min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于常規(guī)充電系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試容易、充電安全可靠，不會(huì)損壞蓄電池或縮短蓄電池壽命。