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1 引言 電池是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵動(dòng)力輸出單位，在鉛酸蓄電池，鎳鎘電池，鎳氫電池，鋰電池和燃料電池等幾種常用電池中，因為具有能量比大、重量輕、溫度特性好，污染低，記憶效果不明顯等特點(diǎn)，鉛酸蓄電池、鎳氫電池在電動(dòng)汽車(chē)中使用很普遍。然而由于充電方法的不正確.造成充電電池的使用壽命遠遠低于規定的壽命。也就是說(shuō)很多電池不是被用壞的而是被充壞的，可見(jiàn)充電器的好壞對電池壽命有很大的影響�；诖�。本文提出一種使用C805lF040單片機智能充電控制方案的智能充電器的設計，能有效的提高充電效率，延長(cháng)電池的使用壽命。 2 硬件設計 2.1 系統框圖 圖1電動(dòng)汽車(chē)智能充電器系統框圖 該電動(dòng)汽車(chē)智能充電器以c8051040F單片機為控制核心，主要包括AC/DC變換器、IGBT功率模塊、高頻變壓器、整流濾波電路、單片機控制電路、脈沖調寬電路以及狀態(tài)顯示電路等。圖1是其系統框圖。 該方案中開(kāi)關(guān)電源的最大輸出功率為2.6KW，交流輸入范圍為l70V-270V，充電器電路主要包括主充電電路和單片機控制電路兩部分，整個(gè)電路的工作過(guò)程為：220v單相交流電經(jīng)過(guò)全橋整流由電容進(jìn)行濾波.得到約300v左右的直流電.經(jīng)過(guò)由4只IGBT構成的逆變橋，得到高頻交流電，經(jīng)高頻變壓器耦合到副邊.再經(jīng)過(guò)整流管D6，D7整流。最后經(jīng)過(guò)電感L3和電容C7濾波后得到穩定的直流輸出。由于采用智能充電，根據不同的電池每個(gè)階段充電電壓和充電電流都不同。所以使用cygnal公司的C8051040F單片機作為充電過(guò)程控制設備，充電時(shí)單片機檢測充電電池的充電電流，充電電壓，電池溫度，防止電路過(guò)壓和過(guò)流。電池溫度過(guò)高，還可以通過(guò)檢測電池電壓電流值來(lái)決定是否在切換到下一個(gè)的充電階段。同時(shí)通過(guò)單片機給出每一階段的充電的電壓值或是電流值，與采樣所得的對應電壓電流值相比較。通過(guò)移相控制芯片uCC3895改變PWM值來(lái)改變功率管的導通時(shí)間.達到在不同電池不同階段得到不同穩定的輸出值的目的。 2.2單片機控制電介紹 充電控制電路采用C8051F040單片機進(jìn)行數據采集和控制，該芯片是完全集成混合信號系統級芯片(soc).具有與805l指令集完全兼容的CIP-51內核。它在一個(gè)芯片內集成了構成一個(gè)單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件。這些外設或功能部件包括：ADC、可編程增益放大器、DAC、溫度傳感器、12C總線(xiàn)、UART、SPI、定時(shí)器、可編程計數器、定時(shí)器陣列等。C805lF040單片機采用流水線(xiàn)結構，機器周期由標準的12個(gè)系統時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統時(shí)鐘周期，處理能力大大提高，峰值性能可達到25MIPS。內置64K字節的Flash程序存儲器和256B的內部RAM及4KB位于外部數據存儲器空間的XRAM。C805lF040具有片內JTAG調試電路.通過(guò)4腳JTAG接口并使用安裝在最終應用系統中的器件就可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統調試。由于其具有多達8路12位ADc和8路8位ADC.能對來(lái)自端口PORTC的單端輸入電壓、電流進(jìn)行采樣。6通道PWM，片內可編程看門(mén)狗定時(shí)器.可大大簡(jiǎn)化單片機控制電路的外圍設計和保證了程序的安全運行。ADC負責對充電時(shí)電壓，電流J2C負責溫度數據的采集，PWM輸出充電時(shí)電壓電流的基準值到到比較電路，同時(shí)單片機控制開(kāi)關(guān)電源控制模塊UCC3895。 電壓檢測電路：電壓采樣電路由精密電阻和可調電阻構成，由于該單片機AD測量最大設定范圍為5V。所以要使電池組電壓成比例的縮小在5V范圍內.然后利用C805lF040內部的AD轉換功能進(jìn)行轉換。單片機在內部計算出電池電壓，該電路采用單片機內部自帶l2位AD轉換.減少了設計電路的復雜性。并提高了可靠性和精度。為了抵抗電氣干擾和高壓電擊.該電路采用高速隔離光藕PC8l7隔離。 電流檢測電路：一般進(jìn)行電流采集時(shí)在電路中串聯(lián)一個(gè)阻值很小的取樣電阻.把取樣電阻上的電壓輸入單片機轉換通道，進(jìn)行A巾轉換.再通過(guò)計算把電壓值轉換為電流值。但由于本方案中充電電流較大.使用電阻采樣會(huì )消耗點(diǎn)較多的功率，因此。本方案使用電流互感器進(jìn)行電流采樣。 溫度檢測電路：溫度采樣采用溫度傳感器LM92。LM92是美國國家半導體公司公司出品的單片高精度數字溫度傳感器。常溫下，測溫精度可達到正負0.33度。并可與用戶(hù)設置的溫度點(diǎn)進(jìn)行比較。通過(guò)12C總線(xiàn)接口可對該傳感器的內部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。其編程容易。使用方便，在高精度溫度測量及控溫過(guò)程中得到廣泛應用。 在充電開(kāi)始前的預處理階段。根據不同的電池，軟件選擇相應的充電算法.將通道選擇控制字寫(xiě)入C805lF040單片機的方式寄存器PCAOCPMn中.并初始化計數器，定時(shí)器的寄存器PCA0和模塊捕捉/比較寄存器PCAOCPn。PWM輸出信號的頻率取決于PCA0計數器/定時(shí)器的時(shí)基。改變模塊捕捉/比較寄存器PCA0CPn的值可改變PWM輸出脈沖的占空比。 充電開(kāi)始后。軟件定時(shí)采集采樣電池分壓電阻上的電壓值，同時(shí)。電流互感器電路實(shí)時(shí)檢測充電電流.經(jīng)過(guò)計算.設置PCAOCPn單片機PwM的輸出參數。實(shí)現最佳智能充電控制。 2.3 狀態(tài)液晶顯示模塊電路 選用LCDl286A點(diǎn)陣液晶顯示屏作為狀態(tài)顯示。液晶顯示模塊電路可直接與單片機C8051F040的I/O口的P5和P3連接，P5作為數據口(D0。D7);P3.0，P3.1、P3.2、P3.3、P3.4和P3.5連接液晶模塊的6條信號線(xiàn)LCDD/l，LCDR/W.LCDE，LCDCSl.LCDCS2和LCDRST控制液晶的讀，寫(xiě)操作。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(guò)高進(jìn)入溫控狀態(tài)、電池快充結束充電狀態(tài)等。 3 軟件設計 本軟件主要由系統初始化、預處理、根據不同電池類(lèi)型和狀態(tài)選擇脈沖快速充電模塊與算法或恒流、恒壓、浮充充電模塊與算法等部分組成。其流程如圖2所示。 圖2主程序框圖 3.1初始化 在程序的初始階段應首先對C805lFU40單片機進(jìn)行初始化操作.通過(guò)設置I/O口編碼交叉開(kāi)關(guān)來(lái)設置I/O端口的輸入輸出狀態(tài).確定芯片引腳功能，設置中斷、TIM定時(shí)器參數等等。 3.2預處理 預處理階段是進(jìn)入快速充電前的準備工作。 程序初始化后，首先利用C805lF040單片機的內部溫度傳感器檢測環(huán)境溫度。環(huán)境溫度過(guò)低或過(guò)高時(shí).均不能夠對電池進(jìn)行充電，否則將損傷電池。 然后，設置A/D轉換參數和通道，檢測電池的端電壓。將檢測數據同理論經(jīng)驗值比較，判斷電池的類(lèi)別以及是否連接正確。對端電壓低的電池，采用短時(shí)間的脈動(dòng)電流充電，這樣有利于激活電池內的化學(xué)反應物質(zhì)。部分恢復受損的電池單元。對端電壓在標稱(chēng)范圍內的電池選擇相應的充電控制模塊和算法，對端電壓不在標稱(chēng)范圍內的電池.軟件自動(dòng)將其剔除。 3.3快速充電 按預定的充電控制模塊和算法設置C805lF040單片機PWM的控制寄存器PCAOCN、方式寄存器PCAOMD以及16位捕捉，比較寄存器PCAOCPn.打開(kāi)中斷使能位.開(kāi)始快速充電。 快速充電時(shí)，C8051F04J0單片機必須不斷檢測以下幾項關(guān)鍵技術(shù)指標：電路是否出現斷路、電池是否出現不均衡現象、電池是否達到規定的安全電壓、電池是否溫度過(guò)高、電池是否滿(mǎn)足-△v或△T/△t條件。 其中電池的斷路主要通過(guò)檢測采樣電阻上的電流大小來(lái)判斷。而且為了避免誤判斷應該反復檢測。當出現斷路時(shí)應重新返回預處理階段。斷路的判斷時(shí)機應該在電池端電壓已經(jīng)達到預定值的情況下進(jìn)行，否則在電池端電壓沒(méi)有達到預定值的情況下，充電電流比較小�？赡艹霈F誤判斷。 電池的端電壓檢測使用C8051F040單片機的片上12位高精度A/D模塊.采用中斷控制方式。這樣可節省C805lF040單片機在加轉換期間的等待時(shí)間。端電壓檢測的數據，通過(guò)充電算法計算電池的電壓負增長(cháng)-△V是否滿(mǎn)足快速充電終止條件，時(shí)實(shí)修改c805lF040單片機PwM的輸出參數，控制充電電流的大小。 電池的溫度檢測在端電壓檢測之后進(jìn)行。C805lF單片機通過(guò)設置不同的地址編碼，訪(fǎng)問(wèn)相應的數字溫度傳感器LM92,讀取溫度數據.通過(guò)充電算法計算電池的溫度變化率△T/△t是否滿(mǎn)足快速充電終止條件，時(shí)實(shí)修改C805lF040單片機PWM的輸出參數，控制充電電流的大小。 為了防止電池被沖壞，在電池電壓到達最高端電壓Vmax或最高溫度Tmax時(shí)應立刻停止充電，否則會(huì )損壞電池。 4 結束語(yǔ) 實(shí)驗結果證明，以C805lF040單片機為控制核心的智能快速充電器已能正常工作。由于C805lF040具有良好的性能價(jià)格比，將其特有的模擬電路模塊、高精度A/D轉換、12C總線(xiàn)接口以及高速PwM等功能運用到充電控制中.有效使用了C8051FD40的片內外功能.增加產(chǎn)品的智能化和實(shí)用性.節省了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間和費用，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的一致性和可靠性，具有很好的推廣價(jià)值。 本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：本設計以SoC單片機C805lF040為主體，構建電動(dòng)汽車(chē)電池充電系統的硬件設計平臺和軟件設計方法。并在C805lF040內部嵌入μC/OS II實(shí)時(shí)操作系統，可大大提高系統的穩定性和實(shí)時(shí)響應能力，增強系統的可靠性、可擴展性和、移植性。 |
