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由于軍事應用中一些不斷電設備耗能較大，因而普遍采用串連電池組的模式避免過(guò)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；考慮軍用設備的應用環(huán)境的特殊要求，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有一種可以滿(mǎn)足這些需求的綜合充放電控制設備，因而這里設計一種可以很好滿(mǎn)足這些需求的新型蓄電池充放電綜合控制設備。 1 系統設計概述 該蓄電池充放電綜合控制設備以MC68HC908SR12單片機為控制核心，采用FPGA輔助控制設計。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、溫度檢測電路、人機接口電路等。蓄電池充放電綜合控制設備主要針對軍事應用中一些不斷電設備耗能較大，普遍采用蓄電池串聯(lián)供電的情況設計的。在設計過(guò)程中著(zhù)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(cháng)其使用壽命。圖1是其系統框圖。 2 硬件設計 下面對充放電綜合控制設備的硬件設計過(guò)程進(jìn)行概述說(shuō)明。 2.1 電源電路 使用開(kāi)關(guān)現代電子技術(shù)作為充電器的供電設備。開(kāi)關(guān)電源采用脈沖調制方式PWM(Pulse Width Modulation)和MOSFET，BTS，IGBT等電子器件進(jìn)行設計。開(kāi)關(guān)電源集成化程度較高，具有調壓、限流、過(guò)熱保護等功能。與線(xiàn)性電源相比其輸入電壓范圍寬(通�？蛇_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(lái)設計完成。圖2是電路原理圖。恒流恒壓電路由Motorola公司的MC68HC908SR12單片機片內模擬電路模塊和片外的MOSFET開(kāi)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單片機的特有部件，它由輸入多路開(kāi)關(guān)、兩組可程控放大器、片內溫度傳感器、電流檢測電路等組成�？沙炭胤糯笃骺偡糯蟊稊禐�1～256。放大器的輸入可選擇為2路模擬輸入腳(ATD0，ATD1)、片內溫度傳感器、模擬地輸入(VSSAM)。ATD0和VSSAM間可接一個(gè)電流檢測電阻，用于測量外部電流，它還連接至電流檢測電路，可在電流超過(guò)指定值時(shí)產(chǎn)生中斷并輸出信號。 在充電開(kāi)始前的預處理階段，根據檢測到的不同電池特性，軟件選擇相應的充電算法，充電算法由單片機和FPGA輔助控制單元實(shí)現。在充電開(kāi)始后，軟件定時(shí)采集感應電阻R上的電壓值，經(jīng)過(guò)計算，設置SR12單片機的輸出控制參數。同時(shí)，電流檢測電路實(shí)時(shí)檢測充電電流，在電流超過(guò)指定值時(shí)產(chǎn)生中斷并由SR12單片機控制及時(shí)關(guān)斷充電電流，實(shí)現恒流恒壓的充電控制。 均衡充電是本充放電綜合控制設備的一個(gè)重要特點(diǎn)。在充電的過(guò)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 )出現電壓增長(cháng)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)電池很快達到規定的安全電壓，充電過(guò)程也將被迫停止。此時(shí)應該停充電壓高的電池，即均衡充電。這樣有利于恢復電池內受損的單元，使充電過(guò)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)現電池組的平衡放電。平衡放電是本充放電綜合控制設備的一個(gè)重要特點(diǎn)。在放電的過(guò)程中，由于電池的個(gè)體差異，如果不采取措施，電池組內電池個(gè)體的差異將越來(lái)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計，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(chēng)電路的返弛性)可以實(shí)現蓄電池組放電電池個(gè)體的平衡放電。這樣有利于恢復蓄電池內的受損單元，提高蓄電池的工作效率和使用壽命。二是過(guò)度放電保護電路，該電路可以實(shí)現對電池組的過(guò)度放電保護。圖4是電池組過(guò)度放電保護電路原理圖，當端電壓檢測電路檢測到的電壓低于設定的安全放電電壓時(shí)，該保護電路可以把放電電路切斷，實(shí)現對蓄電池的保護。 2.4 溫度檢測電路 在充電過(guò)程中，電池的溫度會(huì )隨著(zhù)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(mǎn)的主要條件之一。因此，采用美國國家半導體公司出品的單片高精度數字溫度傳感器LM92設計溫度檢測電路。其電路原理圖如圖5所示。 2.5 人機接口單元 (1)鍵盤(pán)響應電路 設計鍵盤(pán)響應電路時(shí)，使用MC68HC908SR12單片機PORT D(PTD6和PTD7)端口的鍵盤(pán)中斷功能(KBI)。根據實(shí)際情況，在MC68HC908SR12單片機的鍵盤(pán)中斷使能寄存器KBIER中寫(xiě)人相應的值，寫(xiě)人“1”表示中斷允許，寫(xiě)入“0”表示不能中斷。鍵盤(pán)中斷允許的端口，MC68HC908SR12單片機將對其內部上拉30 kΩ的電阻，這樣鍵盤(pán)響應電路的設計十分簡(jiǎn)潔，要注意的是應用軟件中要增加鍵盤(pán)消抖動(dòng)子程序，防止誤操作。 (2)狀態(tài)顯示電路 狀態(tài)顯示電路的設計使用MC68HC908SR12單片機PORT A(PTA0～PTA5)端口的LED直接驅動(dòng)功能。編程時(shí)首先設置PORT A的工作狀態(tài)，在LED控制寄存器LEDA中寫(xiě)入相應的值，寫(xiě)入“1”表示可直接驅動(dòng)LED，寫(xiě)入“0”表示作為標準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(guò)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)現充放電綜合控制設備的狀態(tài)控制轉換功能。根據傳感器獲取的不同狀況，寫(xiě)入不同指令，轉換不同的工作模式。 3 軟件設計 殼放電綜合控制設備的軟件設計思想是：各個(gè)功能組件實(shí)現模塊化編程，軟件流程采用中斷工作方式。其目的是使應用軟件流程清晰、可讀性強、易于功能調試以及產(chǎn)品的維護和升級。本軟件主要由初始化、預處理、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首先對MC68HC908SR12單片機進(jìn)行初始化操作，包括設置I／O端口的輸入／輸出狀態(tài)，設置PLL鎖相環(huán)電路參數，設置TIM定時(shí)器參數等。 3.2 預處理 預處理階段是充放電綜合控制設備正常工作前的準備階段。程序初始化后，先根據利用MC68HC908SR12單片機的內部溫度傳感器檢測環(huán)境溫度。當環(huán)境溫度過(guò)低或過(guò)高時(shí)，均不能對電池進(jìn)行充放電，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。將檢測數據與理論經(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。 3.3 充放電 根據控制單元給出的指令，進(jìn)行充放電。綜合充放電設備在硬件電路設計時(shí)考慮了平衡充電、平衡放電以及過(guò)放電保護等情況，因此，軟件設計時(shí)也給予相應的考慮。 3.4 控制算法 控制算法主要是控制MC68HC908SR12單片機和FPGA輔助控制單元，寫(xiě)入相應指令，控制充放電綜合設備各模塊協(xié)調工作。 4 結 語(yǔ) 該蓄電池充放電綜合控制設備設計時(shí)充分考慮了串聯(lián)電池組充放電時(shí)的平衡效應，可以很好地應用于串聯(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(cháng)其使用壽命；同時(shí)考慮到該充放電綜合控制設備主要配合軍用不斷電設備使用，在其設計時(shí)也充分考慮了軍事應用環(huán)境的復雜性和特殊性，因而，該蓄電池充放電綜合控制設備在軍民兩用方面具有廣泛的應用前景。 |
