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(常州工學(xué)院電子信息及電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213000)

0 引 言

目前,能源和環(huán)境問題已經(jīng)越來越多的成為影響經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的重要要素,而引發(fā)能源和環(huán)境問題的主要原因是傳統(tǒng)燃油汽車尾氣排放造成的污染及其對(duì)石油資源的過度消耗。在面對(duì)這些問題時(shí),電動(dòng)汽車以其良好的環(huán)保、節(jié)能特性,已經(jīng)逐步成為當(dāng)今國際汽車發(fā)展的潮流和熱點(diǎn)。然而,電動(dòng)汽車發(fā)展至今,阻礙其發(fā)展的問題也相繼突現(xiàn),其中最為重要的問題之一就是電池技術(shù)[1]。

蓄電池被譽(yù)為電動(dòng)車的心臟，其使用成本、續(xù)航能力等問題成為電動(dòng)汽車推廣普及的瓶頸。而快速充電方式正是這些問題的癥結(jié)所在。不當(dāng)?shù)某潆姺绞讲粌H會(huì)縮短蓄電池的使用壽命，增加用戶成本，也會(huì)影響汽車的續(xù)航能力，造成電池容量下降、早衰，還會(huì)影響蓄電池的使用性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成起火甚至爆炸,所以如何快速無損傷充電成為必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。

目前, 常用的快速充電方法[2]有：

(1)恒壓充電,它是指將充電電壓盡量選取與蓄電池充電過程中出氣點(diǎn)相適應(yīng)的電壓值并始終保持在這個(gè)電壓進(jìn)行充電的方法。這種方法耗能少,產(chǎn)氣量少,但是充電時(shí)間較長。

(2)階段充電方法,其主要包括：二階段充電方法、三階段充電方法。這種充電方法的充電時(shí)間可以在恒壓充電的基礎(chǔ)上適當(dāng)縮短,但是它在充電過程中沒有充分考慮電能與化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)換效率問題。

(3)變電流間歇充電方法,其主要是建立于恒流充電與脈沖充電的技術(shù)基礎(chǔ)上。此方法充電時(shí)間進(jìn)一步縮短,但是實(shí)現(xiàn)過程較為困難，電路較為復(fù)雜，有些關(guān)鍵技術(shù)尚未成熟，例如：變電流節(jié)點(diǎn)的界定等。

(4)正負(fù)脈沖充電法分為兩種，一種是只有正脈沖沒有負(fù)脈沖，另一種是有負(fù)脈沖的。這里干脆就不提。根據(jù)馬斯第三定律分析，大電流放電可以提高充電接受率，適時(shí)適量的負(fù)脈沖，可以消除充電中產(chǎn)生的極化，從而可以提高充電效率，縮短充電時(shí)間[3]，所以我們?cè)陔A段充電方法的基礎(chǔ)上將恒壓充電階段改為正負(fù)脈沖充電。同時(shí)在PWM正負(fù)脈沖充電方式[4]的基礎(chǔ)上增添了停充的過程，防止電路因?yàn)殚_關(guān)管的時(shí)差而發(fā)生短路。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案主要由電源電路、正負(fù)脈沖控制電路、單片機(jī)系統(tǒng)電路和A/D轉(zhuǎn)換電路組成。如圖1所示，圖中5V電源電路為單片機(jī)系統(tǒng)電路供電，單片機(jī)系統(tǒng)電路通過內(nèi)部軟件程序輸出所需波形，實(shí)現(xiàn)正負(fù)脈沖，A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)電池兩端電壓進(jìn)行取樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換，對(duì)充電狀態(tài)進(jìn)行判斷。

圖1 智能充電器電路框圖

1.1 電源電路

由工頻變壓器、整流元件、濾波元件和三端穩(wěn)壓集成電路組成，為單片機(jī)供電部分和A/D轉(zhuǎn)換器提供工作電壓，如圖2所示。

圖2 電源電路原理圖

1.2 正負(fù)脈沖控制電路

設(shè)計(jì)中的正負(fù)脈沖充電方法采用充電—停充—放電—停充—充電[5]的循環(huán)過程，以此來控制充電過程中帶來的溫升對(duì)蓄電池的影響[6]，軟件程序中設(shè)定每個(gè)周期中充電時(shí)間、停充時(shí)間和放電時(shí)間，正負(fù)脈沖通過一組MOS管的開通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)的主電路如圖3所示[7]， Q3為P型MOS管，控制正脈沖的產(chǎn)生，以此來控制充電電壓的通斷：Q5為N型MOS管，控制負(fù)脈沖的產(chǎn)生，以此來控制蓄電池的放電。電阻R18是采樣電阻，將電阻上的電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器輸出到單片機(jī)中，用來判斷蓄電池的工作狀態(tài)。

圖3 正負(fù)脈沖控制電路原理圖

1.3 單片機(jī)系統(tǒng)電路

單片機(jī)系統(tǒng)以STC89C52為核心，這種單片機(jī)具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能，可為嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案[8]。

其工作原理如圖4所示，電阻R9、電容C11、開關(guān)S組成單片機(jī)的復(fù)位電路，電容C12、C13、晶振Y1組成單片機(jī)的晶振電路，復(fù)位電路、晶振電路和單片機(jī)U6構(gòu)成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)。單片機(jī)21腳即P20腳通過二極管D3輸出信號(hào)，當(dāng)輸出的信號(hào)為高電平信號(hào)時(shí)充電狀態(tài)進(jìn)入浮充狀態(tài)。采樣電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后輸入到P1端口，來判斷采樣電壓的極性，如果極性不對(duì)，則不對(duì)蓄電池充電并利用指示燈閃爍來提示。如果極性正確，則對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，在充電過程中對(duì)采樣電壓進(jìn)行再次判斷，將采樣電壓與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)采樣電壓大于所設(shè)定的值，則認(rèn)為蓄電池過電壓，單片機(jī)就控制蓄電池進(jìn)入涓流充電。

1.4 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，ADC0809芯片[9]12和16分別接VCC和接地，23、24、25引腳均接地表示選通通道0，將采樣電壓接到26引腳上就能對(duì)采樣電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖4 單片機(jī)系統(tǒng)電路原理圖

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件功能

系統(tǒng)軟件需要用來檢測(cè)采樣電壓的極性、大小，等到電壓的極性正確時(shí)才能夠進(jìn)行充電，當(dāng)電壓大小大于設(shè)定值時(shí)控制蓄電池進(jìn)入涓流狀態(tài)。通過程序設(shè)定充電時(shí)間、停充時(shí)間和放電時(shí)間，充電完成后，軟件控制電路斷電。

2.2 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)軟件流程圖，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

通過對(duì)蓄電池進(jìn)行充電的實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠很好的完成設(shè)定的各種要求，充電時(shí)間大大減少，電能的利用率大大提高。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)89C52的充電器，著重闡述了充電器控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，分析了正負(fù)脈沖充電電路的工作過程和原理。本設(shè)計(jì)能夠在不損傷蓄電池的基礎(chǔ)上大大減少充電時(shí)間和提高電能的利用率，同時(shí)，防止極性反接的功能也能夠起到對(duì)蓄電池的保護(hù)。

特別致謝“大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”(項(xiàng)目國家級(jí)編號(hào)：201311055004)和常州工學(xué)院“大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目”(項(xiàng)目編號(hào)：J120713)對(duì)項(xiàng)目的支持！

[1] 劉 兵，劉曉朋，曾翔亮.基于條碼識(shí)別技術(shù)的智能購物車設(shè)計(jì)[J].森林工程，2012，28(6)：32-35.

[2] 趙光明. 蓄電池快速充電方法研究[J].通信電源技術(shù)，2012，29(4)：128-130.

[3] 余 峰，張志華，何 俊. 鉛酸蓄電池脈沖充電技術(shù)研究[J].化學(xué)電源，2010(4)：51-54.

[4] 馬麗麗，閆志偉，賀超興. —種新型快速脈沖充電電路的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代儀器與醫(yī)療，2013(6)：11-13.

[5] 雷衛(wèi)軍，張良兵. 單片機(jī)控制的蓄電池快速充電系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀表，2004(3)：91-93.

[6] 馮仁斌，魏曉斌，胡恒生. 鉛酸蓄電池的快速充電[J].電源技術(shù)，2003(1)：72-74.

[7] 王 斌，趙 卉，孔令強(qiáng). 正負(fù)脈沖型電動(dòng)車智能充電器的設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù)，2003(1)：18-19，23.

[8] STC公司. STC89C52數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].2013.

[9] 美國國家半導(dǎo)體公司. ADC0809數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].