電動(dòng)自行車通用智能充電器的設(shè)計(jì)

概述

隨著油價(jià)的不斷上漲和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，電動(dòng)自行車以其價(jià)格低、綠色環(huán)保，使用安全方便等優(yōu)點(diǎn)越來越受到消費(fèi)者的喜愛。評(píng)價(jià)電動(dòng)自行車質(zhì)量好壞的重要參數(shù)之一是其蓄電池的使用壽命。而蓄電池的充電過程對(duì)其壽命影響最大。研究表明：過充電，可使蓄電池發(fā)熱，電解液失水；而充電不足，則可使蓄電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)不充分，長(zhǎng)期充電不足會(huì)導(dǎo)致蓄電池容量下降。由此可見，充電器性能的好壞直接影響著蓄電池的使用效果和使用壽命。目前市場(chǎng)上的充電器存在的主要不足，第一不是從副邊繞組直接獲得取樣信號(hào)，因而穩(wěn)壓效果不理想；第二是輸出電流和電壓調(diào)節(jié)范圍窄，因而只適用于固定負(fù)載。為此，本文介紹了一種以單片機(jī)為控制器的通用智能充電器的設(shè)計(jì)方案。該裝置能根據(jù)蓄電池的充電特性或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到的充電狀態(tài)，來智能化地調(diào)節(jié)充電電壓和充電電流，而且調(diào)節(jié)范圍寬，并具有過流、過壓、過溫等保護(hù)功能。

1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本智能充電器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由電源變換電路、采樣電路、微處理器，脈寬調(diào)制器、鍵盤、顯示器和溫度傳感器等部分組成，是一個(gè)閉環(huán)的智能充電系統(tǒng)。



2硬件電路

本智能充電器的硬件電路如圖2所示，整個(gè)電路分為開關(guān)電源部分、以單片機(jī)為主的控制電路和以UC3842為核心的脈寬調(diào)制電路三部分。



2．1開關(guān)電源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用電流控制型脈寬調(diào)制方式。其整個(gè)工作過程是將交流輸入經(jīng)濾波、整流后變?yōu)橹绷鞲邏?，再由開關(guān)管斬波、高頻變壓器降壓后得到高頻矩形電壓，最后經(jīng)過輸出整流濾波獲得所需要的直流輸出電壓。系統(tǒng)對(duì)開關(guān)電源的要求是其交流輸入電壓范圍為90～270 V，能同時(shí)輸出+5V(作為控制部分電源)及12～60 V(主回路)的電壓。輸出電流為1～3 A。

2．2單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制電路主要由單片機(jī)AT89S52、ADC(TLC0832)、多路選擇開關(guān)(CD4051)、數(shù)字電位器(X9C102)、數(shù)字溫度傳感器DSl8820、取樣電阻R_s和R_w、2×4鍵盤、液晶顯示(CONl6)等組成。

本部分設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先根據(jù)蓄電池的型號(hào)參數(shù)，來通過鍵盤設(shè)計(jì)與之對(duì)應(yīng)的充電電流、充電電壓以及充電時(shí)間，當(dāng)電路接上蓄電池后，充電過程開始，此后由單片機(jī)通過取樣電阻RM檢測(cè)電池電壓，若檢測(cè)到蓄電池因過渡放電而使電壓低于正常范圍。那么，為了避免充電電流過大而造成蓄電池?fù)p壞，應(yīng)先對(duì)蓄電池實(shí)行穩(wěn)定的小電流充電(本設(shè)計(jì)程序中設(shè)為l／5的設(shè)定充電電流)，同時(shí)，單片機(jī)開始計(jì)時(shí)，之后單片機(jī)將不斷檢測(cè)電池電壓和充電電流并顯示在液晶屏上，隨著充電的進(jìn)行，電池電壓不斷上升，當(dāng)上升到正常范圍時(shí)，單片機(jī)可通過控制數(shù)字電位器來調(diào)節(jié)輸出電壓，從而轉(zhuǎn)入大電流恒流充電(即設(shè)定電流)方式，此后，單片機(jī)一直保持不停地檢測(cè)電池電壓，當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令，以增大數(shù)字電位器的阻值，并通過脈寬調(diào)制減小輸出電壓。從而使充電電流減小，當(dāng)充電電流減小到1／5的設(shè)定電流時(shí)，再轉(zhuǎn)為涓流充電，最后在充電時(shí)間到時(shí)關(guān)閉電源，這樣就避免了因電池溫升過快或嚴(yán)重極化而影響充電質(zhì)量，提高蓄電池的使用壽命。當(dāng)檢測(cè)到電池電壓、充電電流和溫度超過設(shè)定值的1／10倍時(shí)(由程序設(shè)定)，單片機(jī)立即輸出報(bào)警信號(hào)報(bào)警。同時(shí)使繼電器動(dòng)作并切斷總電源，以提高充電的安全性和可靠性。

顯示器可用于顯示單片機(jī)實(shí)時(shí)采樣到的蓄電池電壓、充電電流、已充電時(shí)間和蓄電池的溫度，鍵盤則用于設(shè)定充電電壓(充電極限電壓)、恒流充電電流(極限充電電流)和充電時(shí)間。電路中的單片機(jī)可通過串口RS232和上位機(jī)相連，以用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和虛擬顯示充電參數(shù)的設(shè)定。當(dāng)檢測(cè)到充電電流為零時(shí)，單片機(jī)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。而當(dāng)檢測(cè)到充電電流不為零時(shí)，單片機(jī)被激活。

2．3 PWM控制器設(shè)計(jì)

PW M控制器部分是以UC3842為核心。UC3842芯片內(nèi)含有5.0 V基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器、高增益誤差放大器和脈沖寬度比較器，它可以控制芯片內(nèi)的驅(qū)動(dòng)器。而驅(qū)動(dòng)器則可提供25 mA的輸出電流．可直接驅(qū)動(dòng)NOSFET調(diào)整管，從而調(diào)整充電器的輸出電壓和電流。由于該驅(qū)動(dòng)器同時(shí)具有過流、過壓保護(hù)，工作電源電壓可以在8～40 V，而啟動(dòng)電流小于1 mA，工作溫度為O～70℃，因而是目前較理想的新型脈寬調(diào)制器。

該P(yáng)WM控制器在啟動(dòng)時(shí)，是由R₁、R_w。為UC3842提供啟動(dòng)電壓，待其工作后，其輔助繞組3、4端的電壓經(jīng)D₁整流、C₄、C₅濾波、DW₁穩(wěn)壓后得到的16 V直流電壓，一路加到UC38427的7腳為其供電，另一路經(jīng)R3和數(shù)字電位器X9C102分壓后加到UC3842的2腳。以作為脈寬調(diào)制的輸入信號(hào)。一般在這類電源的設(shè)計(jì)中，輸出電壓取樣可與UC3842的供電電壓相連。為了反映輸出電壓變化，本設(shè)計(jì)沒有加穩(wěn)壓管，但這會(huì)使UC3842的工作電壓不穩(wěn)，輸出諧波成分增多，為了克服此不足，本設(shè)計(jì)中UC3842的供電電壓采用由3、4繞組端壓?jiǎn)为?dú)整流、濾波、穩(wěn)壓后，提供給UC3842芯片16 V的穩(wěn)定電壓。充電電壓的調(diào)節(jié)是將電池電壓經(jīng)外環(huán)電壓取樣電路R₁₂、R_M取樣，再經(jīng)多路電子開關(guān)選擇、MD變換，單片機(jī)處理后，送入數(shù)字電位器，以控制數(shù)字電位器的有效電阻。從而間接控制UC3842的2腳電壓，進(jìn)而控制脈沖占空比，以改變充電電壓。

當(dāng)充電器輸出電壓偏高時(shí)，反饋回UC3842的2腳電壓也升高(超過參考電壓2.5 V)之后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖占空比減小，使輸出電壓下降，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。充電電流的調(diào)節(jié)主要是先將充電電流經(jīng)外環(huán)電流取樣電阻R_s取樣和LM358放大(可用R1調(diào)節(jié)放大倍數(shù))、多路電子開關(guān)選擇、MD變換，再送單片機(jī)處理，然后調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的阻值。其調(diào)節(jié)過程與電壓調(diào)節(jié)相似，實(shí)際上，電流調(diào)節(jié)也是通過電壓調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的。

2．4．保護(hù)電路設(shè)計(jì)

當(dāng)過流或短路時(shí)，內(nèi)環(huán)取樣電阻R₁₀兩端的電壓升高。當(dāng)3腳電壓超過1伏時(shí)，通過UC3842的內(nèi)部調(diào)制可使其停止脈寬輸出，開關(guān)管截止，輸出電壓和電流均為0，從而保護(hù)電源。過壓時(shí)，DW₁和DW₂會(huì)擊穿而短路，也會(huì)造成過流保護(hù)，DW₂可用以保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管和UC3842。而當(dāng)發(fā)生欠壓時(shí)，即當(dāng)UC3842的7腳電壓降至10 V以下時(shí)，UC3842將啟動(dòng)欠壓鎖定電路而關(guān)閉開關(guān)控制器。內(nèi)環(huán)的這種反饋調(diào)整是在輸出電壓尚未發(fā)生變化時(shí)，通過檢測(cè)內(nèi)環(huán)電流使脈寬提前得到調(diào)整，(前饋控制)，從而加快了變換器對(duì)異常情況的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。以便更加快速有效地起到保護(hù)作用。當(dāng)然，外環(huán)電流、電壓的取樣(R_s、R_w)亦可通過單片機(jī)的調(diào)節(jié)作用來達(dá)到對(duì)異常情況的保護(hù)，但響應(yīng)速度比內(nèi)環(huán)慢5～10個(gè)工頻周期，因此，外環(huán)取樣主要是調(diào)節(jié)充電電流和充電電壓，兼作二次保護(hù)，而內(nèi)環(huán)取樣則是主要的，它是一次的保護(hù)，這種雙環(huán)保護(hù)方式會(huì)更加安全可靠。

3軟件設(shè)計(jì)

在程序的初始階段，首先是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，即根據(jù)不同的電池設(shè)定不同的充電參數(shù)，選擇不同的充電策略。其后是判斷電池是否連接正確，根據(jù)電池電壓值判斷應(yīng)該進(jìn)入哪一個(gè)充電階段(即小電流預(yù)充電，大電流恒流充電或恒壓涓流充電方式)。在預(yù)充階段，應(yīng)降低充電電壓，而在恒流方式時(shí)，應(yīng)不斷檢測(cè)充電電流是否達(dá)到恒定電流(如1.8 A)，如果小于1.8 A，則抬高電池兩端的電壓，使之達(dá)到1.8 A，以上調(diào)節(jié)過程均可采用比例控制。在電池兩端電壓達(dá)到設(shè)定值后，系統(tǒng)再進(jìn)入涓流充電模式。該充電器的程序流程如圖3所示。圖3中，I_s為設(shè)定的充電電流(即恒流充電電流)，U_min為蓄電池的放電極限電壓，U_max為蓄電池的充電極限電壓。



4應(yīng)用試驗(yàn)

本設(shè)計(jì)選用了電動(dòng)自行車常用的36 V／12 Ah鉛酸蓄電池作為測(cè)試對(duì)象，其恒壓充電電壓設(shè)定為43 V，恒流充電電流Is為1.8 A，起始時(shí)，隨著充電的進(jìn)行，充電電流幾乎維持1.8 A不變，但電池電壓不斷升高，當(dāng)充電3小時(shí)后。電壓上升減慢；當(dāng)充電到4小時(shí)后，充電電壓接近43 V；之后電壓上升更加緩慢。而且充電下降較快。當(dāng)充到43 V時(shí)，充電器自動(dòng)停止。從測(cè)試數(shù)據(jù)來看，該設(shè)計(jì)達(dá)到了恒流快充，恒壓涓充，充滿自行關(guān)斷的設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的過度放電預(yù)充、恒流快充、恒壓涓充、智能控制的充電方案，能很好地解決電動(dòng)自行車用電池在充電過程中存在的過充電、充電不足和發(fā)熱等問題，并能根據(jù)不同電池選擇不同的充電方案。而且具有通用性。能實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示充電電流、充電電壓、充電時(shí)間和蓄電池溫度等參數(shù)。由于電路具有內(nèi)外環(huán)控制，符合最優(yōu)控制規(guī)律。最具有過流、過壓和超溫保護(hù)功能，同時(shí)由于UC3842采用穩(wěn)壓供電，因此，不但諧波污染程度低，原副邊電氣隔離安全可靠，同時(shí)還可根據(jù)負(fù)載情況通過單片機(jī)來進(jìn)行控制，并可實(shí)現(xiàn)跳周期模式工作。故可提高電源的效率。