中心議題：
- 電動(dòng)汽車(chē)電池智能快速充電器的設(shè)計(jì)
解決方案：
- 電動(dòng)汽車(chē)充電器控制電路設(shè)計(jì)
- 電動(dòng)汽車(chē)充電器狀態(tài)液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì)
- 電動(dòng)汽車(chē)充電器的軟件設(shè)計(jì)
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?yàn)榫哂心芰勘却蟆⒅亓枯p、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(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)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(duì)電池壽命有很大的影響。基于此。本文提出一種使用C805lF040單片機(jī)智能充電控制方案的智能充電器的設(shè)計(jì)，能有效的提高充電效率，延長(zhǎng)電池的使用壽命。
2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)框圖
該電動(dòng)汽車(chē)智能充電器以c8051040F單片機(jī)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(jī)控制電路、脈沖調(diào)寬電路以及狀態(tài)顯示電路等。圖1是其系統(tǒng)框圖。
圖1電動(dòng)汽車(chē)智能充電器系統(tǒng)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(jī)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(gòu)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(wěn)定的直流輸出。由于采用智能充電，根據(jù)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(jī)作為充電過(guò)程控制設(shè)備，充電時(shí)單片機(jī)檢測(cè)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(cè)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(jī)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(duì)應(yīng)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(dǎo)通時(shí)間．達(dá)到在不同電池不同階段得到不同穩(wěn)定的輸出值的目的。
2．2單片機(jī)充電控制電路介紹
充電控制電路采用C8051F040單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，該芯片是完全集成混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(soc)．具有與805l指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。這些外設(shè)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、UART、SPI、定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器、定時(shí)器陣列等。C805lF040單片機(jī)采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，處理能力大大提高，峰值性能可達(dá)到25MIPS。內(nèi)置64K字節(jié)的Flash程序存儲(chǔ)器和256B的內(nèi)部RAM及4KB位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的XRAM。C805lF040具有片內(nèi)JTAG調(diào)試電路．通過(guò)4腳JTAG接口并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的器件就可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。由于其具有多達(dá)8路12位ADc和 8路8位ADC．能對(duì)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(nèi)可編程看門(mén)狗定時(shí)器．可大大簡(jiǎn)化單片機(jī)控制電路的外圍設(shè)計(jì)和保證了程序的安全運(yùn)行。ADC負(fù)責(zé)對(duì)充電時(shí)電壓，電流J2C負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集，PWM輸出充電時(shí)電壓電流的基準(zhǔn)值到到比較電路，同時(shí)單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源控制模塊UCC3895。
電壓檢測(cè)電路：電壓采樣電路由精密電阻和可調(diào)電阻構(gòu)成，由于該單片機(jī)AD測(cè)量最大設(shè)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(nèi)．然后利用C805lF040內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行轉(zhuǎn)換。單片機(jī)在內(nèi)部計(jì)算出電池電壓，該電路采用單片機(jī)內(nèi)部自帶l2位 AD轉(zhuǎn)換．減少了設(shè)計(jì)電路的復(fù)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(cè)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(jī)轉(zhuǎn)換通道，進(jìn)行A巾轉(zhuǎn)換．再通過(guò)計(jì)算把電壓值轉(zhuǎn)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(cè)電路：溫度采樣采用溫度傳感器LM92。LM92是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司公司出品的單片高精度數(shù)字溫度傳感器。常溫下，測(cè)溫精度可達(dá)到正負(fù) 0．33度。并可與用戶設(shè)置的溫度點(diǎn)進(jìn)行比較。通過(guò)12C總線接口可對(duì)該傳感器的內(nèi)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(cè)量及控溫過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用。
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在充電開(kāi)始前的預(yù)處理階段。根據(jù)不同的電池，軟件選擇相應(yīng)的充電算法．將通道選擇控制字寫(xiě)入C805lF040單片機(jī)的方式寄存器PCAOCPMn中．并初始化計(jì)數(shù)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(hào)的頻率取決于PCA0計(jì)數(shù)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(cè)充電電流．經(jīng)過(guò)計(jì)算．設(shè)置PCAOCPn單片機(jī)PwM的輸出參數(shù)。實(shí)現(xiàn)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(jī)C8051F040的I/O口的P5和P3連接，P5作為數(shù)據(jù)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(hào)線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(jié)束充電狀態(tài)等。
3 軟件設(shè)計(jì)
本軟件主要由系統(tǒng)初始化、預(yù)處理、根據(jù)不同電池類型和狀態(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(yīng)首先對(duì)C805lFU40單片機(jī)進(jìn)行初始化操作．通過(guò)設(shè)置I／O口編碼交叉開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)置I/O端口的輸入輸出狀態(tài)．確定芯片引腳功能，設(shè)置中斷、TIM定時(shí)器參數(shù)等等。
3．2預(yù)處理
預(yù)處理階段是進(jìn)入快速充電前的準(zhǔn)備工作。
程序初始化后，首先利用C805lF040單片機(jī)的內(nèi)部溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度。環(huán)境溫度過(guò)低或過(guò)高時(shí)．均不能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電，否則將損傷電池。
然后，設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換參數(shù)和通道，檢測(cè)電池的端電壓。將檢測(cè)數(shù)據(jù)同理論經(jīng)驗(yàn)值比較，判斷電池的類別以及是否連接正確。對(duì)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(nèi)的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)。部分恢復(fù)受損的電池單元。對(duì)端電壓在標(biāo)稱范圍內(nèi)的電池選擇相應(yīng)的充電控制模塊和算法，對(duì)端電壓不在標(biāo)稱范圍內(nèi)的電池．軟件自動(dòng)將其剔除。
3．3快速充電
按預(yù)定的充電控制模塊和算法設(shè)置C805lF040單片機(jī)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(jī)必須不斷檢測(cè)以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：電路是否出現(xiàn)斷路、電池是否出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象、電池是否達(dá)到規(guī)定的安全電壓、電池是否溫度過(guò)高、電池是否滿足-△v或△T／△t條件。
其中電池的斷路主要通過(guò)檢測(cè)采樣電阻上的電流大小來(lái)判斷。而且為了避免誤判斷應(yīng)該反復(fù)檢測(cè)。當(dāng)出現(xiàn)斷路時(shí)應(yīng)重新返回預(yù)處理階段。斷路的判斷時(shí)機(jī)應(yīng)該在電池端電壓已經(jīng)達(dá)到預(yù)定值的情況下進(jìn)行，否則在電池端電壓沒(méi)有達(dá)到預(yù)定值的情況下，充電電流比較小。可能出現(xiàn)誤判斷。
電池的端電壓檢測(cè)使用C8051F040單片機(jī)的片上12位高精度A／D模塊．采用中斷控制方式。這樣可節(jié)省C805lF040單片機(jī)在加轉(zhuǎn)換期間的等待時(shí)間。端電壓檢測(cè)的數(shù)據(jù)，通過(guò)充電算法計(jì)算電池的電壓負(fù)增長(zhǎng)-△V是否滿足快速充電終止條件，時(shí)實(shí)修改c805lF040單片機(jī)PwM的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。
電池的溫度檢測(cè)在端電壓檢測(cè)之后進(jìn)行。C805lF單片機(jī)通過(guò)設(shè)置不同的地址編碼，訪問(wèn)相應(yīng)的數(shù)字溫度傳感器 LM92,讀取溫度數(shù)據(jù)．通過(guò)充電算法計(jì)算電池的溫度變化率△T／△t是否滿足快速充電終止條件，時(shí)實(shí)修改C805lF040單片機(jī)PWM的輸出參數(shù)，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(dá)最高端電壓Vmax或最高溫度Tmax時(shí)應(yīng)立刻停止充電，否則會(huì)損壞電池。
4 結(jié)束語(yǔ)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，以C805lF040單片機(jī)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(zhuǎn)換、12C總線接口以及高速PwM等功能運(yùn)用到充電控制中．有效使用了C8051FD40的片內(nèi)外功能．增加產(chǎn)品的智能化和實(shí)用性．節(jié)省了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間和費(fèi)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。
