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    快速充电系统【基于ST72单片机的快速充电系统】

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    基于ST72单片机的快速充电系统

    基于ST72单片机的快速充电系统 关键词:充电系统 蓄电池 单片机 传统的常规蓄电池充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电,充电时间长 达10~20个小时。为了缩短充电时间,必须对充电过程的充电电流进行控制。

    许多生产厂家误认为盲目提高充电电流就是快速充电,其实这不但不能提高充电 效率,而且会加剧电池的极化现象,升高蓄电池温度,浪费电能,严重损坏蓄电 池。根据美国科学家马斯提出的马斯三定律,脉冲充电、脉冲放电可以去除电池 极化,减小蓄电池的内部压力、温度和内阻,加快充电速度,实现蓄电池快速充 电需采用充-放-充的循环方式。这种模式的快充系统中一般应包括控制回路、 充电回路、放电回路。根据充电过程中测得的参数,通过单片机适当调整,保证 脉冲电压的(充、放)幅值及充电与放电的宽度比值恒定,可以得出充电效率的 最佳结果。

    1 系统结构 1.1 控制回路 ST72系列单片机是法国ST微电子公司最新生产的简单、灵活、低价 格的8位单片机,采用了独特的制造工艺和技术,大大提高了抗干扰能力。它专 为嵌入式控制应用设计,特别适用于抗噪声干扰高、整体性价比高的控制系统。

    它具有以下的主要性能:
    (1)工作电源电压有很宽的适应范围,从2.4V~5.5V;
    功耗较 低,内部数字看门狗。

    (2)丰富的I/O功能,内部带有3个定时器/计时器,有的还多达16 个通道的10位A/D转换器,两路脉宽调制  多种通信接口,多达12级的中 断源。

    (3)多种内部程序存储器,除有廉价的OTP(One Time Pr ogramming)一次性编程写入  还有非常方便的FLASH程序存储器, 可以在线编程,易于修改程序代码。存储器的容量从1.5KB~60KB不等, 可以满足各种编程的需要。根据系统功能的需要,选用ST72系列的ST72264G1单片机作 控制芯片。该芯片具有4KB的FLASH内部存储器,2路PWM输出,最大 时钟频率8MHz,有20个I/O引脚,6个复用10位A/D转换器,有S PI、SCI、I2C三种通信接口。控制回路采用ST72264G1加上液 晶显示和键盘接口等;
    它利用单片机自身的A/D端口,组成电压、电流、温度 检测电路。

    1.2 充放电回路 充电回路是采用一种新型的电源芯片TOP225Y构成的电源电路。该 芯片是美国Powergration公司生产的三端隔离式脉宽调制单片开 关电源集成电路。它将PWM集成电路和MOSFET功率器件集成在同一芯片 中,具备PWM型开关稳压电源所需的全部功能。通过高频变压器使输出端与电 网完全隔离,实现了无功频变压器隔离的开关电源的集成化。整个回路具有输出 功率范围大、成本低、集成化程度高、电路设计简单等优点。

    放电回路则由蓄电池和电阻构成回路,MOS管作为开关,控制放电回路 的关断。MOS管的关断由单片机给出控制信号。

    智能充电系统的原理框图如图1所示。

    单片机根据电压反馈和电流反馈,输出数字电压转换成模拟电压。模拟电 压再经过光耦隔离,然后调节电源芯片TOP225Y控制脚的电流大小,由芯 片调节控制信号的占空比,从而调整脉冲电压的幅值或涓流电流的大小。一般单 片机的数字电压转换成模拟电压都需要D/A转换器,由于ST72系列单片机 带有PWM输出,因此可以直接利用PWM输出将数字电压转换成模拟电压,能 够保证精度,省却了D/A转换器。

    2 系统软件设计 系统软件用C语言编写,经过汇编、仿真调试  烧写在单片机的内部程序 存储器内。按照软件工程的规范要求进行软件设计,实现结构层次化、功能模块 化,不仅使软件的可读性、可维护性、可扩展性得到了增强,而且提高了软件的 可靠性。程序的总体结构框图如图2所示。

    程序先检测蓄电池是否已充满和蓄电池的好坏。蓄电池是否充满可以从其 两端的电压得出。蓄电池的好坏需要通过开路、短路、测温等试验措施来确定。对蓄电池可施加一个比较小的充电电流(约为快速充电电流的1/5),使电池 电压在一定时间内达到某个特定值,确定蓄电池的好坏。开始脉冲充电后,程序 自动跟踪检测蓄电池的各种参数。当参数达到脉冲充电终止条件时,系统终止快 速充电状态而转入涓流充电状态,以补充蓄电池因自放电而损失的电量。在涓流 充电状态下,充电器将以某一充电速率给蓄电池补充电荷,这样可以使电池总处 于充足电状态。

    为保证在任何情况下,均能准确可靠地控制电池的充电状态,本系统采用 了电压控制、温度控制和定时控制的综合控制法。

    (1)电压控制使用拐点控制法。这种充电终止方法由检测电压曲线的拐 点构成,对镍氢、镍镉电池都适用。用单片机检测电压曲线需要求出电压曲线对 时间的一次求导值并检测其顶点值。ST72264单片机的A/D转换器每4 秒钟测得电池电压一次,为减少由于高频干扰(例如由脉冲充电电流所产生的干 扰)而造成的测量误差,连续多次测量电池电压得出一个平均测量值。进而对现 今和先前的平均测量结果再做一个滚动平均,去除由于电化学电池电压变化而造 成的低频干扰。通过对几次测量数据的运算,以获取电压对时间的导数。因为电 压是通过A/D转换器得到的数字量,电压对时间的一次导数的曲线不平滑,所 以必须对该曲线做平滑处理。通过检测在平滑的导数曲线上所遇到的第一个最高 顶值来辩认这个拐点(图3中的B点)。当探测出这个顶值时就终止快速充电。

    (2)温度控制使用温度变化率法。镍氢和镍镉电池充足电后,电池温度 迅速上升,而且上升速率ΔT/Δt基本相同。当电池温度每分钟上升1℃时, 应立即终止快速充电。需要注意的是:由于热敏电阻的阻值与温度关系是非线性 的,因此,为了提高检测精度应设法减小热敏电阻非线性的影响。

    (3)定时控制就是设定时间上限,超过时间就停止快速充电。

    3 系统的性能评价 利用本充电系统对镍氢电池、镍镉电池充电,对于容量为1000mAH 电池,充足电时间为25min;
    容量为1300mAH的电池,充足电时间为 33min;
    容量为1600mAH的电池,充足电时间为40min,远远快 于常规充电系统。此外,系统的结构简单、调试容易、充电安全可靠,不会损坏 蓄电池或缩短蓄电池寿命。

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