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摘要:針對當(dāng)前蓄電池充電器充電速度慢、效率低等問題，設(shè)計了基于STC12C5A60S2單片機(jī)控制的蓄電池快速充電器。詳細(xì)分析了快速充電器硬件電路各個模塊的工作原理，并對Buck主電路、驅(qū)動電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、電流電壓采集電路、輔助電源等主要電路進(jìn)行設(shè)計。同時還設(shè)計了基于PI控制的電壓、電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，并制作出了實(shí)物。通過對充電器恒流、恒壓充電模式進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明所制作的蓄電池充電器對蓄電池進(jìn)行恒流、恒壓充電方案的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞:蓄電池;單片機(jī);充電器;恒流充電;恒壓充電

0引言

蓄電池是一種化學(xué)電源，是通過能量轉(zhuǎn)換而獲得電能的設(shè)備，具有容量大、性價比高、原材料豐富等優(yōu)點(diǎn)［1］。當(dāng)蓄電池充電時，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，供電時，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。近幾年，在國家政策的支持下，蓄電池作為一種新能源廣泛應(yīng)用在電力電子系統(tǒng)中，特別是在工業(yè)上的全自動小車、電動汽車等方面發(fā)展最快。蓄電池技術(shù)的進(jìn)步帶動了信息、通信、電動汽車等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［2］。隨著蓄電池使用量的不斷增加，傳統(tǒng)的充電模式造成蓄電池的循環(huán)使用壽命變短和儲存容量下降，使蓄電池過早的廢棄，產(chǎn)生了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。因此，高效、快速并且安全可靠的蓄電池充電方法就顯得很重要。本文以應(yīng)用于微電網(wǎng)中儲能蓄電池為研究對象，設(shè)計以STC12C5A60S2單片機(jī)為主控電路的蓄電池快速充電器，給出了詳細(xì)的硬件和軟件設(shè)計過程，并提供了控制器的測試結(jié)果，測試結(jié)果表明所制作的蓄電池充電器對蓄電池進(jìn)行恒流、恒壓充電方案的可行性與有效性。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計方案包括硬件設(shè)計和程序設(shè)計。硬件設(shè)計主要對Buck的拓?fù)潆娐贰Ⅱ?qū)動電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、電壓電流采集電路、輔助電源電路、顯示與按鍵電路的設(shè)計，并對各電路的工作原理進(jìn)行分析;程序設(shè)計主要是對系統(tǒng)控制方法和恒壓恒流程序的設(shè)計。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。蓄電池快速充電器由單片機(jī)主控系統(tǒng)、電流電壓采集電路、輔助電源電路、按鍵電路、Buck電路、驅(qū)動電路、顯示電路構(gòu)成。單片機(jī)主控系統(tǒng)是由單片機(jī)和外圍的復(fù)位電路、晶振電路、ISP1下載電路組成，通過調(diào)節(jié)脈沖占空比的大小，達(dá)到輸出恒流或者恒壓的目的。Buck電路的主要組成器件是MOS開關(guān)管。輔助電源為驅(qū)動電路和單片機(jī)提供可靠直流電壓，其電路是把接入的高電壓轉(zhuǎn)換為所需的電壓。驅(qū)動電路的作用是把單片機(jī)發(fā)出的PWM波進(jìn)行放大和隔離。電流電壓采集電路是對輸出端電壓電流的實(shí)時采集，反饋給單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1蓄電池快速充電器主電路設(shè)計

系統(tǒng)采用同步Buck電路作為充電主電路，主要由全控器件MOSFET、電感元件L、電容C等元件構(gòu)成［5］，主要功能是把原直流電壓轉(zhuǎn)化為所需求的直流電壓，電路如圖2所示。同步Buck拓?fù)潆娐饭ぷ髟陔姼须娏鬟B續(xù)模式，即CCM模式。對于同步Buck拓?fù)潆娐罚?shù)的計算主要對電感、電容進(jìn)行計算。(1)電感參數(shù)的計算當(dāng)處于最大輸入電壓時，占空比公式為:根據(jù)設(shè)計參數(shù)可以知道最大輸入電壓為36V，輸出電壓為12V，所以占空比為0．33，考慮此時的輸出電流為2A，一般選擇輸出濾波電流脈動為額定電流的20%，即0．4A。于是對于最小電感值為:其中f為Buck電路中開關(guān)管的開關(guān)頻率，通過計算可得電感值最小為860μH。開關(guān)頻率是由ST-CRC5A60S2單片機(jī)的內(nèi)部PWM模塊決定的，不受其他因素的影響，當(dāng)單片機(jī)外部晶振電路使用外置12MHz的晶振時，PWM輸出頻率為23kHz。對于上式的最小電感的計算結(jié)果，需要考慮一定的裕量，不能直接取上式計算結(jié)果大小的電感，故使用1mH的濾波電感。(2)電容參數(shù)的計算設(shè)恒流輸出的時候，最大輸出電壓24V，即恒流值為2A、24V，然后開始計算輸出電容值。令紋波電壓的輸出為:事實(shí)上，電解電容上電阻R(ESR)的大小能夠決定輸出電壓的峰峰值。濾波電感電流的脈動為0．4A，為了讓電解電容上R的電壓脈動不大于24mV，那么R的值需要小于0．06Ω。根據(jù)電解電容的特點(diǎn)，其容量與R滿足的關(guān)系如下:得到最小的濾波電容C=1000μF，在實(shí)際的電路中使用兩個1000μF/50V的電容并聯(lián)。

2．2驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路是主控電路和主電路連接的橋梁，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的I/O口不具備直接驅(qū)動主電路的MOS管的能力，所以由驅(qū)動電路間接控制主電路MOS管的通與斷。驅(qū)動電路正常工作是整個系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。IR2104S芯片不僅擁有雙通道的輸入輸出信號，還有柵極驅(qū)動及高壓高速功率驅(qū)動器。該芯片采用電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，滿足了邏輯電路對功率器件的控制要求，提高了驅(qū)動電路的可靠性。由IR2104S組成的驅(qū)動電路穩(wěn)定性很好，能夠保證MOS管的可靠通斷。驅(qū)動電路如圖3所示。

2．3輔助電源電路設(shè)計

輔助電源是為單片機(jī)、顯示器和驅(qū)動電路供電的，在輔助電源中用到了LM2596和L7805T兩個芯片。考慮到MOS管驅(qū)動器IR2104S供電需要12V的電壓，但是單片機(jī)、INA282、液晶顯示LCD1602這些部分需要5V的供電。而整流后輸入的電壓是18V，壓差比較大，所以本設(shè)計中先采用LM2596將電源電壓降到12V，然后再采用低壓差線性穩(wěn)壓源L7805T將12V的電壓通過穩(wěn)壓后得到5V的直流電壓輸出，具體電路如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3．1主程序設(shè)計

主程序設(shè)計主要包括兩個部分，分別是輸出恒壓程序、輸出恒流程序的設(shè)計。輸出恒壓、恒流的程序設(shè)計是通過單片機(jī)采集電路上電壓電流，看輸出電壓是否等于給定值的大小，然后通過單片機(jī)內(nèi)部的PWM模塊改變占空比的大小來調(diào)節(jié)，使輸出電壓、輸出電流為恒定的給定值，系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

3．2恒壓恒流控制技術(shù)

當(dāng)電路切換到恒壓模式時，此時恒壓子程序開始運(yùn)行，在程序中設(shè)置好給定電壓為12V，將從主電路中采集回來的電壓和此給定值相比較，如果等于此值，直接輸出，如果不等于此給定值，通過系統(tǒng)相應(yīng)調(diào)節(jié)后再輸出恒定電壓。其控制框圖如6所示。當(dāng)電路切換到恒流模式時，這時恒流子程序起作用，先在程序中設(shè)置好電流給定值為2A，把從主電路中采集回來的電流同這個給定值比較，如果等于此值，直接輸出，如果不等于此給定值，通過系統(tǒng)相應(yīng)調(diào)節(jié)后再輸出恒定電流。其控制框圖如7所示。

4測試與分析

4．1測試方案

本設(shè)計采用滑動變阻器來代替蓄電池進(jìn)行充電測試，需對輸出的電壓電流性能指標(biāo)進(jìn)行測試。充電器的測試框圖如圖8所示，充電器和滑動變阻器、穩(wěn)壓電源連接，用數(shù)字萬用表記錄輸出的電流電壓，通過示波器檢測兩種模式下的輸出波形。具體方案如下:(1)恒壓輸出測試:切換到恒壓輸出模式，保持輸入電壓不變，通過滑動變阻器改變阻值大小，測試出輸出電壓并記錄在表格中，并通過示波器觀察輸出波形。(2)恒流輸出測試:切換到恒流輸出模式，保持輸入電壓不變，通過滑動變阻器改變阻值大小，測試出輸出電流的數(shù)據(jù)并記錄在表格中，并通過示波器觀察輸出波形。

4．2測試與結(jié)果分析

(1)切換到恒壓模式時，當(dāng)輸入電壓保持24V不變，負(fù)載電阻分別為6Ω、8Ω、10Ω時，測試的輸出電壓Vo的結(jié)果如表1(參考電壓的誤差V=Vout±0．1V)。(2)當(dāng)切換到恒流模式時，輸入電壓Vs為24V，輸出電阻分別為6Ω、8Ω、10Ω時，測試輸出電流Io的結(jié)果如表2(參考電流的誤差I(lǐng)=Iout±0．1A)。通過對以上測試結(jié)果分析可得，恒壓、恒流兩種模式下的輸出與各自給定值基本相等(允許的誤差范圍之內(nèi))，表明本次設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對蓄電池的恒流、恒壓充電。

5結(jié)論

本文基于STC12C5A60S2單片機(jī)設(shè)計出蓄電池快速充電器，選用Buck拓?fù)潆娐纷鳛槌潆娖鞯闹麟娐罚ㄟ^制作出的實(shí)物進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明:系統(tǒng)給定輸入電壓在24～36V范圍內(nèi)，在恒流模式下恒定輸出電流為2A，誤差為±0．1A，在恒壓模式下恒定輸出電壓為12V，誤差為±0．1V，該充電器有著廣泛的應(yīng)用前景。

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作者:唐夢嫻 鄢笠 單位:國網(wǎng)長沙供電公司 國網(wǎng)株洲供電公司