摘要：介紹了利用AT90CAN32單片機構(gòu)成的智能充電器的主電路、保護電路、控制電路的原理和結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了系統(tǒng)的軟件流程。本方案可實現(xiàn)多階段充電、高速的數(shù)據(jù)采集、復雜的控制算法和輸出控制，并能對充電電流、電壓和溫度實現(xiàn)監(jiān)控。

　　0 引言

　　蓄電池是廣泛應(yīng)用于國防、交通運輸、通訊、電力等國民經(jīng)濟各個部門的重要能源裝置，是社會生產(chǎn)經(jīng)營活動中不可缺少的產(chǎn)品。蓄電池的使用壽命是人員及使用人員普遍關(guān)注的問題，其由多方面因素決定，其中重要的是蓄電池本身的物理性能。除此之外， 電池的管理技術(shù)、不合理的充放電模式是造成電池壽命縮短的主要原因。

　　如何高效、快速、無損地對蓄電池進行科學充電，一直是蓄電池界關(guān)心的問題，也是蓄電池使用和保養(yǎng)中非常重要的內(nèi)容。因此，研究先進的充電技術(shù)及充電裝置是蓄電池領(lǐng)域重要的課題，它是涉及電力電子、自動測量與自動控制等技術(shù)的高端課題。

　　1 智能充電器硬件部分

　　充電裝置硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖1所示，由主電路和控制電路兩部分組成。虛線框外部分為主電路，虛線框內(nèi)部分為控制電路。主電路的功能是將輸入的三相交流電轉(zhuǎn)變成蓄電池負載需要的直流電；控制電路用于實現(xiàn)電源各種功能。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

　　1）充電主電路

　　主電路采用的是AC-DC-DC變換電路，AC-DC部分的作用是通過整流變壓器將三相交流電源U、V、w進行降壓、隔離，經(jīng)六個二極管所組成的三相不控橋整流后得到不可控制的直流電壓U1,如圖2所示。也就是說，對輸入為AC380V的三相電壓，U1的大小僅與整流變壓器的變比有關(guān)，一旦電網(wǎng)電壓和變壓器的變比確定，U1也就恒定不變。

圖2 三相降壓整流電路

　　DC-DC部分采用Buck電路，如圖3所示。當對蓄電池進行充電時，全控器件VT2關(guān)斷，直流電壓U1經(jīng)過全控開關(guān)器件VT1、續(xù)流二極管VD2和電感L（同時兼作濾波）組成的Buck電路，并通過控制VT 通斷來控制輸出電壓U2的大小，從而控制蓄電池的充電電流和充電電壓。

圖3 Buck-Boost電路

　　2）主電路保護電路

　　（1）過電流保護。

　　二極管、晶閘管的熱容量小，對5倍以上的過載要求在0.02秒內(nèi)切斷，否則元器件就會損壞，因此必須用快速熔斷器。

　?。?）過電壓保護。

　　晶閘管與整流二極管承受過電壓的能力有限， 即使電壓超過元件反向電壓擊穿電壓數(shù)值不多， 時間不長（0.5~1us），都有可能使元件反向擊穿，造成損壞。過壓保護措施是接人阻容吸收回路，把它并接在交流側(cè)、直流側(cè)， 或與整流元件并聯(lián)，降低阻容電路兩端的電壓變化率，從而起過壓保護作用。

　　3）控制電路。

　　控制電路包括電壓反饋電路和電流反饋電路、PI調(diào)節(jié)器及反饋選擇電路、D/A轉(zhuǎn)換電路，CAN總線電路，單片機及其外圍電路。其各模塊框圖如圖4所示。

圖4 控制電路原理框圖

　　2 軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計總體框圖如圖5所示，其具體流程如下：首先調(diào)用初始化函數(shù)對所有設(shè)備進行初始化。之后判斷關(guān)機是否正常，如果上次關(guān)機為正常關(guān)機則調(diào)用各種模式選擇函數(shù)，選擇充電模式；如果不正常，則讀EEPROM,讀取非正常關(guān)機時充電機的狀態(tài)。然后進入循環(huán)，在5分鐘之內(nèi)，允許對充電機自動充電狀態(tài)下的給定電壓進行設(shè)定；每1O分鐘，將充電機當前狀態(tài)記人EEPROM.選擇充電方式，用相應(yīng)的子程序?qū)?shù)據(jù)進行處理，得出輸出結(jié)果，并通過DA變換為所需的電壓信號；每秒鐘調(diào)用計時函數(shù)，記錄并顯示當時的充電總時間和所處階段的充電時間；判斷是否滿足階段轉(zhuǎn)換的條件，控制階段轉(zhuǎn)換燈；根據(jù)關(guān)機條件判斷充電是否完成。

圖5 主函數(shù)流程圖

　　圖5中，恒壓恒流方式包括三種充電方式：①開始階段恒電流的修正恒壓充電，②階段恒電流的修正恒壓充電，③開始階段和階段恒電流的修正恒壓充電。實際應(yīng)用中可以根據(jù)需要和充電效果在程序中進行調(diào)整。

　　3 實驗分析

　　本智能充電機分手動模式和自動模式兩種充電方式。下面分別對其進行驗證。

　　手動模式充電波形如圖6所示，圖中通道為電池端電壓；第二通道為脈沖變壓器原邊的驅(qū)動信號；第三通道為模擬PI調(diào)節(jié)器的給定參考電壓；第四通道為電流鉗測得的實際充電電流信號。

　　可以看出，手動模式下，單片機能夠正常地從電位器取出信號，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號發(fā)送給模擬PI調(diào)節(jié)器作參考。電池端電壓隨充電電流波動，因此能夠進行正常的手動充電。

　　手動模式充電波形如圖7所示，充電機在電池單格大于等于2.35V時進行階段轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換過后都將充電電流減小為上階段充電電流的一半。

　　程序中設(shè)置進行三次階段轉(zhuǎn)換，第三階段進行過充電。

圖6 手動模式充電波形

圖7 自動模式充電波形

　　通道為電池端電壓，第二通道為電流反饋電路經(jīng)級放大電路之后的信號，第三通道為模擬PI調(diào)節(jié)器的給定參考電壓，第四通道為電流鉗測得的實際充電電流信號。從圖中可以看出充電機可以正常完成三階段恒電流充電。

　　4 結(jié)束語

　　以單片機AT90CAN32為的智能充電設(shè)備控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案。采用模塊化的程序設(shè)計方法設(shè)計了整個系統(tǒng)的軟件流程，并編寫了主程序和各模塊的子程序，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、事件管理、充電控制算法和輸出控制。該智能充電設(shè)備具有以下的特點：

　　（1）能完成多階段恒流充電。與以前兩階段恒流充電相比，能有效的將充電電流控制在電池析氣電流附近。

　　（2）不僅能夠通過判斷充電時間來完成關(guān)機，還能通過判斷電池的端電壓變化率來實現(xiàn)自動關(guān)機。

　?。?）可使用多種反饋來判斷電池的狀態(tài)，在原充電機電流反饋電路的基礎(chǔ)上添加了電壓反饋及調(diào)節(jié)電路。

　?。?）能自動判斷電池塊數(shù)并改變電壓反饋比例系數(shù)。

　?。?）實時記錄充電機的充電狀態(tài)，實現(xiàn)充電機斷電保護。

　?。?）具有CAN總線接口，方便擴展使用。

參考文獻:

[1]. AT90CAN32 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/AT90CAN32_1128364.html.