基于PIC12C672的模糊控制脈沖充電電路

摘要本文將模糊控制的理論應用于充電控制上，將電池的電壓與電壓變化率所估測的電量反饋作為控制器的輸入值，加以模糊化，經由規則庫模糊推論之后，產生輸出值，解模糊化得到適當的充電電流，實現能自我修正充電電流的充電器，在不減少電池壽命的情況下實現快速充電。

關鍵詞模糊控制 脈沖 光耦合

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A

電池大致上分為兩種:一次電池及二次電池，一次電池使用過后壽命即終了，例如堿性電池、碳電池等。二次電池則可以利用充電重復使用，例如鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池等。由于大容量電池是電動機車的動力來源，而鉛酸電池(Lead-Acid Battery)更是目前普遍使用的電池，所以本文對12V、容量8Ah的鉛酸蓄電池的充電進行研究。

鉛酸電池的充電方法可以根據電池使用的場所、可以等待的充電時間等需求，以滿足在符合經濟效益的前提下，選擇最適合電池的充電方式。

本文介紹的正負脈沖充電法，一個完整的充放電周期可如圖1所示，周期t所在的區間A為模糊控制器控制充電電流大小的時間，此時間為充電器對電池充電的時間;周期t所在的區間B為放電電路開關導通的時間，此時間為充電器對電池放電的時間，如此可避免雜質結晶破壞極板以及增加雜質沉淀的時間，這將大幅改善溫升現象，維持電池壽命;周期t所在的區間C為休息時間，此時間充電器對電池不做任何動作，這讓電池內部的電解液獲得緩沖時間，可以去除電極之氣泡，其中t是依照實驗經驗衡量所需的時間，本實驗的充電時間為2秒，放電時間為0.1秒，休息時間t為0.05秒，以避免充電時溫度的升高。

圖1正負脈沖充電法充電區間圖

圖2即為整個充電器系統方框圖，其工作原理為:50Hz交流輸入電壓經整流濾波產生高壓直流，經過轉換元件的轉換，將高壓直流饋入轉換元件，并且分割成方波的高頻電壓訊號，其頻率在20KHz~1MHz之間，分割的頻率大小及脈波的寬度由反饋及PWM控制來調整，反饋回路也要隔離，可由隔離變壓器或光耦合器實現。產生的高頻訊號經過一高頻隔離變壓器降低至所需的負載電壓，再經由輸出濾波器便可得到穩定的直流輸出。

圖2充電器系統方框圖

整個電路的組成分為以下幾個單元:(1)切換式整流濾波單元。(2)PIC微處理器單元。(3)脈寬調整單元。(4)光耦合器單元。(5)EMI濾波器及輸出濾波器單元。

1 切換式整流濾波單元

傳統的整流濾波為線性，它的缺點是體積過大，而且工作在線性區造成晶體管的功率損耗過大，所以效率只能在30%~60%左右。近來由于大功率晶體管的迅速發展，帶動切換式整流濾波的發展，不僅大大縮小體積，且晶體管是工作于飽和區和截止區(MOSFET為截止和歐姆區)，處于開關工作狀態，不是完全導通便是截止，因此晶體管的功率損失要小很多，也因此提高效率可達70%~80%。切換式整流濾波是由直流至直流轉換器延伸而來的。電路如圖3。

圖3順向式電源轉換器基本電路

2 PIC微處理器單元

本電路以美國Microchip公司所出品的PIC八位微處理器為核心。PIC的名稱是由”Peripheral Interface Controller”的縮寫而來，自問世以來，迅速為業界廣為采用。

PIC12C672是一個帶4路8bitA/D轉換器的高性能CMOS8位單片機，僅35條精簡指令，所有指令均為單周期，片內含128€?數據存儲器(RAM)，一百萬次可反復擦寫的1k字節只讀程序存儲器(EEPROM)，14位寬指令字節和8位次寬數據通道，直接或間接相對尋址方式。8層硬件堆棧，看門狗(WDT)電路，可編程內部時鐘振蕩源，省電模式及睡眠喚醒功能，內部微上拉I/O口，可選擇片內、片外RC振蕩器或晶體振蕩器，工作頻率DC-10MHz。

本系統的充電過程是利用PIC的A/D轉換模塊，將輸出反饋的電壓比較訊號轉換得到成比例的數值，讀取并輸入模糊控制程式并判斷電池當前狀況，依模糊推論產生的結果，調整PWM Duty Cycle的數值，依此數值設定計時器產生所需之PWM輸出，控制功率開關之切換及LED的顯示。

3 脈寬調整單元

本電路是以PWM方式控制的電源穩壓，利用UC3845 產生PWM控制信號。UC3845是一個功能齊全、效率高且容易使用的峰值電流模式控制IC，只需要極少的元件便可以達到多樣的功能。內有振蕩器器(Oscillator)、誤差放大器(Error Amplifier)、電流感測比較器(Current Sensing Comparator)、欠電壓閂鎖(Under-voltage Lockout，UVLO)、參考用電源(Reference Voltage)、以及高電流輸出，特別適合用來驅動Power MOSFET。

4 光耦合器單元(Photo Coupler)

一般電路的設計上，在接收反饋信號時，必須將回反饋信號與控制IC加以隔離，而最常用的隔離元件即是光耦合器。本文所使用的光耦合器是H11L3。

5 濾波器及輸出濾波器單元

為了濾除轉換器高頻切換所產生的高頻諧波成分，在轉換器的輸出端必須加裝LC低通濾波器。使用電感器作為輸出濾波結構的主要目的有兩個:一是在開關元件關斷的狀態下，電感器可以儲存能量，使得輸出電流能夠連續的流至負載;第二個目的即是平滑輸出電壓的諧波。

綜合以上各單元的介紹，本文設計的充電器選擇二開關式順向轉換器作為主要整流濾波，可以適用于高電壓輸入的場合。控制器則采用PIC微處理器，節省設計成本，并以輸出之PWM訊號控制功率開關的切換，使充電器能調整最佳的充電電流對電池充電，最后在輸入端加裝EMI濾波器防止高頻切換產生的電磁干擾。

6 模糊控制充電方法簡介

由于電池的充放電涉及復雜的電化學反應，且電池是一個非線性系統，很難用一組數學模式表示出來，因此充電方法是以實驗統計經驗為基礎，研究適合的充電方法。為達到在電池狀態不同的情況下，充電器都能適時的調整充電電流的目的，本文將采用模糊控制的理論于充電控制的設計上，實現能自我修正充電控制策略的充電器，在不減少電池壽命的情況下快速充電。下節將簡述模糊邏輯的理論基礎。

自1965年Zadeh 發表模糊集合理論(Fuzzy sets)后，許多學者競相投入研究工作，并將之應用在各種領域。模糊理論的特色在于使用語句變量(Linguistic variables)代替數學變量，來描述真實世界中普遍存在的模糊現象。例如“非常快”、“稍快”、“很慢”等等。這種模擬人類邏輯思惟的模糊邏輯理論，恰可以應用在無法建立數學模型的控制系統，或是利用模糊控制器具有非線性的特性來改善傳統控制器線性操作的特性。

每個模糊控制器都有三個基本步驟，分別是模糊化(Fuzzification)、決策邏輯(Decision Making Logic)、以及解模糊化(Defuzzification)。其中決策邏輯是模糊控制的核心部分，主要由研究人員對于受控系統的經驗與語言表達的方式建立模糊規則庫，其規則通常以 IF-THEN 條件式的方式表達。而由于模糊控制在工程的應用上，必須輸入明確的數值，比如電壓、電流，但模糊系統的推論過程中，所使用皆為模糊的語句變量，因此必須將輸入的數值加以模糊化后，經由模糊推論，產生對應的模糊輸出，再加以解模糊化，以明確的數值去控制受控體。

為了能適時反映電池狀況，調整充電電流大小，采用模糊控制理論控制充電電流的方法。將電池的電壓與電壓變化率所估測的電量反饋作為控制器的輸入值，加以模糊化，經由規則庫模糊推論之后，產生輸出值，解模糊化得到適當的充電電流，如圖4所示。工作過程如下。

圖4正負脈沖充電器模糊控制方框圖

本充電器的工作過程如下:當UC3845的PWM輸出電位為高電位5V時，功率管導通，此時輸入的高壓直流進入交換元件，并且切割成方波的高頻電壓訊號，頻率在20KHz~1MHz之間，切割的頻率大小及脈波的寬度由PWM控制來決定調整，此時在輸出連接電池的一端測得的瞬時電流訊號，其頻率亦與PWM的頻率相同，電流大小則以一周期的平均電流計算。當PWM周期增加時，功率開關導通的時間亦增加，因此一周期之平均電流增加。在周期只有10%時，由于開關導通時間極短，因此平均電流接近18mA;而在責任周期為90%時，開關導通時間很長，因此平均電流約5.7A。

用正負脈沖充電法對額定電壓為12V、容量同為8Ah，但殘電量分別為30% 及80%的小型密閉式鉛酸電池充電，比較其充電電壓、電流的變化情形，以實際觀察充電器是否能針對不同剩余電量，調整充電電流大小，對非線性的電池模型完成充電。

由實驗結果比較，電池在剩余電量很少的情況下，會提高充電電流，以縮短充電時間，在剩余電量為30%時，初期電流為6A;而在剩余電量較多時，也能適時調降電流，在電量剩余80%時，初期電流雖為6A，但馬上降為4A，以避免固定的大電流對電池充電造成電池損害及過充，因此本充電器能夠檢測電池剩余電量的多少，不斷根據模糊推論來調整充電電流大小，確實達到快速充電及保護電池的目的。

7 結語

本設計以PIC單晶片為基礎的模糊控制充電器，以二開關式順向整流濾波為穩定的直流來源，配合正負脈沖充電法，以充放方式減低電池溫度升高影響，由實驗結果證明除了可將實驗所使用之8Ah容量的鉛酸電池充電時間大幅縮短外，并且可將溫升控制在5℃以內，保護電池使用壽命，比起傳統的定電壓充電法、定電流-定電壓充電法，本方法對電池的充電方式有很大改進。

參考文獻

[1]王鴻麟等.智能快速充電器設計與制作.北京:科學出版社，1998.

[2]姜紹信.鉛酸蓄電池快速充電.天津:天津科學技術出版社，1984.

[3]席愛民.模糊控制技術.陜西:西安電子科技大學出版社，2008.