基于 HT66F50 的電動自行車智能充電系統(tǒng)設(shè)計

楊智勇，王德軍

（1. 重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，重慶 400037；2. 重慶大學(xué) 自動化學(xué)院，重慶 400037）

0 引言

近年來，以小汽車為代表的燃油交通工具數(shù)量不斷增多，各城市普遍面臨能源危機和環(huán)境惡化的雙重壓力。電動自行車以其具有節(jié)能、污染小、結(jié)構(gòu)和控制簡單以及安全性高等優(yōu)點，被世界各國所普遍采用。隨著各國對節(jié)能減排以及環(huán)境治理的高度重視，電動自行車必將成為城市私人交通發(fā)展的方向[1]。目前，電動自行車用鉛酸蓄電池因其價格便宜、材料來源豐富、比功率較高、可逆性良好、適用范圍廣、使用壽命長以及技術(shù)和制造工藝較成熟等優(yōu)點，為大多數(shù)人所喜愛[2]。但是，通過大量研究實驗發(fā)現(xiàn)：由于電動自行車用蓄電池充電方法的不合理，導(dǎo)致蓄電池的使用壽命大大縮短，只能達到設(shè)置指標(biāo)要求的三分之一左右[3]。此外，由于充電器的智能化程度較低，在快速充電過程中，存在著蓄電池充放電能量浪費、循環(huán)壽命受損等問題[4]。因此，為了使充電技術(shù)在充電的速度、質(zhì)量和效果上滿足人們在生活和生產(chǎn)方面的實際需要，本文設(shè)計了一種能夠解決電動自行車用蓄電池充電效率和充電質(zhì)量問題的充電器，以最大程度延長電池的使用壽命，達到節(jié)能減排的效果。

圖1 智能充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要針對目前普遍使用的電動自行車用36V/10A·h鉛酸蓄電池所設(shè)計的。其核心設(shè)計思想是依據(jù)電動自行車用鉛酸蓄電池自身的特性，研究設(shè)計具有智能化程度較高、充電性能較好的鉛酸蓄電池智能充電系統(tǒng)。系統(tǒng)除了滿足實現(xiàn)變電流脈沖充放電功能的基本功能以外，還配備了電路監(jiān)控功能以及友好的人機交互界面。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括以下四個部分：充電電路、取樣檢測電路、控制電路和監(jiān)控電路。

2 電路設(shè)計

本系統(tǒng)通過取樣檢測電路實時對蓄電池的充電狀態(tài)進行取樣檢測，并將檢測信號傳送給HT66F50單片機；通過對該信號進行計算分析，得出蓄電池的當(dāng)前充電狀態(tài)，從而制定合適的充電策略；結(jié)合軟件編程，系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)電池反接檢測等功能。

2.1 充電電路設(shè)計

充電電路主要完成系統(tǒng)的充電任務(wù)，是系統(tǒng)的功率電路部分，具有輸入濾波、逆變、放電去極化以及輸出整流濾波等功能。

通過在系統(tǒng)電源線的入口處安裝一個輸入濾波電路，可有效地切斷電源線上的電磁干擾[5]。輸入濾波電路是指交流電網(wǎng)與開關(guān)電源輸入級之間的系統(tǒng)，輸入濾波電路具有雙向隔離作用：一方面，可以消除從交流電網(wǎng)輸入的各種干擾信號，如開關(guān)器件的合閘和關(guān)斷信號，雷擊等產(chǎn)生的尖峰干擾信號等；另一方面，它在防止開關(guān)電源工作時產(chǎn)生的高頻噪聲信號向電網(wǎng)擴散而污染電網(wǎng)方面也有不可替代的作用。輸入濾波器接在電網(wǎng)輸入和整流橋之間，電路如圖2所示，這是一個雙Л型的LC濾波器，它是兩個Л型的LC濾波器的并聯(lián)組成的。整流前后輸出的電流首先通過每個Л型LC濾波器中的電容濾波，然后再經(jīng)濾波器濾波，從而促使輸出電壓脈動系數(shù)的大幅度降低，使濾波效果得到顯著改善。其中，L1是一個共扼電感，它有兩個有相同匝數(shù)卻相互獨立的線圈，繞在同一個鐵芯上。

圖2 充電電路

本系統(tǒng)將控制電路送來的PWM信號轉(zhuǎn)變成能夠直接驅(qū)動MOSFET工作的電壓信號。其中，PWM信號由單片機產(chǎn)生。驅(qū)動電路圖如圖2所示。

鑒于HT66F50單片機I/O口具有較強的灌電流能力，因此其產(chǎn)生的PWM信號通過電阻和光耦器件隔離后與5V電源連接。當(dāng)PWM波為低電平時，光耦原邊有電流通過，使光耦副邊導(dǎo)通，此時u1點為低電平，Q3導(dǎo)通，MOSFET的柵極為低電壓，Q4關(guān)閉；當(dāng)PWM波為高電平時，光耦關(guān)斷，與之相對應(yīng)的u1點為高電平，此時Q2導(dǎo)通，MOSFET的柵極為高電平，Q4也導(dǎo)通。

MOSFET的柵極通過R32接地是為了在PWM由高變低時，能夠迅速拉低MOSFET柵極的電壓，實現(xiàn)迅速關(guān)斷MOSFET的目標(biāo)。MOSFET高頻率地開關(guān)，易造成輸出電壓有較大的尖峰。特別是在關(guān)斷時，由于電路中存在寄生電感，電流瞬間的切斷將會在電感的兩端產(chǎn)生沖擊電壓，解決辦法是對MOSFET增加緩沖電路[6]。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，原電路中的一部分電流通過恢復(fù)二極管D15對電容C37進行充電，使MOSFET兩端的電壓緩慢地上升，同時，電路中電流的減小速度也緩慢降低，從而減小MOSFET的損耗和減小尖峰電壓。圖中L6起到了平滑電壓的作用，C38和C39是濾波電容[7]。通過在開關(guān)電源整流電路和輸出端之間使用相對簡單的輸出濾波電路，設(shè)計相應(yīng)的濾波電感和濾波電容，可有效節(jié)約開發(fā)成本并使系統(tǒng)更加小巧，方便攜帶。

此外，在整個快速充電過程中，由于系統(tǒng)需要在恰當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)，通過采取負(fù)脈沖瞬間放電措施來消除充電電池的極化現(xiàn)象，因此，本裝置設(shè)計了一條放電通道，如圖2所示。放電去極化電路是由開關(guān)三極管Q5（在其上反向并聯(lián)一個二極管，以實現(xiàn)能量的回流，從而保護Q 5）、負(fù)載R10和濾波電感L所組成，通過檢查充電電池的實時狀態(tài)，單片機分析決定何時進行去極化操作。去極化時，系統(tǒng)將停止充電，此時存儲在濾波電感L中的電能將存儲到電池中，然后單片機通過P2.1管腳使Q5導(dǎo)通，電池通過負(fù)載進行放電操作，從而保證電池在充電過程中的適時放電，以更好地消除電池充電過程中的極化現(xiàn)象。

2.2 取樣檢測電路設(shè)計

在充電過程中，為了能夠?qū)崟r監(jiān)控充電蓄電池的充電狀態(tài)，必須對電壓值、電流值和溫度值等信息進行采樣檢查，并將采樣信息反饋給單片機，控制電路通過實時調(diào)整PWM信號的占空比，從而調(diào)整充電電壓和電流，保證充電操作按照論文中提出的充電方法進行充電。本文設(shè)計使用以DS2438為核心構(gòu)成的取樣檢測電路，對電壓、電流和溫度等狀態(tài)信息進行跟蹤采樣，取樣檢測電路如圖3所示。

2.3 控制電路設(shè)計

控制電路以HT66F50單片機為核心，并擴展外圍電路，如圖3所示。控制電路的主要作用是接受取樣檢測電路傳送的數(shù)據(jù)信息，完成充電系統(tǒng)的核心控制功能。單片機通過計算分析取樣信息，根據(jù)結(jié)果控制PWM的輸出信號來控制開關(guān)動作，實現(xiàn)充、放電功能；通過檢測充電電池的溫度、電壓和電流等信息，單片機自動選擇適當(dāng)?shù)某潆娔Ｊ剑崿F(xiàn)電路保護功能；并將檢測到的充電電壓、電流和電池的溫度等信息通過液晶顯示、語音播報等方式予以展現(xiàn)。

圖3 HT66F50單片機控制電路

2.4 監(jiān)控電路設(shè)計

該電路具有液晶顯示、語音播報和蜂鳴報警等功能，主要完成充電過程中的人機交互功能。其中，液晶顯示和語音播報主要用于顯示流過充電鉛酸蓄電池的電流、電壓以及系統(tǒng)工作狀態(tài)和故障等信息；蜂鳴器主要用于故障報警提示。

1）液晶顯示電路

本系統(tǒng)采用12864液晶顯示器，HT66F50單片機為LCD數(shù)據(jù)存儲提供了特殊的數(shù)據(jù)存儲器，任何寫入其內(nèi)的數(shù)據(jù)，都會自動被LCD驅(qū)動電路所讀取。LCD顯示分為兩行，第一行顯示電池的電流、電壓和溫度值，第二行顯示電池正常或異常狀態(tài)。

2）語音播報電路

本系統(tǒng)還設(shè)計了語音播報電路，電路如圖4所示。當(dāng)充電電池出現(xiàn)充電錯誤或充電完畢等情況時，系統(tǒng)將自動進行語音提示。本電路的核心是ISD4004語音芯片，該芯片采用先進的CMOS技術(shù)，具有自動靜噪、多段信息處理和高質(zhì)量、自然的語音還原等功能，只需要很少的外圍電路就可以組成一個較為完整的聲音錄放系統(tǒng)。

圖4 語音播報電路

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序根據(jù)所獲得充電蓄電池電壓、電流和溫度等狀態(tài)信息，確定系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)，通過計算分析，得出結(jié)果，進而采取最佳的充電方式，從而達到合理控制充電過程的目的。此外，系統(tǒng)還配備了充電去極化、終止充電檢測以及液晶顯示和語音報警等功能。主程序流程框圖如圖5所示。

系統(tǒng)通電后，程序?qū)⑦M行系統(tǒng)初始化，檢查充電電池是否反接，如果異常，則系統(tǒng)將不進行充電操作并報警；如果狀態(tài)檢測正常，系統(tǒng)將判斷蓄電池的端電壓值是否滿足大電流充電條件，若其端電壓小于設(shè)定值31.4V，則系統(tǒng)將會自動進入涓流充電模式，通過40m A的電流對充電電池進行充電，直至滿足大電流充電為止；若其端電壓大于31.4V，則系統(tǒng)將直接跳過涓流充電而進入大電流充電模式，并以最大允許電流2A的變電流間歇充電對其進行充電操作；當(dāng)充電電池的端電壓大于或等于40V時，系統(tǒng)將進行電壓負(fù)增量檢測操作，以判斷是否停止充電。

圖5 主程序流程圖

系統(tǒng)在去極化操作時，充電電路將停止進行充電操作，同時，系統(tǒng)導(dǎo)通去極化電路開關(guān)元件Q5來實現(xiàn)放電去極化的操作。具體的操作過程為：系統(tǒng)通過對蓄電池實時進行充電狀態(tài)信息的計算分析操作，獲知蓄電池需要進行去極化操作后，系統(tǒng)將PWM的輸出引腳設(shè)置為高阻態(tài)，充電電路將停止充電操作；同時，計算得出該蓄電池的負(fù)脈沖放電和停充電的時間，將信息送入定時器2中，并啟動定時器2進行去極化放電操作，直至本次去極化放電結(jié)束。

4 安裝與調(diào)試

系統(tǒng)焊接安裝完畢后，寫入軟件程序。利用實驗室現(xiàn)有設(shè)備做了三階段恒流充電、變電流充電和變電流間歇充電三組實驗，驗證了本系統(tǒng)所采用的變電流間歇正負(fù)脈沖充電方法的合理性。

5 結(jié)論

本文以電動自行車用鉛酸蓄電池充電技術(shù)為研究背景，結(jié)合電力電子、控制和計算機仿真等技術(shù)手段，在研究和比對各種電充電系統(tǒng)和充電方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于HT66F50單片機控制的電動自行車智能充電系統(tǒng)。在理論研究和大量試驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計構(gòu)建了簡易的充電實驗裝置，并進行驗證性試驗。通過比較試驗數(shù)值和理論設(shè)計的誤差，證明了本系統(tǒng)能夠根據(jù)實際情況自動調(diào)節(jié)充電方式，基本能夠滿足鉛酸電池組充電的快速性和去極化的要求，為電動自行車用鉛酸蓄電池快速充電方法和模式的深入研究與應(yīng)用打下了一定的基礎(chǔ)。由于實驗條件和時間的限制，在設(shè)計和試驗過程中存在一些不足之處，如PWM控制脈沖的穩(wěn)定改進等問題，將作為今后完善和研究的方向。

[1] 別文群,王留芳.基于C504單片機的電動自行車智能充電器的設(shè)計[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2006,16(7)．

[2] 李蓓,王映林.鉛酸蓄電池快速充電器的基礎(chǔ)理論研究尚需加強[J].中國西部科技,2006(31)．

[3] 孫莉莉,雷永鋒,鄭菲.基于PIC16C73B的電動自行車充電器的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(20)．

[4] 張幸,楊偉民,李綱園.智能化電池充電裝置的研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報,2004,26(4)．

[5] 一種輸出電壓4～16V開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計[EB/OL].http://data.weeqoo.com/2007/10/20071019115431108213.htm l. 2007-9-25/2012-4-28．

[6] 張乃國.電源技術(shù)[M].中國電力出版社, 1999．

[7] 崔光照,袁贊.基于MF—RC500的射頻卡讀寫系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微計算機信息,2008,24(29)．