【文章內容簡介】 ，電池即充足電。充電過 程中，當電池電壓達到規(guī)定值后，應立即停止快速充電。這種控制方法的缺點是：電池充足電的最高電壓隨環(huán)境溫度、充電速率而變，而且電池組中各單體電池的最高充電壓也有差別，因此采用這種方法不可能非常準確地判斷電池已足充電。 (2) 電壓負增量（－Δ V） 由于電池電壓的負增量與電池組的絕對電壓無關，而且不受環(huán)境溫度和充電速率等因素影響，因此可以比較準確地判斷電池已充足電。這種控制方法的缺點是：從多次快速充電實驗中發(fā)現(xiàn)，電池充足電之前，也有可能出現(xiàn)局部電壓下降的情況，使電池在未充足電時，由于檢測到了負增量而停止快充 。鎳氫 電池充足電后，電池電壓要經過較長時間，才出現(xiàn)負增量，此時過充電較嚴重，此時電池的溫度較高，對電池有所損害。因此，這種控制方法主要適用于鎘鎳電池。 (3) 電壓零增量（ 0Δ V） 鎳氫電池充電器中，為了避免等待出現(xiàn)電壓負增量的時間過久而損壞電池，通常采用0Δ V 控制法。這種方法的缺點是：未充足電以前，電池電壓在某一段時間內可能變化很 9 小，若此時誤認為 0Δ V 出現(xiàn)而停止充電，會造成誤操作。為此，目前大多數(shù)鎳氫電池快速充電器都采用高靈敏－ 0Δ V檢測，當電池電壓略有降低時，立即停止快速充電。 c. 綜合控制法 以上各種 控制方法各有其優(yōu)缺點，由于存在電池個體的差異和個別的特殊電池，若只采用一種方法，則會很難保證電池較好的充電。為了保證在任何情況下均能可靠的檢測電池的充足電狀態(tài)，可采用具有定時控制、電流控制和電池電壓控制功能的綜合控制法。 開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由 脈沖寬度調制 （ PWM）控制 IC和 MOSFET 構成。 開關電源主要應用領域有計算機、通信辦公設備、控制設備等產品以及電視機、攝像機、電子游戲機等消費類產品。與傳統(tǒng)采用工頻變換技術的相控電源相比，采用大功率開關管的高頻整流電源，在技術上是一次飛躍，它不但可以方便地得到不同的電壓等級，更重要的是甩掉了體積大、笨重的工頻變壓器及濾波電感電容。由于采用高頻功率變換，使電源裝置顯著減小了體積和重量，而有可能和設備的主機體積相協(xié)調，并且使電性能得到進一步提高。因此，開關電源取代線性電源和相控電源是必然的發(fā)展趨勢。 人們在開關電源技術領 域是邊開發(fā)相關電力電子器件，邊開發(fā)開關變頻技術，兩者相互促進推動著開關電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關電源可分為 AC/DC 和 DC/DC 兩大類，也有 AC/AC DC/AC 如逆變器 DC/DC 變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化，并已得到用戶的認可，但 AC/DC 的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。 現(xiàn)代 開關 電源 有兩種：一種是直流開關電源；另一種是交流開關電源。在此主要介紹直流開關電源，其功能是將電能質量較差的原生態(tài)電源（粗電），如市電電源或蓄 電池 電源，轉換成滿足設備要求的質量較高的直流電壓 （精電）。直流開關電源的核心是 DC/DC轉換器 。因此直流開關電源的分類是依賴 DC/DC 轉換器分類的。 直流 DC/DC 轉換器按輸人與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類：一類是有隔離的稱為隔離式 DC/DC 轉換器；另一類是沒有隔離的稱為非隔離式 DC/DC 轉換器。 隔離式 DC/DC 轉換器也可以按有源功率器件的個數(shù)來分類。單管的 DC/DC 轉換器有正激式（ Forward）和反激式（ Flyback）兩種。雙管 DC/DC 轉換器 有雙管正激式（ DoubelTransistor Forward Converter），雙管反激式（ Double Transistr F1yback Converter）、推挽式（ PushPull Converter）和半橋式（ Ha1fBridge Converter）四種。四管 DC/DC 轉換器就是全橋 DC/DC 轉換器（ FullBridge Converter）。 非隔離式 DC/DC 轉換器，按有源功率器件的個數(shù)，可以分為單管、雙管和四管三類。單管 DC/DC 轉換器共有六種，即降壓式（ Buck） DC/DC 轉換器 ，升壓式（ Boost） DC/DC轉換器、升壓降壓式（ Buck Boost） DC/DC 轉換器、 Cuk DC/DC 轉換器、 Zeta DC/DC 轉換器和 SEPIC DC/DC 轉換器。在這六種 單管 DC/DC 轉換器中， Buck 和 Boost 式 DC/DC 轉換器是基本的， BuckBoost、 Cuk、 Zeta、 SEPIC 式 DC/DC 轉換 器是從中派生出來的。雙管 10 DC/DC 轉換 器有雙管串接的升壓式（ BuckBoost） DC/DC 轉換器。四管 DC/DC 轉換器常用的是全橋 DC/DC 轉換器（ FullBridge Converter）。 由于本次設計主要應用了降壓 DC/DC 變換器。因此，對基本降壓變換電路 Buck 電路做簡要介紹。 Buck 電路如圖 ：降壓斬波器，入出極性相同。 由于穩(wěn)態(tài)時，電感充放電伏秒積相等， 因此 ()i o on o offU U t U t? ? ? ? () i o n o o n o o ffU t U t U t? ? ? ? ? () ()i on o on offU t U t t? ? ? () / / ( )o i on on offU U t t t? ? ? ? () 即，輸入輸出電壓關系為： /oiUU?? (占空比 )。 在開關管 S通時，輸入電源通過 L 平波和 C 濾波后向負載端提供電流；當 S關斷后，L通過二極管續(xù)流，保持負載電流連續(xù)。輸出電壓因為占空比作用，不會超過輸入電源電壓。 C RLS 圖 Buck電路拓補結構 3 數(shù)字化快速充電系統(tǒng)硬件設計 11 3 數(shù)字化快速充電系統(tǒng)硬件設計 總體設計方案 根據(jù)本次設計的要求，設計的數(shù)字化快速充電器必須能對鎳鎘，鎳氫及鋰離子電池組充電。并能夠對充電過程進行實時監(jiān)測，針對不同電池的不同充電狀態(tài)做出及時調整，使之符合與其相應的充電曲線。對此 ，本次設計的主要設計電路包括電源電路、充電電路和充電控制電路。其主要功能是實施對電池組的快速充電，并實時監(jiān)測電池電流，電池端電壓及充電持續(xù)時間等參數(shù)。通過這些信息，判斷出電池的實時充電狀態(tài)，并對充電電流作出及時調整，從而實時而正確地控制充電過程。當檢測到電池已充滿時，會提示用戶并且充電器自動進入浮沖維護狀態(tài)。充電過程中，充電器設置有定時，電流保護和故障檢測功能，如有異常將使充電器停止充電而保護電池。利用模糊控制理論對充電過程進行優(yōu)化控制，使充電嚴格地按照具體電池理想的充電曲線進行，實現(xiàn)對多種電壓等級和不同類 型電池的智能充電。系統(tǒng)的總體框圖如圖 所示 。 保護電路 PWM 220V 25V 開關電源 充電電路 充電電池 電壓 電流 檢測 電路 顯 示 鍵 盤 XC164CM 單片機 控制電路 圖 12 220V 交流電壓首先送入反激式開關電源進行 AC/DC 變換，使其直流輸出電壓為 25V，再經過 DC/DC 變化轉化為供電電壓和充電電壓。此充電電壓不能直接對電池進行充電，必須經過充電電路，采用 BUCK 拓撲結構 ,對 AC/DC 變換電路所得的 25V 的直流輸入電壓進行二次斬波 ,得到合適的充電電流、電壓給電池充電。整個充電過程由充電控制電路控制，充電控制電路保證 整個充電過程的順利進行，該電路通過充電電池接口和檢測單元得到電池工作狀態(tài)，同時，該電路還實時監(jiān)測電路各部分工作是否正常，并提供保護功能。另外，鍵盤輸入單元用于設定輸出電壓等參數(shù)，顯示單元顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障類型等信息。所以，本系統(tǒng)應當具備對電壓、電流、溫度的檢測和保護電路，并且這些電路在對傳統(tǒng)電池組充電時也是必不可少的。 單片機 XC164CM 介紹 XC164CM 是英飛凌 16 位單片 CMOS 微控制器系列的增強型產品。 XC164CM 將功能和性能擴展的 C166SV2 內核、功能強大的片上外 設子系統(tǒng)和片上存儲器單元完美結合，并且有效降低了系統(tǒng)功耗。 XC164 具有 5 級指令執(zhí)行流水線和 2級預取指流水線，工作頻率40MIPS，可以單周期執(zhí)行 16*16bit 運算，能夠滿足各種復雜的充電控制策略的運算要求。它的 I/O 口較多，內部資源豐富，主要有： 64K的 FLASH 程序存儲器， 6K 的片內數(shù)據(jù)存儲器； 16 級優(yōu)先權的中斷系統(tǒng)，硬件中斷陷阱； 14 通道 10 位的 A/D 轉換器； 2 個比較 /捕獲單元，可方便的產生 PWM 波；可編程看門狗定時器。另外 XC164CM 還具備 JTAG 接口，便于調試程序。 CPU 內核由一組經 過優(yōu)化的功能單元組成，包括指令讀取 /處理流水線、 16 位算術邏輯單元（ ALU）、 40 位乘累加單元（ MAC）、地址和數(shù)據(jù)單元（ ADU）、取指單元（ IFU）、寄存器文件（ RF），以及專用特殊功能寄存器（ SFR）。 XC164CM 中的大多數(shù)指令為單周期指令，從而提高了 CPU 性能，同時與 C166 指令保持兼容。此外， XC164CM 出色的 DSP 性能、對不同存儲器和外設的并行訪問等特性提高了系統(tǒng)的整體性能。 XC164CM 的內核架構將 RISC 和 CISC 處理器的優(yōu)點完美結合。其計算和控制功能由于MAC 單元的 DSP 功能 而變得更加完善。 XC164CM 將高性能 CPU 與一系列功能強大的外設單元集成起來，有效的聯(lián)接成一個單片機系統(tǒng)。片上存儲器模塊帶有專用總線和控制單元，用于存儲代碼和數(shù)據(jù)。這些特性促成了 XC164CM 微控制器的高性能，使得 XC164CM 不僅可滿足當前的應用，還將適用于未來的工程應用。 XC164CM 中還采用了一種 LXBus 總線，用來標識外部總線接口。 LXBus 總線提供了一種標準化的方法，可方便的將附加的專用外設集成到標準 XC164CM 系列芯片中。 因此，在本電路中使用 XC164CM 充當核心控制器。通過鍵盤設 定對不同電池進行充電，完成對整個充電過程的控制。通過計算，處理外圍幾個檢測電路檢測到的信息。根據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷和不斷調整充電狀態(tài)。并通過指示電路顯示給用戶。對不穩(wěn)定的充電狀態(tài)以及錯誤操作及時終止。 XC164CM 引腳圖如圖 所示。 13 圖 XC164CM 開關電源電路設計 開關電源電路的主要任務是將市電 220VAC 轉化成充電所需的 25VDC 的電壓。電源電路主要包括輸入濾波器，整流器， DC/DC 轉換器，輸入整流濾波器等電源變換電 路。 220VAC的市電經過輸入濾波器能夠抑制大部份共模干擾和差模干擾。整流器將交流電整流濾波成直流電，然后經過 DC/DC 變換器得到充電所需的直流電壓。為了抑制電壓波動得到持續(xù)穩(wěn)定的輸出電壓，在輸出端添加一電壓負反饋電路。該電路由光電耦合器將檢測到的電壓狀態(tài)參量反饋給控制電路，該控制電路由美國動力（ PI）公司的 TOPSwitch－Ⅱ系列單片電源電路中的 TOP224Y 芯片對反饋參數(shù)進行比較處理，通過 PWM波調制輸出，對 DC/DC 變換器的輸出電壓進行調整，從而得到穩(wěn)定的輸出電壓。 AC/DC轉換電路 該部分電路主要包括：保險 絲 ；濾波電容 C1 組成的主要用來對輸入交流電濾波，消除共模干擾和差模干擾濾波網(wǎng)絡；橋式整流電容濾波電路。 a. 保險絲 考慮到市電輸入的電流不穩(wěn)定性。為保護整個系統(tǒng)不會因過大的沖擊電流燒毀，采用 14 220V/3A 的保險 絲 。 b. 輸入濾波器 電壓電流的變化通過導線傳輸時的干擾 ， 干擾電壓和電流主要有二種形態(tài) ：“ 共模 ”和 “ 差模 ”。 一種是兩根導線分別做為往返線路傳輸；另一種是兩根導線做去路 ， 地線做返回路傳輸 。 前者叫 “ 差模 ”， 后者叫 “ 共模 ”。 一般干擾所經由的不是共模路徑就是差模路徑 ， 因此可對不同路 徑的干擾采用不同的處理 ,以 濾波 、屏蔽等手段來消除。 本設計電路中電容 C1 作為 濾波器用于抑制共模噪聲 ， 為濾波效果好，電容 C1 使用陶瓷電容活聚酯薄膜電容，應具有足夠的耐壓性。 c. 整流 濾波 電路 整流采用單相橋式整流 ， 電容 C2 作為 濾波電路。如 圖 所示。 圖 單相橋式整流電容濾波電路 DC/DC 變換器電路的設計 該電路主要是應用 PWM 調制的反激式開關電路， 并由芯片 TOP224Y 進行輸出電壓反饋控制，保持變換后的輸出電壓穩(wěn)