【正文】 保護電路。一部分的充電器不但能在很短時間內(nèi)將電量充足，而且還可以對電池起到一定的維護作用，修復由于使用不當造成的記憶效應，即容量下降（電池活性衰退）現(xiàn)象。設計比較科學的充電器往往采用專用充電控制芯片配合單片機控制的方式。專用的充電芯片具有業(yè)界公認較好的△v檢測，可以檢測出電池充電飽和時發(fā)出的電壓變化信號，比較精確地結(jié)束充電工作，通過單片機對這些芯片的控制，可以實現(xiàn)充電過程的智能化，例如，在充電后增加及時關段電源、蜂鳴報警和液晶顯示等功能。充電器的智能化可以縮短充電的時間，同時能夠維護電池，延長電池使用壽命。電池充電有恒壓、恒流兩種充電方式，事實上，恒壓、恒流源電路也是充電電路的主要組成部分。由于各種電池對充電電壓和充電電流的要求不同，因此，實現(xiàn)智能充電必須根據(jù)各種電池的自身要求來調(diào)整充電電壓和充電電流的大小。這里選擇bq2054集成電路作為恒壓、恒流源模塊來對電池進行充電。為了保證電池的安全，當電池電壓和溫度超過設定的極限值時，bq2054將禁止對電池進行充電。而當電池電壓小于低電壓閥值時，bq2054將用恒流方式進行充電。MSP430外接P溝道場效應管和限流型充電電源，可以對鋰離子電池進行快速、有效、安全的充電。這種連接方式有個很大的優(yōu)點：如果在沒有使用電感的情形下，仍然能使功率耗散降到很低，這樣可以進行預充電，同時具有溫度、過壓保護的功能，最長的充電時間的限制可以對鋰離子電池進行二次保護。MSP430集成度高，內(nèi)部有很多電路：主控制器、定時器、輸入電流調(diào)節(jié)器、電壓檢測器、充電電流檢測器、溫度檢測器。輸入電流調(diào)節(jié)器可以限制電源的總輸入電流（包括系統(tǒng)充電電流和負載電流）。充電電流檢測器如果檢測到輸入電流大于設定的閾值電流時，可以進行反饋，使輸入電流調(diào)節(jié)器降低充電電流，這樣就會控制輸入電流。這是因為當系統(tǒng)工作的時候，電源的電流變化范圍很大，如果充電器沒有輸入電流檢測的功能，則輸入電源就必須能夠提供最大充電電流和最大負載電流之和，這就會是電源體積增大、成本增加。正因為有這個功能，就會使充電器降低了對電源要求，與此同時，也大大簡化了設計電源的過程。 充電控制器采用數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)，它具有處理性能好(30MIPS)，外設集成度高，程序存儲器大，A／D轉(zhuǎn)換速度快等特點【401。DSP采用程序和數(shù)據(jù)分離的哈佛結(jié)構，流水線操作，具有專門的硬件乘法器，可以用來快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。它內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器，串行通信接口，串行外設接口，符合CAN2．0B規(guī)范的CAN通信模塊。最重要的是兩個功能強大的事件管理器模塊，它們包括通用定時器單元、比較單元、捕獲單元和正交脈沖編碼電路，使其可廣泛應用于電力電子各領域。不可屏蔽中斷的中斷向量為0xFFFC。響應不可屏蔽中斷時，硬件自動將OFIE、NMIE、ACCVIE復位。軟件首先判斷中斷源并復位中斷標志，接著執(zhí)行用戶代碼。退出中斷之前需要置位OFIE、NMIE、ACCVIE，以便能夠再次響應中斷。需要特別注意點：置位OFIE、NMIE、ACCVIE后，必須立即退出中斷相應程序，否則會再次觸發(fā)中斷，導致中斷嵌套，從而導致堆棧溢出，致使程序執(zhí)行結(jié)果的無法預料。中斷是MSP430微處理器的一大特色，有效地利用中斷可以簡化程序和提高執(zhí)行效率。MSP430的幾乎每個外圍模塊都能夠產(chǎn)生中斷，為MSP430針對事件（即外圍模塊產(chǎn)生的中斷）進行的編程打下基礎。MSP430在沒有事件發(fā)生時進入低功耗模式，事件發(fā)生時，通過中斷喚醒CPU，事件處理完畢后，CPU再次進入低功耗狀態(tài)。由于CPU的運算速度和退出低功耗的速度很快，所以在應用中，CPU大部分時間都處于低功耗狀態(tài)。圖2中的GB+、GB分別連接充電電池的正極和負極，以為充電電池提供充電電流的通道。數(shù)字電位器MAX5434通過串行數(shù)據(jù)總線和控制電路進行通信，以確定電位器的阻值，并改變電池電壓分配網(wǎng)絡的比值，從而改變bq2054中BAT腳的輸入電壓，以便bq2054根據(jù)BAT腳電壓的大小來改變對電池的充電電壓，最終達到對電池進行恒流、恒壓充電的目的。圖31恒流恒壓電路圖圖32控制電路。圖中，將PWMCTL連接到bq2054的MOD輸出腳，便可用MOD輸出的脈沖信號控制三極管的導通和關閉，從而改變充電電流的大小。24 V電源是充電電路的外部輸入電源，可用來提供充電電流。GB+連接到充電電路的電池正極，其電壓就是充電電池的電壓，當電池電壓沒有達到設定電壓時，充電電路將以恒流方式對其進行充電。當電池電壓達到設定充電電壓后，充電電壓保持恒定不變，而充電電流逐漸減少，進入相應的恒壓充電階段。1）主充:當系統(tǒng)檢測到蓄電池虧電時,首先以恒流方式充電。主充時的充電電流一般采用0. 1C倍率(C為蓄電池的容量)。主充剛開始時,反電動勢E較小,電壓不需要很高電流就能達到穩(wěn)定值。隨著充電的繼續(xù),反電動勢不斷升高,電壓也需要不斷升高。當電池電壓升至214V/單體時,就不能再升了,這時需要進行限壓充電(恒流限壓)。充電進入浮充階段。圖33主程序圖2) 浮充:浮充階段是低電壓小電流充電,以補充蓄電池的自然放電。以恒流方式充電到限壓點時,只能充進約80%的容量,此后采用浮充方式進行補充電。浮充時,須將充電電壓穩(wěn)定在蓄電池的額定電壓附近(比主充最高電壓要低)。因而,充電電流與主充電流相比很小,但是由于工作情況的復雜性,浮充時也有電流較高的可能(如電池的嚴重虧電、漏電、負荷過重等)。這時應該采用限流措施,保持電流不超過某一設定值而使電壓降低,待電流降低、電壓升起后再穩(wěn)壓,這就是恒壓限流。浮充電壓的選擇一般為2. 25V/單體。當蓄電池溫度達到某一限定值時,規(guī)定的最高溫度值相對過高(45℃) ,這樣容易造成過充電,容易損傷電池。為了避免損傷電池,又常采用溫升控制法,即當溫升達到一定值時,充電裝置便自動轉(zhuǎn)入浮充電模式。充電采用溫度控制和最高電壓控制相結(jié)合的綜合控制技術來對電池的狀態(tài)進行檢測,以達到良好的控制。 本系統(tǒng)軟件設計是在IAREmbeddedWorkbenchKick2Start forMSP430V3開發(fā)環(huán)境下完成的,程序用標準C語言編寫,采用模塊化程序設計方法。整個充電系統(tǒng)的主程序框圖如圖25所示。開機后進行系統(tǒng)初始化,LCD,模數(shù)轉(zhuǎn)換、定時器初始化,并掃描鍵盤設定充電參數(shù),開放中斷,充電開始。單片機內(nèi)部AD啟動信號采用定時器A的TA. OUT1, TACCR1工作在輸出模式4。AD轉(zhuǎn)換總共有3路,分別為電流采樣、電壓采樣和溫度采樣。這些采樣值主要用于電路保護、充電階段轉(zhuǎn)換以及液晶屏上充電參數(shù)的顯示。AD完成中斷發(fā)生,則執(zhí)行AD的中斷服務程序,對轉(zhuǎn)換值進行處理。根據(jù)檢測到的電流、電壓值,結(jié)合當前充電方式,對控制主電路開關器件的PWM的占空比進行PID調(diào)節(jié),得到合適的PWM信號。同時各充電狀態(tài)參數(shù),通過LCD顯示給用戶。1. 數(shù)據(jù)測量 在單片機的測量中,電池電壓值和電流測量值經(jīng)過多路選擇器進行選擇,然后通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為16進制數(shù),直接存入單片機。電池電容量C則需要間接計算,由于每個循環(huán)周期檢測電流一次,故可以利用電流值的積分求出電容量C?？紤]電池內(nèi)阻r的影響,可以得到計算電容量的計算公式為: Cn+1=Cn+ItI2rt充電時間和剩余充電時間由上位機進行計算,剩余充電間等于預設的充電時間與已充電時間的差值。其中,預設時間可根據(jù)電池的型號預先得到。 對于不同的電池和不同的參數(shù),單片機需要設定不同的充電參數(shù),選擇不同的充電策略。另外,程序需要在電池過電流、過電壓等異常情況下強制終止充電。以鋰離子電池為例,一般采用恒流恒壓充電方式,其充電過程包括小電流預充電、大電流充電、恒壓充電等幾部分。 在控制恒定電流和恒定電壓的過程中,采用比例控制,即如果充電電流I大于設定電流Is,就按照比例減小脈寬。反之按照比例增大脈寬。單片機還需要接收和處理上位機的命令,并根據(jù)上位機的要求將數(shù)據(jù)實時回送給上位機。兩者的通訊協(xié)議要在程序中預先設定。 上位機程序由VisualC++編寫。其任務是每隔1秒鐘向串口發(fā)送一個查詢命令,并讀取單片機回送的信息,提取充電電流、充電電壓、工作狀態(tài)等參數(shù)。參數(shù)經(jīng)過數(shù)制轉(zhuǎn)換和計算后進行顯示。軟件有著良好的用戶界面,可以方便地觀測電池目前的工作狀態(tài)以及剩余充電時間等信息。上位機程序會同時把讀到的數(shù)據(jù)存儲到文件中,這些數(shù)據(jù)可以利用其它數(shù)學軟件(如Matlab)進行處理。另外,程序在初始化時要把充電電池的型號參數(shù)發(fā)送給智能充電器,參數(shù)一般包括充電電池的種類(鋰離子電池、鎳鎘電池)、充電電池的容量(單位為mAh)等。根據(jù)不同的電池型號,單片機可以設定不同的充電參數(shù),程序可以直接控制單片機的運行與停止。 程序開始執(zhí)行后，首先進行初始化并檢測電池電壓、電流、溫度等信息是否正常。如正常則進入下一步，否則報警并關閉電路。如果電池電壓在充電終止電壓和放電終止電壓之間，說明電池既可充電也可放電。此時電路將判斷接上充電機還是接上負載，以進行相應的充電和放電。如果兩者都沒有接，則循環(huán)檢測過程。若電池電壓已經(jīng)到達充電終止電壓，則等待負載的接入進行放電；同樣若電池電壓己經(jīng)達到放電終止電壓，則等待充電機的接入以進行充電。在整個過程中，該電路將始終實時檢測電池信息，若有異常情況發(fā)生，則立即利用中斷信號終止正在進行的充電或者放電過程，關斷充放電回路，同時進行報警并提示報警原因。在開始充電時，對系統(tǒng)進行初始化，其中包括圖) 中!$%amp。’() 單片機各個端口初始化、堆棧指針初始化、寄存器初始化、中斷設定和根據(jù)不同的電池類型設定它所能夠承受的最大電壓!45，標準的容量值45及對電壓、電流采樣的時間間隔。為了使測定結(jié)果更精確，采樣頻率要盡量高。系統(tǒng)初始化后開定時器中斷服務程序，由于程序中利用了定時中斷，使得定時控制很方便。電池的端電壓檢測硬件上使用單片機的片上高精度!8 *模塊，軟件控制采用中斷方式，這樣可節(jié)省單片機在!8 * 轉(zhuǎn)換期間的等待時間。端電壓檢測的數(shù)據(jù)，通過充電算法計算電池的電壓負增長D!! 是否滿足快速充電終止條件，及時修改單片機的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。針對上述的+ 種充電模式，設計了相應的程序模塊：鎳氫8鎳鎘電池充電控制模塊；鋰離子電池充電控制模塊；自適應充電控制模塊以及錯誤監(jiān)控處理模塊。主程序模塊根據(jù)系統(tǒng)相應的狀態(tài)條件控制并調(diào)用相應的模塊。同時，其他各模塊之間也根據(jù)系統(tǒng)當前狀態(tài)相互調(diào)用。在初始化程序模塊中，設置了預處理功能，主要是設置!8 * 轉(zhuǎn)換參數(shù)和通道，檢測電池的端電壓。將檢測數(shù)據(jù)同理論經(jīng)驗值比較，判斷電池的類別以及是否連接正確。對端電壓低的電池，采用短時間的脈動電流充電，這樣有利于激活電池內(nèi)的化學反應物質(zhì)，部分恢復受損的電池單元。對端電壓在標稱范圍內(nèi)的電池選擇相應的充電控制模塊和算法，對端電壓不在標稱范圍內(nèi)的電池，軟件自動將其剔除。 1．預充把電池放在充電器上，接通輸入直流電源，當充電器檢測到電池時將定時器復位，單片機輸入高電平，充電芯片啟動，之后就進入了預充過程，在這個過程中充電器以快速充電流的1/10給電池充電，來令電池的電壓和溫度恢復到正常狀態(tài)。預充時間由外接電容CCT確定(100nF時為45分鐘)，并且電池溫度正常，則充電進入快充過程；如果超過預充時間后，則此電池不可充電，充電器顯示電池故障，LED指示燈閃爍。程序開始執(zhí)行后，首先進行初始化并檢測電池電壓、電流、溫度等信息是否正常。如正常則進入下一步，否則報警并關閉電路。如果電池電壓在充電終止電壓和放電終止電壓之間，說明電池既可充電也可放電。此時電路將判斷接上充電機還是接上負載，以進行相應的充電和放電。如果兩者都沒有接，則循環(huán)檢測過程。若電池電壓已經(jīng)到達充電終止電壓，則等待負載的接入進行放電；同樣若電池電壓己經(jīng)達到放電終止電壓，則等待充電機的接入以進行充電。在整個過程中，該電路將始終實時檢測電池信息，若有異常情況發(fā)生，則立即利用中斷信號終止正在進行的充電或者放電過程，關斷充放電回路，同時進行報警并提示報警原因。2．快充快充過程也稱為恒流充電，此時充電器以恒定電流對電池充電。根據(jù)電池廠商推薦的充電速率，一般鋰離子電池大多選用標準充電速率，充滿電池一般需要一個小時左右（也就是快速充電的時間）。剛開始是恒流充電，電壓會以很大的斜率升高，當電池電壓升高到規(guī)定的電壓的時候，就開始恒壓充電，充電電流會迅速降低，這就進入了慢充狀態(tài)。整個系統(tǒng)控制為雙閉環(huán)控制，外環(huán)為輸出電壓環(huán)，保證輸出直流電壓恒定。內(nèi)環(huán)為輸出電流環(huán)，其給定為電壓調(diào)節(jié)器的輸出，同時具有限流的功能。如果為電流控制充電方式，則使電壓環(huán)飽和并退出控制，整個控制電路中僅電流環(huán)起作用，目的是保證充電器能根據(jù)蓄電池在任意環(huán)境溫度下，能夠接受的安全電流，對電池進行充電。當蓄電池充足電后，充電器工作在恒壓充電方式時，以對蓄電池提供很小的均衡電流。當充 電 器 工作在放電工作方式時，電壓調(diào)節(jié)器總是處于飽和狀態(tài)，此時僅電流環(huán)在工作，其實質(zhì)為電流控制環(huán)。電流調(diào)節(jié)器工作，使電感電流等于設定值，由于放電時電感電流方向與充電時相反，所以電流檢測信號應先經(jīng)絕對值電路進行極性變換。3．慢充慢充也叫滿充。所謂的慢充，即在快充結(jié)束后，電壓達到我們設定的那個值時（用戶設定的預設值時），充電電壓不會發(fā)生變化，亦即恒壓充電，此后，電流就會以較大的斜率下降，當下降到設定值以下，就會進入頂端截止充電。頂端充電的實質(zhì)就是充電器以很小很小的電流對電池補充能量。因為充電器的電壓檢測器在檢測電壓的過程中，會通過電池的內(nèi)阻，雖然在慢充和頂端截止充電的時候，電流會慢慢下降，這樣降低了電池內(nèi)阻呵其他串聯(lián)電阻對電池端電壓的影響，但是串聯(lián)在充電回路的電阻行程的壓降還會對電壓的檢測有影響。一般情況下，滿充和頂端截止充電可以延長電池5％～10％的使用時間。4． 斷電當電池充滿后，MSP430芯片的2號管腳發(fā)送的脈沖電平會由低變高，這就會被單片機檢測到，就引起單片機的中斷，在中斷過程中，如果判斷出充電完畢，切斷LM7805向MSP430的供電，從而保證芯片和電池的安全，同時也減小功耗。同樣當電池因為短路或斷路不可充電時，也會由單片機充電控制器停止充電并顯示電池故障。并經(jīng)過轉(zhuǎn)換判斷電池的充放電狀態(tài)后，可對電池