【正文】 保護(hù)電路。一部分的充電器不但能在很短時(shí)間內(nèi)將電量充足，而且還可以對(duì)電池起到一定的維護(hù)作用，修復(fù)由于使用不當(dāng)造成的記憶效應(yīng)，即容量下降（電池活性衰退）現(xiàn)象。設(shè)計(jì)比較科學(xué)的充電器往往采用專用充電控制芯片配合單片機(jī)控制的方式。專用的充電芯片具有業(yè)界公認(rèn)較好的△v檢測(cè)，可以檢測(cè)出電池充電飽和時(shí)發(fā)出的電壓變化信號(hào)，比較精確地結(jié)束充電工作，通過單片機(jī)對(duì)這些芯片的控制，可以實(shí)現(xiàn)充電過程的智能化，例如，在充電后增加及時(shí)關(guān)段電源、蜂鳴報(bào)警和液晶顯示等功能。充電器的智能化可以縮短充電的時(shí)間，同時(shí)能夠維護(hù)電池，延長(zhǎng)電池使用壽命。電池充電有恒壓、恒流兩種充電方式，事實(shí)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(duì)充電電壓和充電電流的要求不同，因此，實(shí)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(duì)電池進(jìn)行充電。為了保證電池的安全，當(dāng)電池電壓和溫度超過設(shè)定的極限值時(shí)，bq2054將禁止對(duì)電池進(jìn)行充電。而當(dāng)電池電壓小于低電壓閥值時(shí)，bq2054將用恒流方式進(jìn)行充電。MSP430外接P溝道場(chǎng)效應(yīng)管和限流型充電電源，可以對(duì)鋰離子電池進(jìn)行快速、有效、安全的充電。這種連接方式有個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)：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(jìn)行預(yù)充電，同時(shí)具有溫度、過壓保護(hù)的功能，最長(zhǎng)的充電時(shí)間的限制可以對(duì)鋰離子電池進(jìn)行二次保護(hù)。MSP430集成度高，內(nèi)部有很多電路：主控制器、定時(shí)器、輸入電流調(diào)節(jié)器、電壓檢測(cè)器、充電電流檢測(cè)器、溫度檢測(cè)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(fù)載電流）。充電電流檢測(cè)器如果檢測(cè)到輸入電流大于設(shè)定的閾值電流時(shí)，可以進(jìn)行反饋，使輸入電流調(diào)節(jié)器降低充電電流，這樣就會(huì)控制輸入電流。這是因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)工作的時(shí)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(cè)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(fù)載電流之和，這就會(huì)是電源體積增大、成本增加。正因?yàn)橛羞@個(gè)功能，就會(huì)使充電器降低了對(duì)電源要求，與此同時(shí)，也大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電源的過程。 充電控制器采用數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)，它具有處理性能好(30MIPS)，外設(shè)集成度高，程序存儲(chǔ)器大，A／D轉(zhuǎn)換速度快等特點(diǎn)【401。DSP采用程序和數(shù)據(jù)分離的哈佛結(jié)構(gòu)，流水線操作，具有專門的硬件乘法器，可以用來快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。它內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器，串行通信接口，串行外設(shè)接口，符合CAN2．0B規(guī)范的CAN通信模塊。最重要的是兩個(gè)功能強(qiáng)大的事件管理器模塊，它們包括通用定時(shí)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(yīng)用于電力電子各領(lǐng)域。不可屏蔽中斷的中斷向量為0xFFFC。響應(yīng)不可屏蔽中斷時(shí)，硬件自動(dòng)將OFIE、NMIE、ACCVIE復(fù)位。軟件首先判斷中斷源并復(fù)位中斷標(biāo)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(yīng)中斷。需要特別注意點(diǎn)：置位OFIE、NMIE、ACCVIE后，必須立即退出中斷相應(yīng)程序，否則會(huì)再次觸發(fā)中斷，導(dǎo)致中斷嵌套，從而導(dǎo)致堆棧溢出，致使程序執(zhí)行結(jié)果的無法預(yù)料。中斷是MSP430微處理器的一大特色，有效地利用中斷可以簡(jiǎn)化程序和提高執(zhí)行效率。MSP430的幾乎每個(gè)外圍模塊都能夠產(chǎn)生中斷，為MSP430針對(duì)事件（即外圍模塊產(chǎn)生的中斷）進(jìn)行的編程打下基礎(chǔ)。MSP430在沒有事件發(fā)生時(shí)進(jìn)入低功耗模式，事件發(fā)生時(shí)，通過中斷喚醒CPU，事件處理完畢后，CPU再次進(jìn)入低功耗狀態(tài)。由于CPU的運(yùn)算速度和退出低功耗的速度很快，所以在應(yīng)用中，CPU大部分時(shí)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(fù)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(jìn)行通信，以確定電位器的阻值，并改變電池電壓分配網(wǎng)絡(luò)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(duì)電池的充電電壓，最終達(dá)到對(duì)電池進(jìn)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(hào)控制三極管的導(dǎo)通和關(guān)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(dāng)電池電壓沒有達(dá)到設(shè)定電壓時(shí)，充電電路將以恒流方式對(duì)其進(jìn)行充電。當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)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(jìn)入相應(yīng)的恒壓充電階段。1）主充:當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到蓄電池虧電時(shí),首先以恒流方式充電。主充時(shí)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(shí),反電動(dòng)勢(shì)E較小,電壓不需要很高電流就能達(dá)到穩(wěn)定值。隨著充電的繼續(xù),反電動(dòng)勢(shì)不斷升高,電壓也需要不斷升高。當(dāng)電池電壓升至214V/單體時(shí),就不能再升了,這時(shí)需要進(jìn)行限壓充電(恒流限壓)。充電進(jìn)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(bǔ)充蓄電池的自然放電。以恒流方式充電到限壓點(diǎn)時(shí),只能充進(jìn)約80%的容量,此后采用浮充方式進(jìn)行補(bǔ)充電。浮充時(shí),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(fù)雜性,浮充時(shí)也有電流較高的可能(如電池的嚴(yán)重虧電、漏電、負(fù)荷過重等)。這時(shí)應(yīng)該采用限流措施,保持電流不超過某一設(shè)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(dāng)蓄電池溫度達(dá)到某一限定值時(shí),規(guī)定的最高溫度值相對(duì)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(dāng)溫升達(dá)到一定值時(shí),充電裝置便自動(dòng)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(shù)來對(duì)電池的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),以達(dá)到良好的控制。 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在IAREmbeddedWorkbenchKick2Start forMSP430V3開發(fā)環(huán)境下完成的,程序用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫,采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法。整個(gè)充電系統(tǒng)的主程序框圖如圖25所示。開機(jī)后進(jìn)行系統(tǒng)初始化,LCD,模數(shù)轉(zhuǎn)換、定時(shí)器初始化,并掃描鍵盤設(shè)定充電參數(shù),開放中斷,充電開始。單片機(jī)內(nèi)部AD啟動(dòng)信號(hào)采用定時(shí)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(hù)、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(wù)程序,對(duì)轉(zhuǎn)換值進(jìn)行處理。根據(jù)檢測(cè)到的電流、電壓值,結(jié)合當(dāng)前充電方式,對(duì)控制主電路開關(guān)器件的PWM的占空比進(jìn)行PID調(diào)節(jié),得到合適的PWM信號(hào)。同時(shí)各充電狀態(tài)參數(shù),通過LCD顯示給用戶。1. 數(shù)據(jù)測(cè)量 在單片機(jī)的測(cè)量中,電池電壓值和電流測(cè)量值經(jīng)過多路選擇器進(jìn)行選擇,然后通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制數(shù),直接存入單片機(jī)。電池電容量C則需要間接計(jì)算,由于每個(gè)循環(huán)周期檢測(cè)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(jì)算電容量的計(jì)算公式為: Cn+1=Cn+ItI2rt充電時(shí)間和剩余充電時(shí)間由上位機(jī)進(jìn)行計(jì)算,剩余充電間等于預(yù)設(shè)的充電時(shí)間與已充電時(shí)間的差值。其中,預(yù)設(shè)時(shí)間可根據(jù)電池的型號(hào)預(yù)先得到。 對(duì)于不同的電池和不同的參數(shù),單片機(jī)需要設(shè)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(qiáng)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(yù)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(shè)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(jī)還需要接收和處理上位機(jī)的命令,并根據(jù)上位機(jī)的要求將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回送給上位機(jī)。兩者的通訊協(xié)議要在程序中預(yù)先設(shè)定。 上位機(jī)程序由VisualC++編寫。其任務(wù)是每隔1秒鐘向串口發(fā)送一個(gè)查詢命令,并讀取單片機(jī)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(jì)算后進(jìn)行顯示。軟件有著良好的用戶界面,可以方便地觀測(cè)電池目前的工作狀態(tài)以及剩余充電時(shí)間等信息。上位機(jī)程序會(huì)同時(shí)把讀到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到文件中,這些數(shù)據(jù)可以利用其它數(shù)學(xué)軟件(如Matlab)進(jìn)行處理。另外,程序在初始化時(shí)要把充電電池的型號(hào)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(hào),單片機(jī)可以設(shè)定不同的充電參數(shù),程序可以直接控制單片機(jī)的運(yùn)行與停止。 程序開始執(zhí)行后，首先進(jìn)行初始化并檢測(cè)電池電壓、電流、溫度等信息是否正常。如正常則進(jìn)入下一步，否則報(bào)警并關(guān)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(shí)電路將判斷接上充電機(jī)還是接上負(fù)載，以進(jìn)行相應(yīng)的充電和放電。如果兩者都沒有接，則循環(huán)檢測(cè)過程。若電池電壓已經(jīng)到達(dá)充電終止電壓，則等待負(fù)載的接入進(jìn)行放電；同樣若電池電壓己經(jīng)達(dá)到放電終止電壓，則等待充電機(jī)的接入以進(jìn)行充電。在整個(gè)過程中，該電路將始終實(shí)時(shí)檢測(cè)電池信息，若有異常情況發(fā)生，則立即利用中斷信號(hào)終止正在進(jìn)行的充電或者放電過程，關(guān)斷充放電回路，同時(shí)進(jìn)行報(bào)警并提示報(bào)警原因。在開始充電時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其中包括圖) 中!$%amp?！?) 單片機(jī)各個(gè)端口初始化、堆棧指針初始化、寄存器初始化、中斷設(shè)定和根據(jù)不同的電池類型設(shè)定它所能夠承受的最大電壓!45，標(biāo)準(zhǔn)的容量值45及對(duì)電壓、電流采樣的時(shí)間間隔。為了使測(cè)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(shí)器中斷服務(wù)程序，由于程序中利用了定時(shí)中斷，使得定時(shí)控制很方便。電池的端電壓檢測(cè)硬件上使用單片機(jī)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(jī)在!8 * 轉(zhuǎn)換期間的等待時(shí)間。端電壓檢測(cè)的數(shù)據(jù)，通過充電算法計(jì)算電池的電壓負(fù)增長(zhǎng)D!! 是否滿足快速充電終止條件，及時(shí)修改單片機(jī)的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。針對(duì)上述的+ 種充電模式，設(shè)計(jì)了相應(yīng)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(yīng)充電控制模塊以及錯(cuò)誤監(jiān)控處理模塊。主程序模塊根據(jù)系統(tǒng)相應(yīng)的狀態(tài)條件控制并調(diào)用相應(yīng)的模塊。同時(shí)，其他各模塊之間也根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)相互調(diào)用。在初始化程序模塊中，設(shè)置了預(yù)處理功能，主要是設(shè)置!8 * 轉(zhuǎn)換參數(shù)和通道，檢測(cè)電池的端電壓。將檢測(cè)數(shù)據(jù)同理論經(jīng)驗(yàn)值比較，判斷電池的類別以及是否連接正確。對(duì)端電壓低的電池，采用短時(shí)間的脈動(dòng)電流充電，這樣有利于激活電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)，部分恢復(fù)受損的電池單元。對(duì)端電壓在標(biāo)稱范圍內(nèi)的電池選擇相應(yīng)的充電控制模塊和算法，對(duì)端電壓不在標(biāo)稱范圍內(nèi)的電池，軟件自動(dòng)將其剔除。 1．預(yù)充把電池放在充電器上，接通輸入直流電源，當(dāng)充電器檢測(cè)到電池時(shí)將定時(shí)器復(fù)位，單片機(jī)輸入高電平，充電芯片啟動(dòng)，之后就進(jìn)入了預(yù)充過程，在這個(gè)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(fù)到正常狀態(tài)。預(yù)充時(shí)間由外接電容CCT確定(100nF時(shí)為45分鐘)，并且電池溫度正常，則充電進(jìn)入快充過程；如果超過預(yù)充時(shí)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(jìn)行初始化并檢測(cè)電池電壓、電流、溫度等信息是否正常。如正常則進(jìn)入下一步，否則報(bào)警并關(guān)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(shí)電路將判斷接上充電機(jī)還是接上負(fù)載，以進(jìn)行相應(yīng)的充電和放電。如果兩者都沒有接，則循環(huán)檢測(cè)過程。若電池電壓已經(jīng)到達(dá)充電終止電壓，則等待負(fù)載的接入進(jìn)行放電；同樣若電池電壓己經(jīng)達(dá)到放電終止電壓，則等待充電機(jī)的接入以進(jìn)行充電。在整個(gè)過程中，該電路將始終實(shí)時(shí)檢測(cè)電池信息，若有異常情況發(fā)生，則立即利用中斷信號(hào)終止正在進(jìn)行的充電或者放電過程，關(guān)斷充放電回路，同時(shí)進(jìn)行報(bào)警并提示報(bào)警原因。2．快充快充過程也稱為恒流充電，此時(shí)充電器以恒定電流對(duì)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(biāo)準(zhǔn)充電速率，充滿電池一般需要一個(gè)小時(shí)左右（也就是快速充電的時(shí)間）。剛開始是恒流充電，電壓會(huì)以很大的斜率升高，當(dāng)電池電壓升高到規(guī)定的電壓的時(shí)候，就開始恒壓充電，充電電流會(huì)迅速降低，這就進(jìn)入了慢充狀態(tài)。整個(gè)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(shí)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(gè)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(duì)電池進(jìn)行充電。當(dāng)蓄電池充足電后，充電器工作在恒壓充電方式時(shí)，以對(duì)蓄電池提供很小的均衡電流。當(dāng)充 電 器 工作在放電工作方式時(shí)，電壓調(diào)節(jié)器總是處于飽和狀態(tài)，此時(shí)僅電流環(huán)在工作，其實(shí)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(shè)定值，由于放電時(shí)電感電流方向與充電時(shí)相反，所以電流檢測(cè)信號(hào)應(yīng)先經(jīng)絕對(duì)值電路進(jìn)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(dá)到我們?cè)O(shè)定的那個(gè)值時(shí)（用戶設(shè)定的預(yù)設(shè)值時(shí)），充電電壓不會(huì)發(fā)生變化，亦即恒壓充電，此后，電流就會(huì)以較大的斜率下降，當(dāng)下降到設(shè)定值以下，就會(huì)進(jìn)入頂端截止充電。頂端充電的實(shí)質(zhì)就是充電器以很小很小的電流對(duì)電池補(bǔ)充能量。因?yàn)槌潆娖鞯碾妷簷z測(cè)器在檢測(cè)電壓的過程中，會(huì)通過電池的內(nèi)阻，雖然在慢充和頂端截止充電的時(shí)候，電流會(huì)慢慢下降，這樣降低了電池內(nèi)阻呵其他串聯(lián)電阻對(duì)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(huì)對(duì)電壓的檢測(cè)有影響。一般情況下，滿充和頂端截止充電可以延長(zhǎng)電池5％～10％的使用時(shí)間。4． 斷電當(dāng)電池充滿后，MSP430芯片的2號(hào)管腳發(fā)送的脈沖電平會(huì)由低變高，這就會(huì)被單片機(jī)檢測(cè)到，就引起單片機(jī)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(shí)也減小功耗。同樣當(dāng)電池因?yàn)槎搪坊驍嗦凡豢沙潆姇r(shí)，也會(huì)由單片機(jī)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(duì)電池