鉅大LARGE | 點擊量：489次 | 2021年12月23日
基于MC9S12XS128的蓄電池多功能充電系統設計
引言
由于石油危機和日益嚴重的環境污染，電動汽車發展已經是大勢所趨。蓄電池為電動汽車供應動力，而蓄電池充電性能直接影響蓄電池的使用和壽命，蓄電池一般分為蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。由于蓄電池種類繁多且容量不一，不同種類和容量的蓄電池往往要不同的充電器匹配，假如蓄電池的充電器匹配不好會出現過充過熱等不安全現象，從而影響蓄電池的正常使用并縮短蓄電池壽命。因此，設計一款基于單片機控制的能為各類蓄電池充電的多功能充電系統是十分必要的。多功能充電系統能快速穩定地為不同類型和不同容量的蓄電池充電，我們在軟件上針對不同類型的蓄電池設計了相應的充電方法，使每種蓄電池都能在最佳充電方法下充電。關于不同容量的蓄電池，在選擇好充電方法時只要設定充電參數即可快速穩定地為蓄電池充電。
1硬件電路設計
本系統采用移相全橋軟開關電路，即將Boost電路與全橋變換器合成一起組成單級pFC電路，該電路結構簡單、效率高，可以實現對輸入電流的整定，又可以工作在較大功率場合，發揮了全橋電路的優勢。
系統重要由充電主電路和充電控制回路組成，圖1為多功能充電系統硬件原理圖。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1.1系統工作原理
本設計采用了開關電源技術，最大功率為3500W，先將220V單相工頻交流電，經4個二極管組成全橋電路進行整流，再經過大電容濾波得到300V左右的直流電，此時直流電中紋波較大。直流電通過由4個絕緣柵雙極晶體管（IGBT）組成的全橋逆變器，得到電壓可調的高頻交流電，經高頻變壓器耦合到副邊，再經全橋整流，最后經電感電容濾波得到紋波很小的直流電為蓄電池充電。多功能充電系統能為不同類型的蓄電池及容量不同的蓄電池充電，其充電過程中的充電電壓、電流通過單片機實時控制，整個充電系統為反饋控制系統，單片機通過實時檢測充電過程中的電流、電壓及溫度監測整個充電過程，有效地防止了充電過程中過流、過壓及過熱現象，使充電過程安全穩定地進行。
逆變橋前的空氣開關是為了防止電路中出現短路或大電流損壞蓄電池或電子器件。單片機通過檢測充電電流、電壓及溫度與充電前的設定值進行比較，控制輸出4路pWM波到4個IGBT的柵極，從而控制其集電極到發射極電流通斷時間，達到控制輸出電壓的目的。
由于IGBT需隔離驅動，本設計選用了三菱公司IBGT專用驅動芯片M57962L，圖2是其應用電路。
由于選用了4只IGBT組成全橋逆變器，每個IGBT要一個M57962L芯片驅動，而每個M57662L芯片要3個電壓等級即15V、l0V、5v為其供電，其中5v電壓同時為MC9S12XS128單片機供電，本文設計了一款功率為50W的變壓器，為單片機及4個M57962L芯片供電，其次級繞組輸出3組電壓，經整流濾波穩壓后，得到上述所需的3個電壓。
1.2充電控制回路
選用飛思卡爾MC9S12XS128單片機作為控制核心進行數據采集和控制，其內部數據存儲器8KB、程序存儲器128KB，2個SCI、1個SpI、1個IIC、1個CAN、16路A/D、8路pWM、8路ECT模塊，其工作頻率為80MHz，運算速度快，處理能力大大提高。該芯片集成了l6路l2位高精度的A/D轉換器，能直接對蓄電池的充電電壓、電流及溫度進行檢測，8路pWM可直接輸出到M57962L芯片控制IGBT的通斷，簡化了單片機外圍電路的設計。
1.2.1電壓檢測
本系統選用電阻分壓式結構，并聯在充電電路中監測電壓信號，電壓信號從pAD0口經單片機自帶A/D轉換器傳至單片機進行處理，這種結構能根據外面的實際電壓自動選用相應的量程檢測電壓，使電壓越小時，檢測到的電壓精度越高，有助于更精確地控制充電過程中的充電電壓的變化。
1.2.2電流檢測
本系統選用霍爾式電流傳感器檢測充電電流信號，并將檢測到的電流信號經過一定的換算處理從pAD1口經單片機自帶的A/D轉換器傳至單片機進行處理，該傳感器精度高，能精確的檢測到充電電流0.1A的變化。[page]
1.2.3溫度檢測
本系統選用熱敏電阻檢測充電過程中電池溫度信號，實際應用時將熱敏電阻貼在電池上檢測電池溫度，該熱敏電阻能準確檢測到充電過程中電池溫度的變化量，溫度信號經pAD2口傳至單片機進行處理，防止充電過程中電池過熱，使充電過程能平穩、安全的進行。
1.2.4液晶顯示模塊
本系統選用帶中文字庫的12864液晶屏，液晶屏模塊與單片機的pA、pB口相連。
能實時顯示充電過程中的充電電壓、充電電流以及電池的端電壓和溫度，并在空閑時能顯示日歷、4路pWM波的占空比等。
1.2.5按鍵輸入
選用4x4矩陣鍵盤。通過按鍵可切換到蓄電池充電方法選擇、充電參數設定、日歷調整、4路pWM波的占空比顯示及充電電壓、充電電流、電池的端電壓和溫度顯示等界面。
1.2.6pWM輸出
pWM的輸出頻率由一個按時器/計數器設定的高頻交流電交變周期決定，本系統pWM波形選用左對齊的方式，每路pWM的占空比：［（pWMpERx-pWMDTYx）/pWMpERx］×100%，其中pWMpERx表示pWM通道寄存器，pWMDTYx表示pWM通道占空比寄存器。
2軟件設計
多功能充電系統的系統軟件用C語言編寫，經過匯編、仿真調試寫入單片機的內部程序存儲器中，實現系統軟件的結構層次化、功能模塊化，軟件的可讀性、可維護性和可擴展性強。
多功能充電系統針對不同類型的蓄電池，設計了相應的充電方法，軟件重要由初始化、充電前電池好壞檢測、充電階段和充電保護等部分組成。
本系統重要應用磷酸鐵鋰進行試驗，其充電階段由小電流充電階段、恒流充電階段、恒壓充電階段3部分組成，其程序流程圖如圖3所示。
充電階段：電池檢測程序完成后，開始對電池進行小電流充電，充電速率約為1/5C左右；當小電流充電至電池電壓達到參考值時，系統進入恒流充電階段，此階段為蓄電池的快速充電階段，充電速率為1-2C;當充電電壓達到設定的電池的最大充電電壓時，系統進入恒壓充電階段，隨著電池電壓逐漸上升，充電電流逐漸減小；當充電電流減d，N設定參考值時，系統判斷蓄電池充足停止充電。
充電保護部分：充電過程中不斷監測電池電壓是否超過安全值、溫度或溫度變化率是否達到限定值，如有上述情況立即終止充電。檢測電池電壓是為了防止鋰離子電池和蓄電池過充，檢測溫度和溫度變化率是否達到限定值，是為了防止鎳氫和鎳鎘電池過充。
上述充電階段是針對鋰離子電池設計的，實際中重要用磷酸鐵鋰離子電池組進行實驗，關于其它類型蓄電池，在軟件上設定了相應的充電方法：蓄電池充電階段同鋰離子電池，即先小電流預充，再恒流充電、最后恒壓充電，當恒壓充電電流小到一定程度時，系統判斷電池充足并停止充電；鎳鎘電池，先小電流預充，再快速恒流充電，當檢測到電池電壓第一次下降時，系統判斷電池充足并停止充電；鎳氫電池，先小電流預充，再快速恒流充電，當電池電壓出現零上升時，判斷電池充足并停止充電。
蓄電池和鋰離子電池自放電率低，電池充滿后可直接停止充電，鎳氫和鎳鎘電自放電率高，如夜間無人看守充電時，可在電池充足后采用涓流充電方式給電池補充電荷，使蓄電池保持充足電狀態。
3結語
實驗結果表明，所設計的多功能充電系統能正常工作，輸出的直流電壓平穩、紋波小，充電過程控制精度高，能快速穩定地為各類蓄電池充電，并在蓄電池充滿電后及時停止充電，有實際應用推廣價值。
