電動自行車蓄電池充電過程智能控制的解決方案

    近幾年隨著城鎮規模的擴大，交通越來越擁擠，機動車燃油所排放的尾氣也成為造成大氣污染的主要原因之一。而電動自行車因其輕巧、安全、省力并有益于環保等優點，成為理想的交通工具。

    目前電動自行車所用的電池的鉛酸蓄電池是目前世界上廣泛使用的一種化學電源，該產品由于具有良好的可逆性，電壓特性平穩，使用壽命長，適用范圍廣，原材料豐富及造價低廉等優點而得到了廣泛的使用。但是由于普通的蓄電池充電方法不合理，其壽命大大縮短。現在很多普通的蓄電池使用壽命只有3～5年，遠遠低于設計指標10～15年的要求。研究發現：電池充電過程對電池壽命影響較大，也就是說，絕大多數的電池不是用壞的，而是充壞的。由此可見，一個性能良好的充電器對電池的使用壽命具有舉足輕重的作用，同時也降低了電動自行車用戶的經濟投入。

    由于單片機具有良好的控制功能，并且價格低廉，在鉛酸蓄電池的設計中應用單片機作為控制元件可實現對蓄電池充電過程的智能控制，使其達到最佳的充電效果。

    1 充電器的電路結構

    充電器的電路結構如圖1所示，其中市電接入電路、高頻變換電路、3842穩壓電路和次級整流濾波電路4部分構成了高頻開關充電電源。單片機控制電路、采樣電路和充電輸出電路組成輸出控制電路。

    1.1 高頻開關充電電源

    市電接入電路通過RS508型單相橋式集成整流電路將220 V的交流電轉換為300 V的直流電。高頻變換電路主要由高頻變壓器T和MOSFET管組成，本文采用的是單端反激式電路。單端反激變換器很重要的特色就是變壓器充當了電感，即在原邊開關(MOSFET管)導通時變壓器儲能，開關截止時變壓器將能量釋放到副邊。高頻變壓器T有3個副邊繞組和1個反饋繞組。副邊繞組1的輸出為光藕(TLP250)提供15 V電源，副邊繞組2的輸出為單片機提供5 V電源，副邊繞組3的輸出構成充電主回路，反饋繞組的輸出則為3842提供電源。而3842就是通過調整輸出PWM波形的脈寬，從而調整MOSFET管導通和截止的時間對高頻變換電路的輸出進行穩壓的。充電主回路經過LC-π型濾波后輸出很純凈的直流。

    1.2 PIC16C73B單片機的控制策略

    PIC16C73B是充電電路中的控制部件，他主要用來實現充電狀態的轉換、溫度補償的控制、停充控制和輸出驅動波形。他是Microchip公司生產的一款基于EPROM的8位高性能微控制器。與其他價格相當的微控制器相比，他在執行速度和代碼壓縮方面都有很大的改進。由于隨時可以買到需要的OPT(一次性編程)產品，因而縮短了利用PIC16C73進行產品設計開發的周期。PIC16C73微控制器所具有的優越性能主要歸功于他的精簡指令集(RISC)和所采用的哈佛(Harvard)結構，他可運用兩級流水線指令進行取數和執行，除了跳轉指令需要2個周期外，其余所有的指令都可在單周期內執行。

    1.2.1 狀態轉換的控制

    當電池進行充電時，電池電壓采樣電路立刻對電池的端電壓進行循環的掃描，將采樣得到的端電壓信號送人到PIC16C73B的一路AD口進行轉換，單片機根據電池當前的狀態決定采用何種方式對電池充電。控制過程框圖如圖2所示。

    1.2.2 溫度補償的控制

    充電過程中，電池內的再化合反應產生大量的熱，由于蓄電池的密封結構使熱量不易散出，導致蓄電池溫度升高，電解液干涸，造成電池的熱失控。而且若沒有溫度補償，可能導致電池充電不足或過充，而縮短了電池的使用壽命。電池溫度采樣電路采集到當前的電池溫度，利用PIC16C73B單片機進行A/D轉換，并進行溫度補償。啟動溫度補償功能之后，充電電壓可根據以下方程式進行修正：

    Vtc=Vn-TcN(T-20)

    式中，Vtc為經溫度補償后的電壓Vn為未經補償的電影;Tc為溫度補償系數，mV/℃，補償系數一般為-2～4 mV/℃;N為每組蓄電池的數值;T為溫度傳感器采集的溫度。

    1.2.3 停充控制

    蓄電池溫度控制在正常充電時，電池的溫度變化并不明顯，但是，當電池過充時，其內部氣體壓力將迅速增大，負極板上氧化反映使內部發熱，溫度迅速上升(每分鐘可以高幾個攝氏度)。所以PIC16C73B單片機可以根據電池的溫度變化值判斷電池是否充滿，從而發出停充控制信號。

                                   停充控制框圖如圖3所示。

    1.2.4 驅動波形的輸出

    利用PIC16C73B單片機輸出頻率為120 Hz、占空比為0.8的矩形波，此矩形波在經過光藕的放大后直接驅動MOS管(RPF540)，給電池充電。

    2 充電器性能試驗與測試

                          充電試驗得到如圖4所示的充電波形。

    充電脈沖能充分地還原電池中的浯性物質，使蓄電池電量能快速充滿，間歇期使蓄電池有較充分的反應時間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。多次試驗結果表明電池一般在5～6 h即可充滿。

    3 結 語

    以高頻開關充電電源為充電器電路的硬件基礎，PIC16C73B單片機為控制部件，能準確地對電池進行狀態監測、充電控制、停充控制、溫度補償控制。依據充電波形知電流在充電過程中慢慢減小，非常近似于美國科學家馬斯提出的最佳充電的充電曲線，提高了蓄電池充電接受率，有效地延長了電池的使用壽命。