基于单片机的电动汽车电池智能快速充电器的设计

    1 引言
    电池是电动汽车的关键动力输出单位，在铅酸蓄电池，镍镉电池，镍氢电池，锂电池和燃料电池等几种常用电池中，因为具有能量比大、重量轻、温度特性好，污染低，记忆效果不明显等特点，铅酸蓄电池、镍氢电池在电动汽车中使用很普遍。然而由于充电方法的不正确.造成充电电池的使用寿命远远低于规定的寿命。也就是说很多电池不是被用坏的而是被充坏的，可见充电器的好坏对电池寿命有很大的影响。基于此。本文提出一种使用C805lF040单片机智能充电控制方案的智能充电器的设计，能有效的提高充电效率，延长电池的使用寿命。
    2 硬件设计
    2.1 系统框图

    图1电动汽车智能充电器系统框图

    该电动汽车智能充电器以c8051040F单片机为控制核心，主要包括AC/DC变换器、IGBT功率模块、高频变压器、整流滤波电路、单片机控制电路、脉冲调宽电路以及状态显示电路等。图1是其系统框图。
    该方案中开关电源的最大输出功率为2.6KW，交流输入范围为l70V-270V，充电器电路主要包括主充电电路和单片机控制电路两部分，整个电路的工作过程为：220v单相交流电经过全桥整流由电容进行滤波.得到约300v左右的直流电.经过由4只IGBT构成的逆变桥，得到高频交流电，经高频变压器耦合到副边.再经过整流管D6，D7整流。最后经过电感L3和电容C7滤波后得到稳定的直流输出。由于采用智能充电，根据不同的电池每个阶段充电电压和充电电流都不同。所以使用cygnal公司的C8051040F单片机作为充电过程控制设备，充电时单片机检测充电电池的充电电流，充电电压，电池温度，防止电路过压和过流。电池温度过高，还可以通过检测电池电压电流值来决定是否在切换到下一个的充电阶段。同时通过单片机给出每一阶段的充电的电压值或是电流值，与采样所得的对应电压电流值相比较。通过移相控制芯片uCC3895改变PWM值来改变功率管的导通时间.达到在不同电池不同阶段得到不同稳定的输出值的目的。
    2.2单片机控制电介绍
    充电控制电路采用C8051F040单片机进行数据采集和控制，该芯片是完全集成混合信号系统级芯片(soc).具有与805l指令集完全兼容的CIP-51内核。它在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件。这些外设或功能部件包括：ADC、可编程增益放大器、DAC、温度传感器、12C总线、UART、SPI、定时器、可编程计数器、定时器阵列等。C805lF040单片机采用流水线结构，机器周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值性能可达到25MIPS。内置64K字节的Flash程序存储器和256B的内部RAM及4KB位于外部数据存储器空间的XRAM。C805lF040具有片内JTAG调试电路.通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。由于其具有多达8路12位ADc和8路8位ADC.能对来自端口PORTC的单端输入电压、电流进行采样。6通道PWM，片内可编程看门狗定时器.可大大简化单片机控制电路的外围设计和保证了程序的安全运行。ADC负责对充电时电压，电流J2C负责温度数据的采集，PWM输出充电时电压电流的基准值到到比较电路，同时单片机控制开关电源控制模块UCC3895。
    电压检测电路：电压采样电路由精密电阻和可调电阻构成，由于该单片机AD测量最大设定范围为5V。所以要使电池组电压成比例的缩小在5V范围内.然后利用C805lF040内部的AD转换功能进行转换。单片机在内部计算出电池电压，该电路采用单片机内部自带l2位AD转换.减少了设计电路的复杂性。并提高了可靠性和精度。为了抵抗电气干扰和高压电击.该电路采用高速隔离光藕PC8l7隔离。
    电流检测电路：一般进行电流采集时在电路中串联一个阻值很小的取样电阻.把取样电阻上的电压输入单片机转换通道，进行A巾转换.再通过计算把电压值转换为电流值。但由于本方案中充电电流较大.使用电阻采样会消耗点较多的功率，因此。本方案使用电流互感器进行电流采样。
    温度检测电路：温度采样采用温度传感器LM92。LM92是美国国家半导体公司公司出品的单片高精度数字温度传感器。常温下，测温精度可达到正负0.33度。并可与用户设置的温度点进行比较。通过12C总线接口可对该传感器的内部寄存器进行读写操作。其编程容易。使用方便，在高精度温度测量及控温过程中得到广泛应用。
    在充电开始前的预处理阶段。根据不同的电池，软件选择相应的充电算法.将通道选择控制字写入C805lF040单片机的方式寄存器PCAOCPMn中.并初始化计数器，定时器的寄存器PCA0和模块捕捉/比较寄存器PCAOCPn。PWM输出信号的频率取决于PCA0计数器/定时器的时基。改变模块捕捉/比较寄存器PCA0CPn的值可改变PWM输出脉冲的占空比。

    充电开始后。软件定时采集采样电池分压电阻上的电压值，同时。电流互感器电路实时检测充电电流.经过计算.设置PCAOCPn单片机PwM的输出参数。实现最佳智能充电控制。
    2.3 状态液晶显示模块电路
    选用LCDl286A点阵液晶显示屏作为状态显示。液晶显示模块电路可直接与单片机C8051F040的I/O口的P5和P3连接，P5作为数据口(D0。D7);P3.0，P3.1、P3.2、P3.3、P3.4和P3.5连接液晶模块的6条信号线LCDD/l，LCDR/W.LCDE，LCDCSl.LCDCS2和LCDRST控制液晶的读，写操作。在充电的每个阶段均有状态显示，如：电池处于正在充电状态、电池因温度过高进入温控状态、电池快充结束充电状态等。
    3 软件设计
    本软件主要由系统初始化、预处理、根据不同电池类型和状态选择脉冲快速充电模块与算法或恒流、恒压、浮充充电模块与算法等部分组成。其流程如图2所示。

    图2主程序框图

    3.1初始化
    在程序的初始阶段应首先对C805lFU40单片机进行初始化操作.通过设置I/O口编码交叉开关来设置I/O端口的输入输出状态.确定芯片引脚功能，设置中断、TIM定时器参数等等。
    3.2预处理
    预处理阶段是进入快速充电前的准备工作。
    程序初始化后，首先利用C805lF040单片机的内部温度传感器检测环境温度。环境温度过低或过高时.均不能够对电池进行充电，否则将损伤电池。
    然后，设置A/D转换参数和通道，检测电池的端电压。将检测数据同理论经验值比较，判断电池的类别以及是否连接正确。对端电压低的电池，采用短时间的脉动电流充电，这样有利于激活电池内的化学反应物质。部分恢复受损的电池单元。对端电压在标称范围内的电池选择相应的充电控制模块和算法，对端电压不在标称范围内的电池.软件自动将其剔除。
    3.3快速充电
    按预定的充电控制模块和算法设置C805lF040单片机PWM的控制寄存器PCAOCN、方式寄存器PCAOMD以及16位捕捉，比较寄存器PCAOCPn.打开中断使能位.开始快速充电。
    快速充电时，C8051F04J0单片机必须不断检测以下几项关键技术指标：电路是否出现断路、电池是否出现不均衡现象、电池是否达到规定的安全电压、电池是否温度过高、电池是否满足-△v或△T/△t条件。
    其中电池的断路主要通过检测采样电阻上的电流大小来判断。而且为了避免误判断应该反复检测。当出现断路时应重新返回预处理阶段。断路的判断时机应该在电池端电压已经达到预定值的情况下进行，否则在电池端电压没有达到预定值的情况下，充电电流比较小。可能出现误判断。
    电池的端电压检测使用C8051F040单片机的片上12位高精度A/D模块.采用中断控制方式。这样可节省C805lF040单片机在加转换期间的等待时间。端电压检测的数据，通过充电算法计算电池的电压负增长-△V是否满足快速充电终止条件，时实修改c805lF040单片机PwM的输出参数，控制充电电流的大小。
    电池的温度检测在端电压检测之后进行。C805lF单片机通过设置不同的地址编码，访问相应的数字温度传感器LM92,读取温度数据.通过充电算法计算电池的温度变化率△T/△t是否满足快速充电终止条件，时实修改C805lF040单片机PWM的输出参数，控制充电电流的大小。
    为了防止电池被冲坏，在电池电压到达最高端电压Vmax或最高温度Tmax时应立刻停止充电，否则会损坏电池。
    4 结束语
    实验结果证明，以C805lF040单片机为控制核心的智能快速充电器已能正常工作。由于C805lF040具有良好的性能价格比，将其特有的模拟电路模块、高精度A/D转换、12C总线接口以及高速PwM等功能运用到充电控制中.有效使用了C8051FD40的片内外功能.增加产品的智能化和实用性.节省了产品的开发时间和费用，降低了生产成本，同时也提高了产品的一致性和可靠性，具有很好的推广价值。
    本文作者创新点：本设计以SoC单片机C805lF040为主体，构建电动汽车电池充电系统的硬件设计平台和软件设计方法。并在C805lF040内部嵌入μC/OS II实时操作系统，可大大提高系统的稳定性和实时响应能力，增强系统的可靠性、可扩展性和、移植性。