1 概 述

　　電子信息技術的快速發展使得各種各樣的電子產品不斷涌現，并朝著便攜和小型輕量化的趨勢發展，這也使得更多的電氣化產品采用基于電池的供電系統。目前，較多使用的電池有鎳鎘、鎳氫、鉛蓄電池和鋰電池，由于它們各自的優缺點使得它們在相當長的時期內將共存發展［4］。由于不同類型的電池的充電特性不同，目前通常對不同類型，甚至不同電壓、容量等級的電池使用不同的充電器，這在(zai)實際使(shi)(shi)用(yong)(yong)中(zhong)有諸多(duo)不(bu)便。本文(wen)設(she)計了一(yi)種通用(yong)(yong)型的充電(dian)器，可對電(dian)壓等級(ji)為(wei)1.2V～48V的鎳(nie)鎘、鎳(nie)氫、鉛蓄電(dian)池和鋰電(dian)池進行(xing)充電(dian)。為(wei)達到如(ru)此寬的充電(dian)范(fan)(fan)圍(wei)(wei)，充電(dian)電(dian)源采用(yong)(yong)二級(ji)電(dian)路拓(tuo)撲(pu)，并(bing)使(shi)(shi)用(yong)(yong)同一(yi)PWM信號源對兩級(ji)電(dian)路進行(xing)聯動控制(zhi)(zhi)。該電(dian)源在(zai) 85VAC～265VAC的通用(yong)(yong)輸(shu)入范(fan)(fan)圍(wei)(wei)內均(jun)可實現1.2V（0.3A）～60V（1.6A）的寬范(fan)(fan)圍(wei)(wei)輸(shu)出。同時使(shi)(shi)用(yong)(yong)單片機進行(xing)充電(dian)控制(zhi)(zhi)，先(xian)進的慢脈沖(chong)快(kuai)速充電(dian)法［4］，并(bing)綜合使(shi)(shi)用(yong)(yong)定(ding)時控制(zhi)(zhi)、電(dian)壓控制(zhi)(zhi)和溫度(du)控制(zhi)(zhi)來中(zhong)止快(kuai)速充電(dian)，確保(bao)不(bu)會(hui)因過充電(dian)而(er)損傷電(dian)池。

　　2 充電電源的拓撲結構和控制方案

　　由于(yu)(yu)要求充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)源的輸出變(bian)化范圍(wei)(wei)為1.2V（0.3A）～60V（1.6A），采用單級(ji)變(bian)換(huan)器(qi)(qi)很難實現這 么大的變(bian)化范圍(wei)(wei)，故采用了兩(liang)級(ji)結構，電(dian)(dian)(dian)源主(zhu)電(dian)(dian)(dian)路(lu)如圖1所示，交流輸入經整流濾波得到(dao)穩定的直流電(dian)(dian)(dian)壓DCin，首先經單端反激變(bian)換(huan)器(qi)(qi)預穩壓，并實現輸入級(ji)與(yu)輸出級(ji)的隔離，然后再經BUCK變(bian)換(huan)器(qi)(qi)進一步降壓，得到(dao)所需(xu)輸出電(dian)(dian)(dian)壓。為了保證單端反激變(bian)換(huan)器(qi)(qi)能穩定工作，加(jia)入了假負(fu)載R2。由于(yu)(yu)電(dian)(dian)(dian)池等效于(yu)(yu)一個(ge)大電(dian)(dian)(dian)容，故輸出端可不加(jia)濾波電(dian)(dian)(dian)容。

　　為簡化控制(zhi)(zhi)，采用同(tong)(tong)(tong)一(yi)(yi)PWM信號(hao)對兩(liang)(liang)級變(bian)換器進(jin)行聯動控制(zhi)(zhi)。單端反激(ji)變(bian)換器的的占空比(bi)一(yi)(yi)般應不超過0.5，以減小開關(guan)管電壓(ya)應力，而BUCK變(bian)換器則(ze)希望盡(jin)量(liang)提(ti)高占空比(bi)，以改善輸出(chu)電壓(ya)波形和(he)動態響應，因此，在(zai)保證能夠實(shi)現所要求的輸出(chu)變(bian)化范(fan)圍(wei)的情況下，應盡(jin)量(liang)提(ti)高BUCK變(bian)換器的占空比(bi)，這樣就不能采用完全相(xiang)同(tong)(tong)(tong)的PWM信號(hao)同(tong)(tong)(tong)時控制(zhi)(zhi)兩(liang)(liang)級變(bian)換器。為此，本文給出(chu)了一(yi)(yi)種相(xiang)對簡單的控制(zhi)(zhi)策略，使(shi)用同(tong)(tong)(tong)一(yi)(yi) PWM信號(hao)變(bian)換出(chu)占空比(bi)不同(tong)(tong)(tong)的兩(liang)(liang)路PWM信號(hao)，分別控制(zhi)(zhi)兩(liang)(liang)級變(bian)換器，具體實(shi)現方法如下所述。

　　對于任一方(fang)波(bo)信號(hao)，要改變其(qi)占空比（對應于導(dao)通(tong)時間(jian)，即(ji)(ji)信號(hao)處(chu)于高電(dian)(dian)平狀態的(de)(de)(de)時間(jian)），一般有(you)兩種實現(xian)途徑(jing)：一是改變其(qi)導(dao)通(tong)時間(jian)而(er)頻(pin)率保持不(bu)變，二(er)是改變其(qi)頻(pin)率而(er)導(dao)通(tong)時間(jian)保持不(bu)變。本文采用后一種途徑(jing)，即(ji)(ji)用PWM控制(zhi)器輸出(chu)的(de)(de)(de)信號(hao)直(zhi)接控制(zhi)BUCK變換器，而(er)在保持導(dao)通(tong)時間(jian)不(bu)變的(de)(de)(de)情況下將其(qi)信號(hao)進行二(er)分(fen)頻(pin)，得到占空比減(jian)半的(de)(de)(de)信號(hao)來控制(zhi)單(dan)端反(fan)激變換器。具體實現(xian)電(dian)(dian)路(lu)如圖(tu)2（a）所示，源(yuan)信號(hao)經(jing)分(fen)頻(pin)器二(er)分(fen)頻(pin)，得到頻(pin)率減(jian)半的(de)(de)(de)信號(hao)，再(zai)與(yu)源(yuan)信號(hao)相與(yu)，即(ji)(ji)得到導(dao)通(tong)時間(jian)不(bu)變而(er)頻(pin)率減(jian)半的(de)(de)(de)信號(hao)。電(dian)(dian)路(lu)中(zhong)各(ge)點波(bo)形參(can)見(jian)圖(tu)2（b）。

 3 充電控制方案(an)

　　近年(nian)來，如何對電(dian)池高效(xiao)、快速地(di)充(chong)(chong)(chong)電(dian)成為(wei)充(chong)(chong)(chong)電(dian)技(ji)術研究的(de)(de)熱點(dian)，國內外研究人員也提出(chu)了不少(shao)快速充(chong)(chong)(chong)電(dian)方法，本文(wen)即參考了其中(zhong)一種較實用的(de)(de)慢脈沖(chong)快速充(chong)(chong)(chong)電(dian)法，這種方法能(neng)確保在充(chong)(chong)(chong)電(dian)過(guo)程中(zhong)及(ji)時消除(chu)或降(jiang)低電(dian)池極化，電(dian)池析氣量少(shao)，溫升低，充(chong)(chong)(chong)電(dian)效(xiao)率高。整個(ge)充(chong)(chong)(chong)電(dian)過(guo)程由恒流(liu)和恒壓充(chong)(chong)(chong)電(dian)兩個(ge)階(jie)(jie)(jie)段(duan)(duan)組成，在每一階(jie)(jie)(jie)段(duan)(duan)均以周期為(wei)幾(ji)秒到幾(ji)十秒的(de)(de)電(dian)流(liu)或電(dian)壓脈沖(chong)進行充(chong)(chong)(chong)電(dian)。而兩階(jie)(jie)(jie)段(duan)(duan)的(de)(de)轉換時刻則由電(dian)池的(de)(de)充(chong)(chong)(chong)電(dian)狀態所決(jue)定(ding)。

　　由于充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)方法(fa)相對較復雜(za)，且需(xu)要(yao)對多種(zhong)類型和規格(ge)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)池進(jin)行充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，故需(xu)要(yao)采用可(ke)編程器件進(jin)行控制，而(er)(er)單(dan)片機(ji)以其相對強大的(de)功能和低廉(lian)的(de)價格(ge)成為首選(xuan)(xuan)。本文選(xuan)(xuan)用Motorola公司推(tui)出(chu)的(de) MC68HC908GP32作為主控元件，整個系統的(de)組成框圖如圖3所(suo)示，反映電(dian)(dian)(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)狀態的(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)、電(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)和溫度信號經采樣電(dian)(dian)(dian)(dian)路送入單(dan)片機(ji)的(de)A/D 轉(zhuan)換(huan)口，單(dan)片機(ji)根據充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)算法(fa)，通過D/A轉(zhuan)換(huan)口輸出(chu)信號控制充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)源的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)或(huo)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)給定，從(cong)而(er)(er)達到控制充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)源輸出(chu)的(de)目(mu)的(de)。

　　軟件系統(tong)采用(yong)模塊(kuai)(kuai)(kuai)化設計方(fang)法，整個程(cheng)序(xu)(xu)由主程(cheng)序(xu)(xu)模塊(kuai)(kuai)(kuai)、各(ge)類電池充電子程(cheng)序(xu)(xu)模塊(kuai)(kuai)(kuai)以及錯誤處理模塊(kuai)(kuai)(kuai)組成，各(ge)模塊(kuai)(kuai)(kuai)相對(dui)獨立，以便于(yu)算法改進及功(gong)能擴充，其(qi)中(zhong)主程(cheng)序(xu)(xu)模塊(kuai)(kuai)(kuai)構架了軟件系統(tong)的(de)骨架，通(tong)過其(qi)對(dui)其(qi)他模塊(kuai)(kuai)(kuai)的(de)調用(yong)來(lai)實現完整的(de)充電過程(cheng)控(kong)制(zhi)，其(qi)流程(cheng)圖見圖4。

　　為確保充(chong)電(dian)(dian)(dian)安全(quan)，在(zai)(zai)開(kai)始充(chong)電(dian)(dian)(dian)前檢測電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)和溫(wen)度，以(yi)排除電(dian)(dian)(dian)池接反、用戶選擇的電(dian)(dian)(dian)池規(gui)格有誤等錯誤，并判斷電(dian)(dian)(dian)池的狀態是(shi)否(fou)適(shi)合快速充(chong)電(dian)(dian)(dian)，如電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)或溫(wen)度過(guo)低，則需要(yao)進行小(xiao)電(dian)(dian)(dian)流預充(chong)電(dian)(dian)(dian)，待電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)、溫(wen)度達到(dao)正常范(fan)圍后(hou)再開(kai)始快速充(chong)電(dian)(dian)(dian)。在(zai)(zai)整(zheng)個(ge)充(chong)電(dian)(dian)(dian)過(guo)程中均(jun)實時檢測電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)和溫(wen)度，并綜合采用最高電(dian)(dian)(dian)壓(ya)控(kong)制(zhi)、電(dian)(dian)(dian)壓(ya)零增量控(kong)制(zhi)、最高溫(wen)度控(kong)制(zhi)和定時控(kong)制(zhi)等方法來終止快速充(chong)電(dian)(dian)(dian)，以(yi)確保電(dian)(dian)(dian)池不被過(guo)充(chong)。

　　4 實驗及結論

　　本文采用清華大學Motorola單片機應用開發研究中心推出的MC68HC908GP32IDK作為開發系統［2］，對該充電器進行了(le)實(shi)驗測(ce)試，在整個負(fu)載范圍內均有穩定的(de)(de)輸出，開關(guan)(guan)管的(de)(de)最(zui)小導(dao)通時(shi)間（對應(ying)于(yu)最(zui)小負(fu)載）約為(wei)1.2us，而(er)開關(guan)(guan)管（MTP4N80）的(de)(de)開關(guan)(guan)時(shi)間和反向恢復時(shi)間之(zhi)和小于(yu)0.7us，故(gu)充電電源能(neng)穩定工作(zuo)。

　　本文設計了一個通用型智能充電器，給出了寬(kuan)范圍充電電源的(de)一種實(shi)(shi)現方法，并充分(fen)利用了單片(pian)機強大的(de)控制功能(neng)(neng)，絕大部分(fen)功能(neng)(neng)由軟(ruan)件編程實(shi)(shi)現，使(shi)得系統(tong)對硬件的(de)依賴(lai)性較(jiao)小，便于(yu)功能(neng)(neng)的(de)擴(kuo)充及改進。