电动自行车蓄电池充电过程智能控制的解决方案

    近几年随着城镇规模的扩大，交通越来越拥挤，机动车燃油所排放的尾气也成为造成大气污染的主要原因之一。而电动自行车因其轻巧、安全、省力并有益于环保等优点，成为理想的交通工具。

    目前电动自行车所用的电池的铅酸蓄电池是目前世界上广泛使用的一种化学电源，该产品由于具有良好的可逆性，电压特性平稳，使用寿命长，适用范围广，原材料丰富及造价低廉等优点而得到了广泛的使用。但是由于普通的蓄电池充电方法不合理，其寿命大大缩短。现在很多普通的蓄电池使用寿命只有3～5年，远远低于设计指标10～15年的要求。研究发现：电池充电过程对电池寿命影响较大，也就是说，绝大多数的电池不是用坏的，而是充坏的。由此可见，一个性能良好的充电器对电池的使用寿命具有举足轻重的作用，同时也降低了电动自行车用户的经济投入。

    由于单片机具有良好的控制功能，并且价格低廉，在铅酸蓄电池的设计中应用单片机作为控制元件可实现对蓄电池充电过程的智能控制，使其达到最佳的充电效果。

    1 充电器的电路结构

    充电器的电路结构如图1所示，其中市电接入电路、高频变换电路、3842稳压电路和次级整流滤波电路4部分构成了高频开关充电电源。单片机控制电路、采样电路和充电输出电路组成输出控制电路。

    1.1 高频开关充电电源

    市电接入电路通过RS508型单相桥式集成整流电路将220 V的交流电转换为300 V的直流电。高频变换电路主要由高频变压器T和MOSFET管组成，本文采用的是单端反激式电路。单端反激变换器很重要的特色就是变压器充当了电感，即在原边开关(MOSFET管)导通时变压器储能，开关截止时变压器将能量释放到副边。高频变压器T有3个副边绕组和1个反馈绕组。副边绕组1的输出为光藕(TLP250)提供15 V电源，副边绕组2的输出为单片机提供5 V电源，副边绕组3的输出构成充电主回路，反馈绕组的输出则为3842提供电源。而3842就是通过调整输出PWM波形的脉宽，从而调整MOSFET管导通和截止的时间对高频变换电路的输出进行稳压的。充电主回路经过LC-π型滤波后输出很纯净的直流。

    1.2 PIC16C73B单片机的控制策略

    PIC16C73B是充电电路中的控制部件，他主要用来实现充电状态的转换、温度补偿的控制、停充控制和输出驱动波形。他是Microchip公司生产的一款基于EPROM的8位高性能微控制器。与其他价格相当的微控制器相比，他在执行速度和代码压缩方面都有很大的改进。由于随时可以买到需要的OPT(一次性编程)产品，因而缩短了利用PIC16C73进行产品设计开发的周期。PIC16C73微控制器所具有的优越性能主要归功于他的精简指令集(RISC)和所采用的哈佛(Harvard)结构，他可运用两级流水线指令进行取数和执行，除了跳转指令需要2个周期外，其余所有的指令都可在单周期内执行。

    1.2.1 状态转换的控制

    当电池进行充电时，电池电压采样电路立刻对电池的端电压进行循环的扫描，将采样得到的端电压信号送人到PIC16C73B的一路AD口进行转换，单片机根据电池当前的状态决定采用何种方式对电池充电。控制过程框图如图2所示。

    1.2.2 温度补偿的控制

    充电过程中，电池内的再化合反应产生大量的热，由于蓄电池的密封结构使热量不易散出，导致蓄电池温度升高，电解液干涸，造成电池的热失控。而且若没有温度补偿，可能导致电池充电不足或过充，而缩短了电池的使用寿命。电池温度采样电路采集到当前的电池温度，利用PIC16C73B单片机进行A/D转换，并进行温度补偿。启动温度补偿功能之后，充电电压可根据以下方程式进行修正：

    Vtc=Vn-TcN(T-20)

    式中，Vtc为经温度补偿后的电压Vn为未经补偿的电影;Tc为温度补偿系数，mV/℃，补偿系数一般为-2～4 mV/℃;N为每组蓄电池的数值;T为温度传感器采集的温度。

    1.2.3 停充控制

    蓄电池温度控制在正常充电时，电池的温度变化并不明显，但是，当电池过充时，其内部气体压力将迅速增大，负极板上氧化反映使内部发热，温度迅速上升(每分钟可以高几个摄氏度)。所以PIC16C73B单片机可以根据电池的温度变化值判断电池是否充满，从而发出停充控制信号。

                                   停充控制框图如图3所示。

    1.2.4 驱动波形的输出

    利用PIC16C73B单片机输出频率为120 Hz、占空比为0.8的矩形波，此矩形波在经过光藕的放大后直接驱动MOS管(RPF540)，给电池充电。

    2 充电器性能试验与测试

                          充电试验得到如图4所示的充电波形。

    充电脉冲能充分地还原电池中的浯性物质，使蓄电池电量能快速充满，间歇期使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。多次试验结果表明电池一般在5～6 h即可充满。

    3 结 语

    以高频开关充电电源为充电器电路的硬件基础，PIC16C73B单片机为控制部件，能准确地对电池进行状态监测、充电控制、停充控制、温度补偿控制。依据充电波形知电流在充电过程中慢慢减小，非常近似于美国科学家马斯提出的最佳充电的充电曲线，提高了蓄电池充电接受率，有效地延长了电池的使用寿命。