基于ATmega16的鎳氫電池快速充電器的設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)介：鎳氫電池是一種使用非常廣泛的可充電電池,廣泛用于各種電子設(shè)備,如手機(jī)、照相機(jī)、隨身聽(tīng)和Mp3。

鎳氫電池是一種使用非常廣泛的可充電電池,廣泛用于各種電子設(shè)備,如手機(jī)、照相機(jī)、隨身聽(tīng)和Mp3?；阪嚉潆姵氐某潆娖魇袌?chǎng)上也有非常多的種類,根據(jù)調(diào)研目前市場(chǎng)現(xiàn)有的充電系統(tǒng)大都采用固定的模式對(duì)電池進(jìn)行充電,充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(慢充10h左右,快充電也要5h左右)。快充電必然要加大充電電流,但由于缺少必要的檢測(cè)手段,容易使電池過(guò)熱或充電過(guò)度,影響蓄電池壽命[1]?；谝陨显?筆者設(shè)計(jì)了一款智能快速充電器,該充電器以ATmega16單片機(jī)為核心,使用開(kāi)關(guān)電源和模糊控制技術(shù),采用脈沖充電方式,在線實(shí)時(shí)檢測(cè)充電狀態(tài),達(dá)到了較好的效果。

一）工作原理

該系統(tǒng)由5V開(kāi)關(guān)電源電路,DC-DC變換電路,電壓、電流、溫度檢測(cè)電路,以及放電電路組成,其充電原理見(jiàn)圖1。5V開(kāi)關(guān)電源電路供應(yīng)穩(wěn)定的5V直流電,供單片機(jī)和充電主回路使用。其工作原理如下:單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器,實(shí)時(shí)采集充電時(shí)的電流、電壓和溫度信號(hào),調(diào)節(jié)pWM控制信號(hào)的占空比,控制MOS管的開(kāi)通和關(guān)斷,從而調(diào)整脈沖電壓的幅值進(jìn)而調(diào)節(jié)充電電流的大小。MOS管輸出的脈沖電壓經(jīng)過(guò)直流濾波,成為穩(wěn)定的直流電加在蓄電池上,對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。放電控制適時(shí)地對(duì)蓄電池進(jìn)行去極化放電。

圖1充電原理圖

二）系統(tǒng)硬件組成

充電主電路及檢測(cè)電路見(jiàn)圖2。由于篇幅原因,5V開(kāi)關(guān)電源電路沒(méi)有畫出,只畫出一路(本充電器含兩路,能同時(shí)對(duì)兩節(jié)AA/AAA號(hào)電池充電)充電主電路及檢測(cè)電路。

2.1AVR單片機(jī)

AVR單片機(jī)是ATMEL公司1997年研發(fā)的增強(qiáng)型并內(nèi)置Flash的精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)。Atmega16單片機(jī)是AVR單片機(jī)系列中的高性能單片機(jī),它內(nèi)部帶有16kB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash程序存儲(chǔ)器,512b的EEpROM,1kB的片內(nèi)SRAM;32個(gè)可編程的通用I/O口;32個(gè)通用工作寄存器;實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC);兩個(gè)8位按時(shí)器.計(jì)數(shù)器、一個(gè)16位按時(shí)器.計(jì)數(shù)器,具備通道的pWM功能;8通道10位ADC;可選的可編程增益;片內(nèi)振蕩器和可編程看門狗按時(shí)器。它是一種可靠性高、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位的單片機(jī)。

2.2充電主電路

充電主電路其實(shí)是一個(gè)buck變換器,由AVR的pWM通過(guò)雙極性NpN晶體管8050驅(qū)動(dòng)p溝道MOS管IRF9540。開(kāi)關(guān)管與電感、二極管和電容相連,二極管D2用來(lái)防止在斷電時(shí)電池向微處理器供電。

圖2充電主電路及檢測(cè)電路

2.3檢測(cè)電路

2.3.1電壓檢測(cè)

為了監(jiān)控電池正負(fù)兩極之間的充電電壓,設(shè)計(jì)中使用了一個(gè)運(yùn)放。測(cè)量電池電壓的運(yùn)放電路為普通的差分運(yùn)放電路。單片機(jī)內(nèi)集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(10位ADC,1024個(gè)量化單位)的測(cè)量范圍為AGND～AREF,其中AGND為地電壓,AREF為參考電壓。取R8=R10=10k8,R9=R11=11k8,可計(jì)算得到某一量化單位對(duì)應(yīng)的電壓值:U測(cè)=N×2193(mV),其中N為單片機(jī)ADC所采集轉(zhuǎn)換得到的數(shù)。

2.3.2電流檢測(cè)

充電電流通過(guò)0118的精密電阻R13獲取。為了提高測(cè)量精度,這個(gè)電壓通過(guò)運(yùn)放放大,然后送入單片機(jī)的ADC。取R12=1k8,R14=10k8,可計(jì)算得到某一量化單位對(duì)應(yīng)的電流值:I測(cè)=N×2193(mA)。

2.3.3溫度測(cè)量

電池溫度通過(guò)負(fù)溫度系數(shù)電阻R15測(cè)量,其阻值在25℃時(shí)近似為10k8。NTC為分壓器的一部分,由參考電壓(AREF,3.3V)供電。由圖2可得到:

由于NTC的電阻不是線性的,在實(shí)際應(yīng)用中可以利用查表法來(lái)查找對(duì)應(yīng)的溫度。

2.4放電控制

蓄電池放電重要通過(guò)大功率電阻R5進(jìn)行。三極管D880重要充當(dāng)開(kāi)關(guān)的用途,平時(shí)D880處于關(guān)斷的狀態(tài),當(dāng)要放電時(shí),單片機(jī)給出放電信號(hào),D880導(dǎo)通,蓄電池開(kāi)始放電。

三）模糊控制及軟件設(shè)計(jì)

經(jīng)研究表明充電電流特性曲線與環(huán)境溫度、電池的新舊程度、電池的放電深度、電池充電容量和負(fù)荷電流的變化有關(guān),為非線性、時(shí)變系統(tǒng)。所以要找到描述該特性曲線的精確數(shù)學(xué)模型是很難的,最有效的辦法是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行模糊控制,基于專家的知識(shí)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)建立模糊控制規(guī)則,通過(guò)模糊邏輯推理完成控制決策過(guò)程,最后實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)控制。由鎳氫電池的充電特性可知,在不同的充電階段鎳氫電池可以接受的充電電流不同。充電電壓達(dá)到峰值后,電池端電壓變化較小,比較平坦,只出現(xiàn)微小增量。但假如充電電流過(guò)大電池溫度將快速上升,嚴(yán)重影響電池壽命,甚至造成電池爆炸[2],所以充電快要結(jié)束時(shí)成為控制的要點(diǎn)。基于以上的原因,制定充電規(guī)則如下:第一階段以預(yù)設(shè)小電流(0.1C)進(jìn)行恒流充電(其中C表示蓄電池的容量,如1800mAh,0.1C表示以180mA的電流進(jìn)行充電),當(dāng)電池電壓超過(guò)某一閾值(1.0V)時(shí)到達(dá)第二階段,這樣可以防止過(guò)放電的電池大電流充電時(shí)受到損害;第二階段采用預(yù)設(shè)大電流(1C)進(jìn)行恒流脈沖充電,并適時(shí)地進(jìn)行去極化放電;第三階段是當(dāng)電池電壓超過(guò)第二個(gè)閾值(1.45V)時(shí)采用模糊控制方法對(duì)充電電流進(jìn)行自適應(yīng)控制,使充電電流隨電池電壓的升高逐漸減小,以達(dá)到最佳充電效果。充電終止時(shí)最高電壓檢測(cè)與溫度變化率△T/△t檢測(cè)并用,同時(shí)設(shè)定最大充電時(shí)間及最高電池溫度。

3.1模糊控制器

模糊控制器以理想電壓與實(shí)際電壓之差△U和其變化率△Un-△Un-1作為輸入,充電電流I為輸出,構(gòu)成一個(gè)二維模糊控制系統(tǒng)。在充電過(guò)程中適時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行去極化放電?！鱑和△Un-△Un-1均有5個(gè)語(yǔ)言值,即“NB(-2)”、“NS(-1)”、“Z(0)”、“pS(+1)”、“pB(+2)”,模糊控制表見(jiàn)表1。

表1模糊控制表（I）

表1中,“I”為0,表示維持充電電流不變;“+1”表示電流增大一個(gè)等級(jí);“-1”表示電流減小一個(gè)等級(jí);“+2”、“-2”依此類推。規(guī)則表預(yù)存在單片機(jī)的EEpROM中,程序通過(guò)查表選擇相應(yīng)的控制規(guī)則。

3.2系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件流程圖見(jiàn)圖3。

圖3系統(tǒng)軟件流程圖

四）結(jié)論

(1)利用本系統(tǒng)對(duì)AA超霸鎳氫電池進(jìn)行了多次快速充電實(shí)驗(yàn),使用脈沖充電與模糊控制相結(jié)合的方法,蓄電池溫升比恒流(1C)充電平均降低約5℃。

(2)由于采用了先進(jìn)的充電控制策略,智能控制充電電壓和電流,大大縮短了充電時(shí)間(1h～2h可充滿),充電速度比常規(guī)充電器提高了3倍～5倍。

(3)充電過(guò)程安全可靠,不會(huì)損壞電池或縮短電池壽命,達(dá)到了較好的效果。

參考文獻(xiàn):

[1]張幸,楊偉民,李綱園.智能化電池充電裝置的研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004(4):3812384.

[2]常江,景占榮,高田.基于HGA的模糊神經(jīng)控制器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2006(14):2222224.