一种新型的蓄电池充放电综合控制设备

由于军事应用中一些不断电设备耗能较大，因而普遍采用串连电池组的模式避免过高的电流。串连电池组的充放电与单一电池的充放电有所不同，电池组内不同电池的差异如果不被重视就会造成电池组使用效率降低，减少蓄电池的使用寿命；考虑军用设备的应用环境的特殊要求，目前市场上还没有一种可以满足这些需求的综合充放电控制设备，因而这里设计一种可以很好满足这些需求的新型蓄电池充放电综合控制设备。

1 系统设计概述

该蓄电池充放电综合控制设备以MC68HC908SR12单片机为控制核心，采用FPGA辅助控制设计。主要包括电源电路、恒流恒压充电控制单元、平衡放电控制单元、中央控制单元、FPGA辅助控制单元、温度检测电路、人机接口电路等。蓄电池充放电综合控制设备主要针对军事应用中一些不断电设备耗能较大，普遍采用蓄电池串联供电的情况设计的。在设计过程中着重考虑蓄电池的平衡特性，以提高串联蓄电池供电组的工作效率、延长其使用寿命。图1是其系统框图。

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2 硬件设计

下面对充放电综合控制设备的硬件设计过程进行概述说明。

2.1 电源电路

使用开关现代电子技术 作为充电器的供电设备。开关电源采用脉冲调制方式PWM(Pulse Width Modulation)和MOSFET，BTS，IGBT等电子器件进行设计。开关电源集成化程度较高，具有调压、限流、过热保护等功能。与线性电源相比其输入电压范围宽(通常可达交流85～265 V)、体积小、重量轻、效率高。同时，其易于FPGA辅助控制单元对其进行控制。

2.2 充电控制单元

充电控制单元采用目前较成熟的恒流恒压充电电路来设计完成。图2是电路原理图。恒流恒压电路由Motorola公司的MC68HC908SR12单片机片内模拟电路模块和片外的MOSFET开关管、肖特基二极管、滤波电感、滤波电容等器件组成。模拟电路模块是Motorola公司的MC68HC908SR12单片机的特有部件，它由输入多路开关、两组可程控放大器、片内温度传感器、电流检测电路等组成。可程控放大器总放大倍数为1～256。放大器的输入可选择为2路模拟输入脚(ATD0，ATD1)、片内温度传感器、模拟地输入(VSSAM)。ATD0和VSSAM间可接一个电流检测电阻，用于测量外部电流，它还连接至电流检测电路，可在电流超过指定值时产生中断并输出信号。

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在充电开始前的预处理阶段，根据检测到的不同电池特性，软件选择相应的充电算法，充电算法由单片机和FPGA辅助控制单元实现。在充电开始后，软件定时采集感应电阻R上的电压值，经过计算，设置SR12单片机的输出控制参数。同时，电流检测电路实时检测充电电流，在电流超过指定值时产生中断并由SR12单片机控制及时关断充电电流，实现恒流恒压的充电控制

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均衡充电是本充放电综合控制设备的一个重要特点。在充电的过程中，由于电池的质量不相同，容量小、质量差的电池端电压在充入相同电量后会出现电压增长比另一个电池多的情况，如果不采取措施，它们的电压差将会增大，以至其中一个电池很快达到规定的安全电压，充电过程也将被迫停止。此时应该停充电压高的电池，即均衡充电。这样有利于恢复电池内受损的单元，使充电过程能顺利地进行下去。

2.3 放电控制单元

放电控制单元主要有2部分组成，一是返驰式平衡放电电路，可以实现电池组的平衡放电。平衡放电是本充放电综合控制设备的一个重要特点。在放电的过程中，由于电池的个体差异，如果不采取措施，电池组内电池个体的差异将越来越明显，这样会使电池组工作效率降低，使用寿命减少。放电控制单元采用的返弛式放电电路设计，其原理图如图3所示，该电路本身具有的电感端电压互相牵制特性(也称电路的返弛性)可以实现蓄电池组放电电池个体的平衡放电。这样有利于恢复蓄电池内的受损单元，提高蓄电池的工作效率和使用寿命。二是过度放电保护电路，该电路可以实现对电池组的过度放电保护。图4是电池组过度放电保护电路原理图，当端电压检测电路检测到的电压低于设定的安全放电电压时，该保护电路可以把放电电路切断，实现对蓄电池的保护。

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2.4 温度检测电路

在充电过程中，电池的温度会随着充电容量的增加而上升，尤其在接近充电终止时，温度变化率△T／△t最大，该特性是判断电池是否充满的主要条件之一。因此，采用美国国家半导体公司出品的单片高精度数字温度传感器LM92设计温度检测电路。其电路原理图如图5所示。

2.5 人机接口单元

(1)键盘响应电路

设计键盘响应电路时，使用MC68HC908SR12单片机PORT D(PTD6和PTD7)端口的键盘中断功能(KBI)。根据实际情况，在MC68HC908SR12单片机的键盘中断使能寄存器KBIER中写人相应的值，写人“1”表示中断允许，写入“0”表示不能中断。键盘中断允许的端口，MC68HC908SR12单片机将对其内部上拉30 kΩ的电阻，这样键盘响应电路的设计十分简洁，要注意的是应用软件中要增加键盘消抖动子程序，防止误操作。

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(2)状态显示电路

状态显示电路的设计使用MC68HC908SR12单片机PORT A(PTA0～PTA5)端口的LED直接驱动功能。编程时首先设置PORT A的工作状态，在LED控制寄存器LEDA中写入相应的值，写入“1”表示可直接驱动LED，写入“0”表示作为标准I／O端口。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等。

2.6 中央控制单元和FPGA辅助控制单元

中央控制单元和FPGA辅助控制单元主要实现充放电综合控制设备的状态控制转换功能。根据传感器获取的不同状况，写入不同指令，转换不同的工作模式。

3 软件设计

壳放电综合控制设备的软件设计思想是：各个功能组件实现模块化编程，软件流程采用中断工作方式。其目的是使应用软件流程清晰、可读性强、易于功能调试以及产品的维护和升级。本软件主要由初始化、预处理、控制算法、充放电4个部分组成。

3.1 初始化

在程序的初始阶段应首先对MC68HC908SR12单片机进行初始化操作，包括设置I／O端口的输入／输出状态，设置PLL锁相环电路参数，设置TIM定时器参数等。

3.2 预处理

预处理阶段是充放电综合控制设备正常工作前的准备阶段。程序初始化后，先根据利用MC68HC908SR12单片机的内部温度传感器检测环境温度。当环境温度过低或过高时，均不能对电池进行充放电，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。将检测数据与理论经验值比较，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。

3.3 充放电

根据控制单元给出的指令，进行充放电。综合充放电设备在硬件电路设计时考虑了平衡充电、平衡放电以及过放电保护等情况，因此，软件设计时也给予相应的考虑。

3.4 控制算法

控制算法主要是控制MC68HC908SR12单片机和FPGA辅助控制单元，写入相应指令，控制充放电综合设备各模块协调工作。

4 结 语

该蓄电池充放电综合控制设备设计时充分考虑了串联电池组充放电时的平衡效应，可以很好地应用于串联电池组的充放电控制，能够提高串联电池组的工作效率、延长其使用寿命；同时考虑到该充放电综合控制设备主要配合军用不断电设备使用，在其设计时也充分考虑了军事应用环境的复杂性和特殊性，因而，该蓄电池充放电综合控制设备在军民两用方面具有广泛的应用前景。