基于ST72单片机的常规电池快速充电系统

前言：

传统的常规蓄电池充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电，充电时间长达10～20个小时。为了缩短充电时间，必须对充电过程的充电电流进行控制。许多生产厂家误认为盲目提高充电电流就是快速充电，其实这不但不能提高充电效率，而且会加剧电池的极化现象，升高蓄电池温度，浪费电能，严重损坏蓄电池。根据美国科学家马斯提出的马斯三定律，脉冲充电、脉冲放电可以去除电池极化，减小蓄电池的内部压力、温度和内阻，加快充电速度，实现蓄电池快速充电需采用充－放－充的循环方式。这种模式的快充系统中一般应包括控制回路、充电回路、放电回路。根据充电过程中测得的参数，通过单片机适当调整，保证脉冲电压的（充、放）幅值及充电与放电的宽度比值恒定，可以得出充电效率的最佳结果。
１ 系统结构
1．1 控制回路
ST72系列单片机是法国ST微电子公司最新生产的简单、灵活、低价格的８位单片机，采用了独特的制造工艺和技术，大大提高了抗干扰能力。它专为嵌入式控制应用设计，特别适用于抗噪声干扰高、整体性价比高的控制系统。它具有以下的主要性能：
（１）工作电源电压有很宽的适应范围，从2.4Ｖ～5.5Ｖ；功耗较低，内部数字看门狗。
（２）丰富的I/O功能，内部带有3个定时器／计时器，有的还多达16个通道的10位A/D转换器，两路脉宽调制?多种通信接口，多达12级的中断源。
（３）多种内部程序存储器，除有廉价的0TP（0ne Time Programming）一次性编程写入?还有非常方便的Flash程序存储器，可以在线编程，易于修改程序代码。存储器的容量从1.5kB~60kB不等，可以满足各种编程的需要。
根据系统功能的需要，选用ST72系列的ST72264G1单片机作控制芯片。该芯片具有4kB的FLASH内部存储器，２路PWM输出，最大时钟频率8MHz，有20个I/O引脚，６个复用１０位A/D转换器，有SPI,SCI,I2C三种通信接口。控制回路采用ST72262G1加上液晶显示和键盘接口等；它利用单片机自身的Ａ／Ｄ端口，组成电压、电流、温度检测电路。
１．２ 充放电回路
充电回路是采用一种新型的电源芯片TOP225Y构成的电源电路。该芯片是美国Powergration公司生产的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路。它将PWM集成电路和MOSFET功率器件集成在同一芯片中，具备PWM型开关稳压电源所需的全部功能。通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，实现了无功频变压器隔离的开关电源的集成化。整个回路具有输出功率范围大、成本低、集成化程度高、电路设计简单等优点。
放电回路则由蓄电池和电阻构成回路，Ｍ0S管作为开关，控制放电回路的关断。Ｍ0S管的关断由单片机给出控制信号。
智能充电系统的原理框图如图１所示。

单片机根据电压反馈和电流反馈，输出数字电压转换成模拟电压。模拟电压再经过光耦隔离，然后调节电源芯片TOP225Y控制脚的电流大小，由芯片调节控制信号的占空比，从而调整脉冲电压的幅值或涓流电流的大小。一般单片机的数字电压转换成模拟电压都需要D/A转换器，由于ST72系列单片机带有PWM输出，因此可以直接利用PWM输出将数字电压转换成模拟电压，能够保证精度，省却了D/A转换器。
２ 系统软件设计
系统软件用Ｃ语言编写，经过汇编、仿真调试，烧写在单片机的内部程序存储器内。按照软件工程的规范要求进行软件设计，实现结构层次化、功能模块化，不仅使软件的可读性、可维护性、可扩展性得到了增强，而且提高了软件的可靠性。程序的总体结构框图如图２所示。

程序先检测蓄电池是否已充满和蓄电池的好坏。蓄电池是否充满可以从其两端的电压得出。蓄电池的好坏需要通过开路、短路、测温等试验措施来确定。对蓄电池可施加一个比较小的充电电流（约为快速充电电流的１／５），使电池电压在一定时间内达到某个特定值，确定蓄电池的好坏。开始脉冲充电后，程序自动跟踪检测蓄电池的各种参数。当参数达到脉冲充电终止条件时，系统终止快速充电状态而转入涓流充电状态，以补充蓄电池因自放电而损失的电量。在涓流充电状态下，充电器将以某一充电速率给蓄电池补充电荷，这样可以使电池总处于充足电状态。 为保证在任何情况下，均能准确可靠地控制电池的充电状态，本系统采用了电压控制、温度控制和定时控制的综合控制法。
（１）电压控制使用拐点控制法。这种充电终止方法由检测电压曲线的拐点构成，对镍氢、镍镉电池都适用。用单片机检测电压曲线需要求出电压曲线对时间的一次求导值并检测其顶点值。ST72664单片机的A/D转换器每４秒钟测得电池电压一次，为减少由于高频干扰（例如由脉冲充电电流所产生的干扰）而造成的测量误差，连续多次测量电池电压得出一个平均测量值。进而对现今和先前的平均测量结果再做一个滚动平均，去除由于电化学电池电压变化而造成的低频干扰。通过对几次测量数据的运算，以获取电压对时间的导数。因为电压是通过A/D转换器得到的数字量，电压对时间的一次导数的曲线不平滑，所以必须对该曲线做平滑处理。通过检测在平滑的导数曲线上所遇到的第一个最高顶值来辩认这个拐点（图３中的Ｂ点）。当探测出这个顶值时就终止快速充电。 （２）温度控制使用温度变化率法。镍氢和镍镉电池充足电后，电池温度迅速上升，而且上升速率ΔＴ／Δｔ基本相同。当电池温度每分钟上升１℃时，应立即终止快速充电。需要注意的是：由于热敏电阻的阻值与温度关系是非线性的，因此，为了提高检测精度应设法减小热敏电阻非线性的影响。

（３）定时控制就是设定时间上限，超过时间就停止快速充电。
３ 系统的性能评价
利用本充电系统对镍氢电池、镍镉电池充电，对于容量为1000mAH电池，充足电时间为25min；容量为1300mAH的电池，充足电时间为33min；容量为1600mAH的电池，充足电时间为40min，远远快于常规充电系统。此外，系统的结构简单、调试容易、充电安全可靠，不会损坏蓄电池或缩短蓄电池寿命。