中心議題：

• 電動汽車電池智能快速充電器的設計

解決方案：

• 電動汽車充電器控製電路設計
• 電動汽車充電器狀態液晶顯示模塊電路設計
• 電動汽車充電器的軟件設計

1 引言

電池是電動汽車的關鍵動力輸出單位，在鉛酸蓄電池，鎳鎘電池，鎳氫電池，鋰電池和燃料電池等幾種常用電池中，因為具有能量比大、重量輕
、溫度特性好
，汙染低，記憶效果不明顯等特點，鉛酸蓄電池、鎳氫電池在電動汽車中使用很普遍。然而由(you)於(yu)充(chong)電(dian)方(fang)法(fa)的(de)不(bu)正(zheng)確(que)造(zao)成(cheng)充(chong)電(dian)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)遠(yuan)遠(yuan)低(di)於(yu)規(gui)定(ding)的(de)壽(shou)命(ming)。也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)很(hen)多(duo)電(dian)池(chi)不(bu)是(shi)被(bei)用(yong)壞(huai)的(de)而(er)是(shi)被(bei)充(chong)壞(huai)的(de)，可(ke)見(jian)充(chong)電(dian)器(qi)的(de)好(hao)壞(huai)對(dui)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)有(you)很(hen)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)。基(ji)於(yu)此(ci)。本(ben)文(wen)提(ti)出(chu)一(yi)種(zhong)使(shi)用(yong)C805lF040單片機智能充電控製方案的智能充電器的設計，能有效的提高充電效率，延長電池的使用壽命。

2 硬件設計

2．1 係統框圖
該電動汽車智能充電器以c8051040F單片機為控製核心，主要包括AC/DC變換器、IGBT功率模塊、高頻變壓器、整流濾波電路、單片機控製電路、脈衝調寬電路以及狀態顯示電路等。圖1是其係統框圖。

圖1電動汽車智能充電器係統框圖

該方案中開關電源的最大輸出功率為2．6KW，交流輸入範圍為l70V-270V
，充電器電路主要包括主充電電路和單片機控製電路兩部分，整個電路的工作過程為：220v單相交流電經過全橋整流由電容進行濾波．得到約300v左右的直流電．經過由4隻IGBT構成的逆變橋
，得到高頻交流電，經高頻變壓器耦合到副邊．再經過整流管D6，D7整流。最後經過電感L3和電容C7濾波後得到穩定的直流輸出。由於采用智能充電，根據不同的電池每個階段充電電壓和充電電流都不同。所以使用cygnal公司的C8051040Fdanpianjizuoweichongdianguochengkongzhishebei，chongdianshidanpianjijiancechongdiandianchidechongdiandianliu，chongdiandianya，dianchiwendu，fangzhidianluguoyaheguoliu。dianchiwenduguogao，haikeyitongguojiancedianchidianyadianliuzhilaijuedingshifouzaiqiehuandaoxiayigedechongdianjieduan。tongshitongguodanpianjigeichumeiyijieduandechongdiandedianyazhihuoshidianliuzhi，yucaiyangsuodededuiyingdianyadianliuzhixiangbijiao。tongguoyixiangkongzhixinpianuCC3895改變PWM值來改變功率管的導通時間．達到在不同電池不同階段得到不同穩定的輸出值的目的。

2．2單片機充電控製電路介紹
充電控製電路采用C8051F040單片機進行數據采集和控製，該芯片是完全集成混合信號係統級芯片(soc)．具有與805l指令集完全兼容的CIP-51內nei核he。它ta在zai一yi個ge芯xin片pian內nei集ji成cheng了le構gou成cheng一yi個ge單dan片pian機ji數shu據ju采cai集ji或huo控kong製zhi係xi統tong所suo需xu要yao的de幾ji乎hu所suo有you模mo擬ni和he數shu字zi外wai設she及ji其qi他ta功gong能neng部bu件jian。這zhe些xie外wai設she或huo功gong能neng部bu件jian包bao括kuo：ADC、可編程增益放大器、DAC、溫度傳感器、12C總線、UART、SPI、定時器、可編程計數器、定時器陣列等。C805lF040單片機采用流水線結構，機器周期由標準的12個係統時鍾周期降為1個係統時鍾周期
，處理能力大大提高
，峰值性能可達到25MIPS。內置64K字節的Flash程序存儲器和256B的內部RAM及4KB位於外部數據存儲器空間的XRAM。C805lF040具有片內JTAG調試電路．通過4腳JTAG接口並使用安裝在最終應用係統中的器件就可以進行非侵入式
、全速的在係統調試。由於其具有多達8路12位ADc和 8路8位ADC．能對來自端口PORTC的單端輸入電壓、電流進行采樣。6通道PWM
，片內可編程看門狗定時器．可大大簡化單片機控製電路的外圍設計和保證了程序的安全運行。ADC負責對充電時電壓

，電流J2C負責溫度數據的采集
，PWM輸出充電時電壓電流的基準值到到比較電路，同時單片機控製開關電源控製模塊UCC3895。

電壓檢測電路：電壓采樣電路由精密電阻和可調電阻構成，由於該單片機AD測量最大設定範圍為5V。所以要使電池組電壓成比例的縮小在5V範圍內．然後利用C805lF040內部的AD轉換功能進行轉換。單片機在內部計算出電池電壓，該電路采用單片機內部自帶l2位 AD轉換．減少了設計電路的複雜性。並提高了可靠性和精度。為了抵抗電氣幹擾和高壓電擊．該電路采用高速隔離光藕PC8l7隔離。

電流檢測電路：一般進行電流采集時在電路中串聯一個阻值很小的取樣電阻．把取樣電阻上的電壓輸入單片機轉換通道
，進行A巾轉換．再通過計算把電壓值轉換為電流值。但由於本方案中充電電流較大．使用電阻采樣會消耗點較多的功率，因此。本方案使用電流互感器進行電流采樣。

溫度檢測電路：溫度采樣采用溫度傳感器LM92。LM92是美國國家半導體公司公司出品的單片高精度數字溫度傳感器。常溫下，測溫精度可達到正負 0．33度。並可與用戶設置的溫度點進行比較。通過12C總線接口可對該傳感器的內部寄存器進行讀寫操作。其編程容易。使用方便，在高精度溫度測量及控溫過程中得到廣泛應用。
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在充電開始前的預處理階段。根據不同的電池，軟件選擇相應的充電算法．將通道選擇控製字寫入C805lF040單片機的方式寄存器PCAOCPMn中．並初始化計數器，定時器的寄存器PCA0和模塊捕捉／比較寄存器PCAOCPn。PWM輸出信號的頻率取決於PCA0計數器/定時器的時基。改變模塊捕捉／比較寄存器PCA0CPn的值可改變PWM輸出脈衝的占空比。

充電開始後。軟件定時采集采樣電池分壓電阻上的電壓值，同時。電流互感器電路實時檢測充電電流．經過計算．設置PCAOCPn單片機PwM的輸出參數。實現最佳智能充電控製。

2．3 狀態液晶顯示模塊電路
選用LCDl286A點陣液晶顯示屏作為狀態顯示。液晶顯示模塊電路可直接與單片機C8051F040的I/O口的P5和P3連接，P5作為數據口 (D0。D7)
；P3．0，P3．1
、P3．2
、P3．3、P3．4和P3．5連接液晶模塊的6條信號線LCDD/l
，LCDR /W．LCDE，LCDCSl．LCDCS2和LCDRST控製液晶的讀，寫操作。在充電的每個階段均有狀態顯示，如：電池處於正在充電狀態、電池因溫度過高進入溫控狀態、電池快充結束充電狀態等。

3 軟件設計

本軟件主要由係統初始化
、預處理、根據不同電池類型和狀態選擇脈衝快速充電模塊與算法或恒流、恒壓
、浮充充電模塊與算法等部分組成。其流程如圖2所示。

圖2主程序框圖

3．1初始化
在程序的初始階段應首先對C805lFU40單片機進行初始化操作．通過設置I／O口編碼交叉開關來設置I/O端口的輸入輸出狀態．確定芯片引腳功能，設置中斷

、TIM定時器參數等等。

3．2預處理
預處理階段是進入快速充電前的準備工作。

程序初始化後，首先利用C805lF040單片機的內部溫度傳感器檢測環境溫度。環境溫度過低或過高時．均不能夠對電池進行充電，否則將損傷電池。

然後，設置A/D轉(zhuan)換(huan)參(can)數(shu)和(he)通(tong)道(dao)，檢(jian)測(ce)電(dian)池(chi)的(de)端(duan)電(dian)壓(ya)。將(jiang)檢(jian)測(ce)數(shu)據(ju)同(tong)理(li)論(lun)經(jing)驗(yan)值(zhi)比(bi)較(jiao)，判(pan)斷(duan)電(dian)池(chi)的(de)類(lei)別(bie)以(yi)及(ji)是(shi)否(fou)連(lian)接(jie)正(zheng)確(que)。對(dui)端(duan)電(dian)壓(ya)低(di)的(de)電(dian)池(chi)，采(cai)用(yong)短(duan)時(shi)間(jian)的(de)脈(mai)動(dong)電(dian)流(liu)充(chong)電(dian)，這(zhe)樣(yang)有(you)利(li)於(yu)激(ji)活(huo)電(dian)池(chi)內(nei)的(de)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)物(wu)質(zhi)。部(bu)分(fen)恢(hui)複(fu)受(shou)損(sun)的(de)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)。對(dui)端(duan)電(dian)壓(ya)在(zai)標(biao)稱(cheng)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)電(dian)池(chi)選(xuan)擇(ze)相(xiang)應(ying)的(de)充(chong)電(dian)控(kong)製(zhi)模(mo)塊(kuai)和(he)算(suan)法(fa)
，對(dui)端(duan)電(dian)壓(ya)不(bu)在(zai)標(biao)稱(cheng)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)電(dian)池(chi)．軟件自動將其剔除。

3．3快速充電
按預定的充電控製模塊和算法設置C805lF040單片機PWM的控製寄存器PCAOCN、方式寄存器PCAOMD以及16位捕捉，比較寄存器PCAOCPn．打開中斷使能位．開始快速充電。

快速充電時
，C8051F04J0單片機必須不斷檢測以下幾項關鍵技術指標：電路是否出現斷路、電池是否出現不均衡現象
、電池是否達到規定的安全電壓
、電池是否溫度過高、電池是否滿足-△v或△T／△t條件。

其(qi)中(zhong)電(dian)池(chi)的(de)斷(duan)路(lu)主(zhu)要(yao)通(tong)過(guo)檢(jian)測(ce)采(cai)樣(yang)電(dian)阻(zu)上(shang)的(de)電(dian)流(liu)大(da)小(xiao)來(lai)判(pan)斷(duan)。而(er)且(qie)為(wei)了(le)避(bi)免(mian)誤(wu)判(pan)斷(duan)應(ying)該(gai)反(fan)複(fu)檢(jian)測(ce)。當(dang)出(chu)現(xian)斷(duan)路(lu)時(shi)應(ying)重(zhong)新(xin)返(fan)回(hui)預(yu)處(chu)理(li)階(jie)段(duan)。斷(duan)路(lu)的(de)判(pan)斷(duan)時(shi)機(ji)應(ying)該(gai)在(zai)電(dian)池(chi)端(duan)電(dian)壓(ya)已(yi)經(jing)達(da)到(dao)預(yu)定(ding)值(zhi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)進(jin)行(xing)
，否(fou)則(ze)在(zai)電(dian)池(chi)端(duan)電(dian)壓(ya)沒(mei)有(you)達(da)到(dao)預(yu)定(ding)值(zhi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)比(bi)較(jiao)小(xiao)。可(ke)能(neng)出(chu)現(xian)誤(wu)判(pan)斷(duan)。

電池的端電壓檢測使用C8051F040單片機的片上12位高精度A／D模塊．采用中斷控製方式。這樣可節省C805lF040單片機在加轉換期間的等待時間。端電壓檢測的數據
，通過充電算法計算電池的電壓負增長-△V是否滿足快速充電終止條件
，時實修改c805lF040單片機PwM的輸出參數，控製充電電流的大小。

電池的溫度檢測在端電壓檢測之後進行。C805lF單片機通過設置不同的地址編碼，訪問相應的數字溫度傳感器 LM92,讀取溫度數據．通過充電算法計算電池的溫度變化率△T／△t是否滿足快速充電終止條件，時實修改C805lF040單片機PWM的輸出參數，控製充電電流的大小。

為了防止電池被衝壞，在電池電壓到達最高端電壓Vmax或最高溫度Tmax時應立刻停止充電，否則會損壞電池。

4 結束語

實驗結果證明

，以C805lF040單片機為控製核心的智能快速充電器已能正常工作。由於C805lF040具有良好的性能價格比，將其特有的模擬電路模塊、高精度A/D轉換、12C總線接口以及高速PwM等功能運用到充電控製中．有效使用了C8051FD40的片內外功能．增加產品的智能化和實用性．節省了產品的開發時間和費用，降低了生產成本，同時也提高了產品的一致性和可靠性，具有很好的推廣價值。