基于89C52的智能型快速充电器设计

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(常州工学院电子信息及电气工程学院，江苏 常州 213000)

0 引 言

目前,能源和环境问题已经越来越多的成为影响经济健康发展的重要要素,而引发能源和环境问题的主要原因是传统燃油汽车尾气排放造成的污染及其对石油资源的过度消耗。在面对这些问题时,电动汽车以其良好的环保、节能特性,已经逐步成为当今国际汽车发展的潮流和热点。然而,电动汽车发展至今,阻碍其发展的问题也相继突现,其中最为重要的问题之一就是电池技术[1]。

蓄电池被誉为电动车的心脏，其使用成本、续航能力等问题成为电动汽车推广普及的瓶颈。而快速充电方式正是这些问题的症结所在。不当的充电方式不仅会缩短蓄电池的使用寿命，增加用户成本，也会影响汽车的续航能力，造成电池容量下降、早衰，还会影响蓄电池的使用性能，严重时会造成起火甚至爆炸,所以如何快速无损伤充电成为必须解决的关键技术。

目前, 常用的快速充电方法[2]有：

(1)恒压充电,它是指将充电电压尽量选取与蓄电池充电过程中出气点相适应的电压值并始终保持在这个电压进行充电的方法。这种方法耗能少,产气量少,但是充电时间较长。

(2)阶段充电方法,其主要包括：二阶段充电方法、三阶段充电方法。这种充电方法的充电时间可以在恒压充电的基础上适当缩短,但是它在充电过程中没有充分考虑电能与化学能之间的转换效率问题。

(3)变电流间歇充电方法,其主要是建立于恒流充电与脉冲充电的技术基础上。此方法充电时间进一步缩短,但是实现过程较为困难，电路较为复杂，有些关键技术尚未成熟，例如：变电流节点的界定等。

(4)正负脉冲充电法分为两种，一种是只有正脉冲没有负脉冲，另一种是有负脉冲的。这里干脆就不提。根据马斯第三定律分析，大电流放电可以提高充电接受率，适时适量的负脉冲，可以消除充电中产生的极化，从而可以提高充电效率，缩短充电时间[3]，所以我们在阶段充电方法的基础上将恒压充电阶段改为正负脉冲充电。同时在PWM正负脉冲充电方式[4]的基础上增添了停充的过程，防止电路因为开关管的时差而发生短路。

1 系统硬件电路设计

设计方案主要由电源电路、正负脉冲控制电路、单片机系统电路和A/D转换电路组成。如图1所示，图中5V电源电路为单片机系统电路供电，单片机系统电路通过内部软件程序输出所需波形，实现正负脉冲，A/D转换电路对电池两端电压进行取样、模数转换，对充电状态进行判断。

图1 智能充电器电路框图

1.1 电源电路

由工频变压器、整流元件、滤波元件和三端稳压集成电路组成，为单片机供电部分和A/D转换器提供工作电压，如图2所示。

图2 电源电路原理图

1.2 正负脉冲控制电路

设计中的正负脉冲充电方法采用充电—停充—放电—停充—充电[5]的循环过程，以此来控制充电过程中带来的温升对蓄电池的影响[6]，软件程序中设定每个周期中充电时间、停充时间和放电时间，正负脉冲通过一组MOS管的开通和关断来实现。

设计的主电路如图3所示[7]， Q3为P型MOS管，控制正脉冲的产生，以此来控制充电电压的通断：Q5为N型MOS管，控制负脉冲的产生，以此来控制蓄电池的放电。电阻R18是采样电阻，将电阻上的电压经过A/D转换器输出到单片机中，用来判断蓄电池的工作状态。

图3 正负脉冲控制电路原理图

1.3 单片机系统电路

单片机系统以STC89C52为核心，这种单片机具有传统51单片机不具备的功能，可为嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[8]。

其工作原理如图4所示，电阻R9、电容C11、开关S组成单片机的复位电路，电容C12、C13、晶振Y1组成单片机的晶振电路，复位电路、晶振电路和单片机U6构成了单片机的最小系统。单片机21脚即P20脚通过二极管D3输出信号，当输出的信号为高电平信号时充电状态进入浮充状态。采样电压经过A/D转换器后输入到P1端口，来判断采样电压的极性，如果极性不对，则不对蓄电池充电并利用指示灯闪烁来提示。如果极性正确，则对蓄电池进行充电，在充电过程中对采样电压进行再次判断，将采样电压与设定值进行比较，当采样电压大于所设定的值，则认为蓄电池过电压，单片机就控制蓄电池进入涓流充电。

1.4 A/D转换电路

A/D转换电路如图5所示，ADC0809芯片[9]12和16分别接VCC和接地，23、24、25引脚均接地表示选通通道0，将采样电压接到26引脚上就能对采样电压进行模数转换。

图4 单片机系统电路原理图

图5 A/D转换电路

2 系统软件设计

2.1 系统软件功能

系统软件需要用来检测采样电压的极性、大小，等到电压的极性正确时才能够进行充电，当电压大小大于设定值时控制蓄电池进入涓流状态。通过程序设定充电时间、停充时间和放电时间，充电完成后，软件控制电路断电。

2.2 系统软件流程图

系统软件流程图，如图6所示。

图6 系统软件流程图

3 系统测试

通过对蓄电池进行充电的实验，我们发现系统能够很好的完成设定的各种要求，充电时间大大减少，电能的利用率大大提高。

4 结束语

设计是基于单片机89C52的充电器，着重阐述了充电器控制系统的软硬件设计，分析了正负脉冲充电电路的工作过程和原理。本设计能够在不损伤蓄电池的基础上大大减少充电时间和提高电能的利用率，同时，防止极性反接的功能也能够起到对蓄电池的保护。

特别致谢“大学生实践创新创业训练计划”(项目国家级编号：201311055004)和常州工学院“大学生实践创新训练项目”(项目编号：J120713)对项目的支持！

[1] 刘 兵，刘晓朋，曾翔亮.基于条码识别技术的智能购物车设计[J].森林工程，2012，28(6)：32-35.

[2] 赵光明. 蓄电池快速充电方法研究[J].通信电源技术，2012，29(4)：128-130.

[3] 余 峰，张志华，何 俊. 铅酸蓄电池脉冲充电技术研究[J].化学电源，2010(4)：51-54.

[4] 马丽丽，闫志伟，贺超兴. —种新型快速脉冲充电电路的设计[J].现代仪器与医疗，2013(6)：11-13.

[5] 雷卫军，张良兵. 单片机控制的蓄电池快速充电系统[J].自动化与仪表，2004(3)：91-93.

[6] 冯仁斌，魏晓斌，胡恒生. 铅酸蓄电池的快速充电[J].电源技术，2003(1)：72-74.

[7] 王 斌，赵 卉，孔令强. 正负脉冲型电动车智能充电器的设计[J].山西电子技术，2003(1)：18-19，23.

[8] STC公司. STC89C52数据手册[Z].2013.

[9] 美国国家半导体公司. ADC0809数据手册[Z].