基于 HT66F50 的電動自行車智能充電系統設計

楊智勇，王德軍

（1. 重慶工程職業技術學院 信息工程學院，重慶 400037；2. 重慶大學 自動化學院，重慶 400037）

0 引言

近年來，以小汽車為代表的燃油交通工具數量不斷增多，各城市普遍面臨能源危機和環境惡化的雙重壓力。電動自行車以其具有節能、污染小、結構和控制簡單以及安全性高等優點，被世界各國所普遍采用。隨著各國對節能減排以及環境治理的高度重視，電動自行車必將成為城市私人交通發展的方向[1]。目前，電動自行車用鉛酸蓄電池因其價格便宜、材料來源豐富、比功率較高、可逆性良好、適用范圍廣、使用壽命長以及技術和制造工藝較成熟等優點，為大多數人所喜愛[2]。但是，通過大量研究實驗發現：由于電動自行車用蓄電池充電方法的不合理，導致蓄電池的使用壽命大大縮短，只能達到設置指標要求的三分之一左右[3]。此外，由于充電器的智能化程度較低，在快速充電過程中，存在著蓄電池充放電能量浪費、循環壽命受損等問題[4]。因此，為了使充電技術在充電的速度、質量和效果上滿足人們在生活和生產方面的實際需要，本文設計了一種能夠解決電動自行車用蓄電池充電效率和充電質量問題的充電器，以最大程度延長電池的使用壽命，達到節能減排的效果。

圖1 智能充電系統結構圖

1 設計方案

本系統主要針對目前普遍使用的電動自行車用36V/10A·h鉛酸蓄電池所設計的。其核心設計思想是依據電動自行車用鉛酸蓄電池自身的特性，研究設計具有智能化程度較高、充電性能較好的鉛酸蓄電池智能充電系統。系統除了滿足實現變電流脈沖充放電功能的基本功能以外，還配備了電路監控功能以及友好的人機交互界面。系統結構圖如圖1所示，主要包括以下四個部分：充電電路、取樣檢測電路、控制電路和監控電路。

2 電路設計

本系統通過取樣檢測電路實時對蓄電池的充電狀態進行取樣檢測，并將檢測信號傳送給HT66F50單片機；通過對該信號進行計算分析，得出蓄電池的當前充電狀態，從而制定合適的充電策略；結合軟件編程，系統還能夠實現電池反接檢測等功能。

2.1 充電電路設計

充電電路主要完成系統的充電任務，是系統的功率電路部分，具有輸入濾波、逆變、放電去極化以及輸出整流濾波等功能。

通過在系統電源線的入口處安裝一個輸入濾波電路，可有效地切斷電源線上的電磁干擾[5]。輸入濾波電路是指交流電網與開關電源輸入級之間的系統，輸入濾波電路具有雙向隔離作用：一方面，可以消除從交流電網輸入的各種干擾信號，如開關器件的合閘和關斷信號，雷擊等產生的尖峰干擾信號等；另一方面，它在防止開關電源工作時產生的高頻噪聲信號向電網擴散而污染電網方面也有不可替代的作用。輸入濾波器接在電網輸入和整流橋之間，電路如圖2所示，這是一個雙Л型的LC濾波器，它是兩個Л型的LC濾波器的并聯組成的。整流前后輸出的電流首先通過每個Л型LC濾波器中的電容濾波，然后再經濾波器濾波，從而促使輸出電壓脈動系數的大幅度降低，使濾波效果得到顯著改善。其中，L1是一個共扼電感，它有兩個有相同匝數卻相互獨立的線圈，繞在同一個鐵芯上。

圖2 充電電路

本系統將控制電路送來的PWM信號轉變成能夠直接驅動MOSFET工作的電壓信號。其中，PWM信號由單片機產生。驅動電路圖如圖2所示。

鑒于HT66F50單片機I/O口具有較強的灌電流能力，因此其產生的PWM信號通過電阻和光耦器件隔離后與5V電源連接。當PWM波為低電平時，光耦原邊有電流通過，使光耦副邊導通，此時u1點為低電平，Q3導通，MOSFET的柵極為低電壓，Q4關閉；當PWM波為高電平時，光耦關斷，與之相對應的u1點為高電平，此時Q2導通，MOSFET的柵極為高電平，Q4也導通。

MOSFET的柵極通過R32接地是為了在PWM由高變低時，能夠迅速拉低MOSFET柵極的電壓，實現迅速關斷MOSFET的目標。MOSFET高頻率地開關，易造成輸出電壓有較大的尖峰。特別是在關斷時，由于電路中存在寄生電感，電流瞬間的切斷將會在電感的兩端產生沖擊電壓，解決辦法是對MOSFET增加緩沖電路[6]。當MOSFET關斷時，原電路中的一部分電流通過恢復二極管D15對電容C37進行充電，使MOSFET兩端的電壓緩慢地上升，同時，電路中電流的減小速度也緩慢降低，從而減小MOSFET的損耗和減小尖峰電壓。圖中L6起到了平滑電壓的作用，C38和C39是濾波電容[7]。通過在開關電源整流電路和輸出端之間使用相對簡單的輸出濾波電路，設計相應的濾波電感和濾波電容，可有效節約開發成本并使系統更加小巧，方便攜帶。

此外，在整個快速充電過程中，由于系統需要在恰當的時間內，通過采取負脈沖瞬間放電措施來消除充電電池的極化現象，因此，本裝置設計了一條放電通道，如圖2所示。放電去極化電路是由開關三極管Q5（在其上反向并聯一個二極管，以實現能量的回流，從而保護Q 5）、負載R10和濾波電感L所組成，通過檢查充電電池的實時狀態，單片機分析決定何時進行去極化操作。去極化時，系統將停止充電，此時存儲在濾波電感L中的電能將存儲到電池中，然后單片機通過P2.1管腳使Q5導通，電池通過負載進行放電操作，從而保證電池在充電過程中的適時放電，以更好地消除電池充電過程中的極化現象。

2.2 取樣檢測電路設計

在充電過程中，為了能夠實時監控充電蓄電池的充電狀態，必須對電壓值、電流值和溫度值等信息進行采樣檢查，并將采樣信息反饋給單片機，控制電路通過實時調整PWM信號的占空比，從而調整充電電壓和電流，保證充電操作按照論文中提出的充電方法進行充電。本文設計使用以DS2438為核心構成的取樣檢測電路，對電壓、電流和溫度等狀態信息進行跟蹤采樣，取樣檢測電路如圖3所示。

2.3 控制電路設計

控制電路以HT66F50單片機為核心，并擴展外圍電路，如圖3所示。控制電路的主要作用是接受取樣檢測電路傳送的數據信息，完成充電系統的核心控制功能。單片機通過計算分析取樣信息，根據結果控制PWM的輸出信號來控制開關動作，實現充、放電功能；通過檢測充電電池的溫度、電壓和電流等信息，單片機自動選擇適當的充電模式，并實現電路保護功能；并將檢測到的充電電壓、電流和電池的溫度等信息通過液晶顯示、語音播報等方式予以展現。

圖3 HT66F50單片機控制電路

2.4 監控電路設計

該電路具有液晶顯示、語音播報和蜂鳴報警等功能，主要完成充電過程中的人機交互功能。其中，液晶顯示和語音播報主要用于顯示流過充電鉛酸蓄電池的電流、電壓以及系統工作狀態和故障等信息；蜂鳴器主要用于故障報警提示。

1）液晶顯示電路

本系統采用12864液晶顯示器，HT66F50單片機為LCD數據存儲提供了特殊的數據存儲器，任何寫入其內的數據，都會自動被LCD驅動電路所讀取。LCD顯示分為兩行，第一行顯示電池的電流、電壓和溫度值，第二行顯示電池正常或異常狀態。

2）語音播報電路

本系統還設計了語音播報電路，電路如圖4所示。當充電電池出現充電錯誤或充電完畢等情況時，系統將自動進行語音提示。本電路的核心是ISD4004語音芯片，該芯片采用先進的CMOS技術，具有自動靜噪、多段信息處理和高質量、自然的語音還原等功能，只需要很少的外圍電路就可以組成一個較為完整的聲音錄放系統。

圖4 語音播報電路

3 軟件設計

系統主程序根據所獲得充電蓄電池電壓、電流和溫度等狀態信息，確定系統當前的工作狀態，通過計算分析，得出結果，進而采取最佳的充電方式，從而達到合理控制充電過程的目的。此外，系統還配備了充電去極化、終止充電檢測以及液晶顯示和語音報警等功能。主程序流程框圖如圖5所示。

系統通電后，程序將進行系統初始化，檢查充電電池是否反接，如果異常，則系統將不進行充電操作并報警；如果狀態檢測正常，系統將判斷蓄電池的端電壓值是否滿足大電流充電條件，若其端電壓小于設定值31.4V，則系統將會自動進入涓流充電模式，通過40m A的電流對充電電池進行充電，直至滿足大電流充電為止；若其端電壓大于31.4V，則系統將直接跳過涓流充電而進入大電流充電模式，并以最大允許電流2A的變電流間歇充電對其進行充電操作；當充電電池的端電壓大于或等于40V時，系統將進行電壓負增量檢測操作，以判斷是否停止充電。

圖5 主程序流程圖

系統在去極化操作時，充電電路將停止進行充電操作，同時，系統導通去極化電路開關元件Q5來實現放電去極化的操作。具體的操作過程為：系統通過對蓄電池實時進行充電狀態信息的計算分析操作，獲知蓄電池需要進行去極化操作后，系統將PWM的輸出引腳設置為高阻態，充電電路將停止充電操作；同時，計算得出該蓄電池的負脈沖放電和停充電的時間，將信息送入定時器2中，并啟動定時器2進行去極化放電操作，直至本次去極化放電結束。

4 安裝與調試

系統焊接安裝完畢后，寫入軟件程序。利用實驗室現有設備做了三階段恒流充電、變電流充電和變電流間歇充電三組實驗，驗證了本系統所采用的變電流間歇正負脈沖充電方法的合理性。

5 結論

本文以電動自行車用鉛酸蓄電池充電技術為研究背景，結合電力電子、控制和計算機仿真等技術手段，在研究和比對各種電充電系統和充電方法的基礎上，提出了一種基于HT66F50單片機控制的電動自行車智能充電系統。在理論研究和大量試驗的基礎上，設計構建了簡易的充電實驗裝置，并進行驗證性試驗。通過比較試驗數值和理論設計的誤差，證明了本系統能夠根據實際情況自動調節充電方式，基本能夠滿足鉛酸電池組充電的快速性和去極化的要求，為電動自行車用鉛酸蓄電池快速充電方法和模式的深入研究與應用打下了一定的基礎。由于實驗條件和時間的限制，在設計和試驗過程中存在一些不足之處，如PWM控制脈沖的穩定改進等問題，將作為今后完善和研究的方向。

[1] 別文群,王留芳.基于C504單片機的電動自行車智能充電器的設計[J].計算機技術與發展,2006,16(7)．

[2] 李蓓,王映林.鉛酸蓄電池快速充電器的基礎理論研究尚需加強[J].中國西部科技,2006(31)．

[3] 孫莉莉,雷永鋒,鄭菲.基于PIC16C73B的電動自行車充電器的設計[J].現代電子技術,2007,30(20)．

[4] 張幸,楊偉民,李綱園.智能化電池充電裝置的研究[J].上海理工大學學報,2004,26(4)．

[5] 一種輸出電壓4～16V開關穩壓電源的設計[EB/OL].http://data.weeqoo.com/2007/10/20071019115431108213.htm l. 2007-9-25/2012-4-28．

[6] 張乃國.電源技術[M].中國電力出版社, 1999．

[7] 崔光照,袁贊.基于MF—RC500的射頻卡讀寫系統設計[J]. 微計算機信息,2008,24(29)．