|
由于軍事應用中一些不斷電設備耗能較大，因而普遍采用串連電池組的模式避免過高的電流。串連電池組的充放電與單一電池的充放電有所不同，電池組內不同電池的差異如果不被重視就會造成電池組使用效率降低，減少蓄電池的使用壽命；考慮軍用設備的應用環境的特殊要求，目前市場上還沒有一種可以滿足這些需求的綜合充放電控制設備，因而這里設計一種可以很好滿足這些需求的新型蓄電池充放電綜合控制設備。 1 系統設計概述 該蓄電池充放電綜合控制設備以MC68HC908SR12單片機為控制核心，采用FPGA輔助控制設計。主要包括電源電路、恒流恒壓充電控制單元、平衡放電控制單元、中央控制單元、FPGA輔助控制單元、溫度檢測電路、人機接口電路等。蓄電池充放電綜合控制設備主要針對軍事應用中一些不斷電設備耗能較大，普遍采用蓄電池串聯供電的情況設計的。在設計過程中著重考慮蓄電池的平衡特性，以提高串聯蓄電池供電組的工作效率、延長其使用壽命。圖1是其系統框圖。 2 硬件設計 下面對充放電綜合控制設備的硬件設計過程進行概述說明。 2.1 電源電路 使用開關現代電子技術作為充電器的供電設備。開關電源采用脈沖調制方式PWM(Pulse Width Modulation)和MOSFET，BTS，IGBT等電子器件進行設計。開關電源集成化程度較高，具有調壓、限流、過熱保護等功能。與線性電源相比其輸入電壓范圍寬(通常可達交流85～265 V)、體積小、重量輕、效率高。同時，其易于FPGA輔助控制單元對其進行控制。 2.2 充電控制單元 充電控制單元采用目前較成熟的恒流恒壓充電電路來設計完成。圖2是電路原理圖。恒流恒壓電路由Motorola公司的MC68HC908SR12單片機片內模擬電路模塊和片外的MOSFET開關管、肖特基二極管、濾波電感、濾波電容等器件組成。模擬電路模塊是Motorola公司的MC68HC908SR12單片機的特有部件，它由輸入多路開關、兩組可程控放大器、片內溫度傳感器、電流檢測電路等組成。可程控放大器總放大倍數為1～256。放大器的輸入可選擇為2路模擬輸入腳(ATD0，ATD1)、片內溫度傳感器、模擬地輸入(VSSAM)。ATD0和VSSAM間可接一個電流檢測電阻，用于測量外部電流，它還連接至電流檢測電路，可在電流超過指定值時產生中斷并輸出信號。 在充電開始前的預處理階段，根據檢測到的不同電池特性，軟件選擇相應的充電算法，充電算法由單片機和FPGA輔助控制單元實現。在充電開始后，軟件定時采集感應電阻R上的電壓值，經過計算，設置SR12單片機的輸出控制參數。同時，電流檢測電路實時檢測充電電流，在電流超過指定值時產生中斷并由SR12單片機控制及時關斷充電電流，實現恒流恒壓的充電控制。 均衡充電是本充放電綜合控制設備的一個重要特點。在充電的過程中，由于電池的質量不相同，容量小、質量差的電池端電壓在充入相同電量后會出現電壓增長比另一個電池多的情況，如果不采取措施，它們的電壓差將會增大，以至其中一個電池很快達到規定的安全電壓，充電過程也將被迫停止。此時應該停充電壓高的電池，即均衡充電。這樣有利于恢復電池內受損的單元，使充電過程能順利地進行下去。 2.3 放電控制單元 放電控制單元主要有2部分組成，一是返馳式平衡放電電路，可以實現電池組的平衡放電。平衡放電是本充放電綜合控制設備的一個重要特點。在放電的過程中，由于電池的個體差異，如果不采取措施，電池組內電池個體的差異將越來越明顯，這樣會使電池組工作效率降低，使用壽命減少。放電控制單元采用的返弛式放電電路設計，其原理圖如圖3所示，該電路本身具有的電感端電壓互相牽制特性(也稱電路的返弛性)可以實現蓄電池組放電電池個體的平衡放電。這樣有利于恢復蓄電池內的受損單元，提高蓄電池的工作效率和使用壽命。二是過度放電保護電路，該電路可以實現對電池組的過度放電保護。圖4是電池組過度放電保護電路原理圖，當端電壓檢測電路檢測到的電壓低于設定的安全放電電壓時，該保護電路可以把放電電路切斷，實現對蓄電池的保護。 2.4 溫度檢測電路 在充電過程中，電池的溫度會隨著充電容量的增加而上升，尤其在接近充電終止時，溫度變化率△T／△t最大，該特性是判斷電池是否充滿的主要條件之一。因此，采用美國國家半導體公司出品的單片高精度數字溫度傳感器LM92設計溫度檢測電路。其電路原理圖如圖5所示。 2.5 人機接口單元 (1)鍵盤響應電路 設計鍵盤響應電路時，使用MC68HC908SR12單片機PORT D(PTD6和PTD7)端口的鍵盤中斷功能(KBI)。根據實際情況，在MC68HC908SR12單片機的鍵盤中斷使能寄存器KBIER中寫人相應的值，寫人“1”表示中斷允許，寫入“0”表示不能中斷。鍵盤中斷允許的端口，MC68HC908SR12單片機將對其內部上拉30 kΩ的電阻，這樣鍵盤響應電路的設計十分簡潔，要注意的是應用軟件中要增加鍵盤消抖動子程序，防止誤操作。 (2)狀態顯示電路 狀態顯示電路的設計使用MC68HC908SR12單片機PORT A(PTA0～PTA5)端口的LED直接驅動功能。編程時首先設置PORT A的工作狀態，在LED控制寄存器LEDA中寫入相應的值，寫入“1”表示可直接驅動LED，寫入“0”表示作為標準I／O端口。在充電的每個階段均有狀態顯示，如：電池處于正在充電狀態、電池因溫度過高進入溫控狀態等。 2.6 中央控制單元和FPGA輔助控制單元 中央控制單元和FPGA輔助控制單元主要實現充放電綜合控制設備的狀態控制轉換功能。根據傳感器獲取的不同狀況，寫入不同指令，轉換不同的工作模式。 3 軟件設計 殼放電綜合控制設備的軟件設計思想是：各個功能組件實現模塊化編程，軟件流程采用中斷工作方式。其目的是使應用軟件流程清晰、可讀性強、易于功能調試以及產品的維護和升級。本軟件主要由初始化、預處理、控制算法、充放電4個部分組成。 3.1 初始化 在程序的初始階段應首先對MC68HC908SR12單片機進行初始化操作，包括設置I／O端口的輸入／輸出狀態，設置PLL鎖相環電路參數，設置TIM定時器參數等。 3.2 預處理 預處理階段是充放電綜合控制設備正常工作前的準備階段。程序初始化后，先根據利用MC68HC908SR12單片機的內部溫度傳感器檢測環境溫度。當環境溫度過低或過高時，均不能對電池進行充放電，否則將損傷電池。然后，設置A／D轉換參數和通道，檢測電池的端電壓。將檢測數據與理論經驗值比較，判斷電池的類別以及是否連接正確。對端電壓低的電池，采用短時間的脈動電流充電，這樣有利于激活電池內的化學反應物質，部分恢復受損的電池單元。 3.3 充放電 根據控制單元給出的指令，進行充放電。綜合充放電設備在硬件電路設計時考慮了平衡充電、平衡放電以及過放電保護等情況，因此，軟件設計時也給予相應的考慮。 3.4 控制算法 控制算法主要是控制MC68HC908SR12單片機和FPGA輔助控制單元，寫入相應指令，控制充放電綜合設備各模塊協調工作。 4 結 語 該蓄電池充放電綜合控制設備設計時充分考慮了串聯電池組充放電時的平衡效應，可以很好地應用于串聯電池組的充放電控制，能夠提高串聯電池組的工作效率、延長其使用壽命；同時考慮到該充放電綜合控制設備主要配合軍用不斷電設備使用，在其設計時也充分考慮了軍事應用環境的復雜性和特殊性，因而，該蓄電池充放電綜合控制設備在軍民兩用方面具有廣泛的應用前景。 |
