基于ATmega16的鎳氫電池快速充電器的設計

2021-04-24 ryder

簡介：鎳氫電池是一種使用非常廣泛的可充電電池,廣泛用于各種電子設備,如手機、照相機、隨身聽和Mp3。

鎳氫電池是一種使用非常廣泛的可充電電池,廣泛用于各種電子設備,如手機、照相機、隨身聽和Mp3。基于鎳氫電池的充電器市場上也有非常多的種類,依據調研目前市場現有的充電系統大都采用固定的模式對電池進行充電,充電時間過長(慢充10h左右,快充電也要5h左右)。快充電必然要加大充電電流,但由于缺少必要的測試手段,容易使電池過熱或充電過度,影響蓄電池壽命[1]。基于以上原由,筆者設計了一款智能快速充電器,該充電器以ATmega16單片機為核心,使用開關電源和模糊控制技術,采用脈沖充電方式,在線實時測試充電狀態,達到了較好的效果。

一）工作原理

該系統由5V開關電源電路,DC-DC變換電路,電壓、電流、溫度測試電路,以及放電電路組成,其充電原理見圖1。5V開關電源電路供應穩定的5V直流電,供單片機和充電主回路使用。其工作原理如下:單片機通過內部集成的A/D轉換器,實時采集充電時的電流、電壓和溫度信號,調節pWM控制信號的占空比,控制MOS管的開通和關斷,從而調整脈沖電壓的幅值進而調節充電電流的大小。MOS管輸出的脈沖電壓經過直流濾波,成為穩定的直流電加在蓄電池上,對蓄電池進行充電。放電控制適時地對蓄電池進行去極化放電。

圖1充電原理圖

二）系統硬件組成

充電主電路及測試電路見圖2。由于篇幅原由,5V開關電源電路沒有畫出,只畫出一路(本充電器含兩路,能同時對兩節AA/AAA號電池充電)充電主電路及測試電路。

2.1AVR單片機

AVR單片機是ATMEL公司1997年研發的加強型并內置Flash的精簡指令集高速8位單片機。Atmega16單片機是AVR單片機系列中的高性能單片機,它內部帶有16kB系統內可編程Flash程序存儲器,512b的EEpROM,1kB的片內SRAM;32個可編程的通用I/O口;32個通用工作寄存器;實時時鐘(RTC);兩個8位按時器.計數器、一個16位按時器.計數器,具備通道的pWM功能;8通道10位ADC;可選的可編程增益;片內振蕩器和可編程看門狗按時器。它是一種可靠性高、功能強、高速度、低功耗和低價位的單片機。

2.2充電主電路

充電主電路其實是一個buck變換器,由AVR的pWM通過雙極性NpN晶體管8050驅動p溝道MOS管IRF9540。開關管與電感、二極管和電容相連,二極管D2用來戒備在斷電時電池向微解決器供電。

圖2充電主電路及測試電路

2.3測試電路

2.3.1電壓測試

為了監控電池正負兩極之間的充電電壓,設計中使用了一個運放。測量電池電壓的運放電路為一般的差分運放電路。單片機內集成的模數轉換器ADC(10位ADC,1024個量化單位)的測量范圍為AGND～AREF,其中AGND為地電壓,AREF為參考電壓。取R8=R10=10k8,R9=R11=11k8,可計算得到某一量化單位對應的電壓值:U測=N×2193(mV),其中N為單片機ADC所采集轉換得到的數。

2.3.2電流測試

充電電流通過0118的精密電阻R13獲取。為了提高測量精度,這個電壓通過運放放大,然后送入單片機的ADC。取R12=1k8,R14=10k8,可計算得到某一量化單位對應的電流值:I測=N×2193(mA)。

2.3.3溫度測量

電池溫度通過負溫度系數電阻R15測量,其阻值在25℃時近似為10k8。NTC為分壓器的一部分,由參考電壓(AREF,3.3V)供電。由圖2可得到:

由于NTC的電阻不是線性的,在實際使用中可以利用查表法來查找對應的溫度。

2.4放電控制

蓄電池放電緊要通過大功率電阻R5進行。三極管D880緊要充當開關的用途,平時D880處于關斷的狀態,當要放電時,單片機給出放電信號,D880導通,蓄電池開始放電。

三）模糊控制及軟件設計

經研究聲明充電電流特性曲線與環境溫度、電池的新舊程度、電池的放電深度、電池充電容量和負荷電流的變化有關,為非線性、時變系統。所以要找到描述該特性曲線的精確數學模型是很難的,最有效的方法是使用模糊數學理論進行模糊控制,基于專家的知識和相關經驗建立模糊控制規矩,通過模糊邏輯推理完成控制決策過程,最后實現對被控對象的調節控制。由鎳氫電池的充電特性可知,在不同的充電階段鎳氫電池可以接受的充電電流不同。充電電壓達到峰值后,電池端電壓變化較小,比較平坦,只出現微小增量。但倘若充電電流過大電池溫度將快速上升,嚴重影響電池壽命,甚至造成電池爆炸[2],所以充電快要結束時成為控制的要點。基于以上的原由,制定充電規矩如下:第一階段以預設小電流(0.1C)進行恒流充電(其中C表示蓄電池的容量,如1800mAh,0.1C表示以180mA的電流進行充電),當電池電壓超過某一閾值(1.0V)時到達第二階段,這樣可以戒備過放電的電池大電流充電時受到損害;第二階段采用預設大電流(1C)進行恒流脈沖充電,并適時地進行去極化放電;第三階段是當電池電壓超過第二個閾值(1.45V)時采用模糊控制辦法對充電電流進行自適應控制,使充電電流隨電池電壓的升高逐漸減小,以達到最佳充電效果。充電終止時最高電壓測試與溫度變化率△T/△t測試并用,同時設定最大充電時間及最高電池溫度。

3.1模糊控制器

模糊控制器以理想電壓與實際電壓之差△U和其變化率△Un-△Un-1作為輸入,充電電流I為輸出,構成一個二維模糊控制系統。在充電過程中適時對蓄電池進行去極化放電。△U和△Un-△Un-1均有5個語言值,即“NB(-2)”、“NS(-1)”、“Z(0)”、“pS(+1)”、“pB(+2)”,模糊控制表見表1。

表1模糊控制表（I）

表1中,“I”為0,表示維持充電電流不變;“+1”表示電流增大一個等級;“-1”表示電流減小一個等級;“+2”、“-2”依此類推。規矩表預存在單片機的EEpROM中,程序通過查表選擇相應的控制規矩。

3.2系統軟件流程

系統軟件流程圖見圖3。

圖3系統軟件流程圖

四）結論

(1)利用本系統對AA超霸鎳氫電池進行了多次快速充電試驗,使用脈沖充電與模糊控制相結合的辦法,蓄電池溫升比恒流(1C)充電均勻降低約5℃。

(2)由于采用了先進的充電控制策略,智能控制充電電壓和電流,大大縮短了充電時間(1h～2h可洋溢),充電速度比常規充電器提高了3倍～5倍。

(3)充電過程安全可靠,不會損壞電池或縮短電池壽命,達到了較好的效果。

參考文獻:

[1]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(4):3812384.

[2]常江,景占榮,高田.基于HGA的模糊神經控制器設計及其使用[J].計算機工程與使用,2006(14):2222224.