摘 要：提出一種新型基于Motorola公司MC68HC908SR12單片機控制的蓄電池充放電綜合控制設(shè)備的設(shè)計方案。重點闡述該綜合控制設(shè)備的電源電路、充電控制單元、放電控制單元、溫度檢測電路、人機接口單元、中央控制單元和FPGA輔助控制單元的結(jié)構(gòu)及原理，提出該綜合控制設(shè)備的軟件設(shè)計流程。結(jié)果表明該綜合控制設(shè)備可提高串聯(lián)電池組工作效率、延長其使用壽命、軍事應(yīng)用環(huán)境中性能可靠，在軍民兩用方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)電池組；平衡充放電；電磁干擾；綜合控制設(shè)備

中圖分類號：TP274文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)2005903

A New Storage Battery Charge and Discharge Comprehensive Control Equipments

YANG Kai，ZHANG Hui，MEI Junhui，CHEN Xufeng

(Unit 63888 of PLA，Jiyuan，454650，China)

Abstract：A kind of new design project ofthe storage battery charge and discharge comprehensive control equipments of design project based on MC68HC908SR12 in Motorola Company.The comprehensive control equipments of power supply circuit，charge control unit，discharge control unit，temperature measurement circuit，human-computer interface unit，central control unit and FPGA auxiliary unit′s structure and principle，and software design process of the equipment are elaborated.Results prove that comprehensive equipments can improve series battery set′s work efficiency，prolong its service life，it has extensive f_oreground in military and civilian.

Keywords：series battery set;balance charge and discharge;electromagnetism interference;comprehensive control equipment

由于軍事應(yīng)用中一些不斷電設(shè)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(nèi)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(shè)備的應(yīng)用環(huán)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(shè)備，因而這里設(shè)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(shè)備。

1 系統(tǒng)設(shè)計概述

該蓄電池充放電綜合控制設(shè)備以MC68HC908SR12單片機為控制核心，采用FPGA輔助控制設(shè)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(shè)備主要針對軍事應(yīng)用中一些不斷電設(shè)備耗能較大，普遍采用蓄電池串聯(lián)供電的情況設(shè)計的。在設(shè)計過程中著重考慮蓄電池的平衡特性，以提高串聯(lián)蓄電池供電組的工作效率、延長其使用壽命。圖1是其系統(tǒng)框圖。

2 硬件設(shè)計

下面對充放電綜合控制設(shè)備的硬件設(shè)計過程進行概述說明。

2.1 電源電路

使用開關(guān)電源作為充電器的供電設(shè)備。開關(guān)電源采用脈沖調(diào)制方式PWM（Pulse Width Modulation）和MOSFET，BTS，IGBT等電子器件進行設(shè)計。開關(guān)電源集成化程度較高，具有調(diào)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(shè)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(nèi)模擬電路模塊和片外的MOSFET開關(guān)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(guān)、兩組可程控放大器、片內(nèi)溫度傳感器、電流檢測電路等組成?？沙炭胤糯笃骺偡糯蟊稊?shù)為1～256。放大器的輸入可選擇為2路模擬輸入腳（ATD0，ATD1）、片內(nèi)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(chǎn)生中斷并輸出信號。

在充電開始前的預(yù)處理階段，根據(jù)檢測到的不同電池特性，軟件選擇相應(yīng)的充電算法，充電算法由單片機和FPGA輔助控制單元實現(xiàn)。在充電開始后，軟件定時采集感應(yīng)電阻R上的電壓值，經(jīng)過計算，設(shè)置SR12單片機的輸出控制參數(shù)。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(chǎn)生中斷并由SR12單片機控制及時關(guān)斷充電電流，實現(xiàn)恒流恒壓的充電控制。

均衡充電是本充放電綜合控制設(shè)備的一個重要特點。在充電的過程中，由于電池的質(zhì)量不相同，容量小、質(zhì)量差的電池端電壓在充入相同電量后會出現(xiàn)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(guī)定的安全電壓，充電過程也將被迫停止。此時應(yīng)該停充電壓高的電池，即均衡充電。這樣有利于恢復(fù)電池內(nèi)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(xiàn)電池組的平衡放電。平衡放電是本充放電綜合控制設(shè)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(nèi)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(shè)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(xiàn)蓄電池組放電電池個體的平衡放電。這樣有利于恢復(fù)蓄電池內(nèi)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(xiàn)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(shè)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(xiàn)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ΔT/Δt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(dǎo)體公司出品的單片高精度數(shù)字溫度傳感器LM92設(shè)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(yīng)電路

設(shè)計鍵盤響應(yīng)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(jù)實際情況，在MC68HC908SR12單片機的鍵盤中斷使能寄存器KBIER中寫入相應(yīng)的值，寫入“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(nèi)部上拉30 kΩ的電阻，這樣鍵盤響應(yīng)電路的設(shè)計十分簡潔，要注意的是應(yīng)用軟件中要增加鍵盤消抖動子程序，防止誤操作。

（2） 狀態(tài)顯示電路

狀態(tài)顯示電路的設(shè)計使用MC68HC908SR12單片機PORT A（PTA0～PTA5）端口的LED直接驅(qū)動功能。編程時首先設(shè)置PORT A的工作狀態(tài)，在LED控制寄存器LEDA中寫入相應(yīng)的值，寫入“1”表示可直接驅(qū)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(tài)顯示，如：電池處于正在充電狀態(tài)、電池因溫度過高進入溫控狀態(tài)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(xiàn)充放電綜合控制設(shè)備的狀態(tài)控制轉(zhuǎn)換功能。根據(jù)傳感器獲取的不同狀況，寫入不同指令，轉(zhuǎn)換不同的工作模式。

3 軟件設(shè)計

充放電綜合控制設(shè)備的軟件設(shè)計思想是：各個功能組件實現(xiàn)模塊化編程，軟件流程采用中斷工作方式。其目的是使應(yīng)用軟件流程清晰、可讀性強、易于功能調(diào)試以及產(chǎn)品的維護和升級。本軟件主要由初始化、預(yù)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(yīng)首先對MC68HC908SR12單片機進行初始化操作，包括設(shè)置I/O端口的輸入/輸出狀態(tài)，設(shè)置PLL鎖相環(huán)電路參數(shù)，設(shè)置TIM定時器參數(shù)等。

3.2 預(yù)處理

預(yù)處理階段是充放電綜合控制設(shè)備正常工作前的準備階段。程序初始化后，先根據(jù)利用MC68HC908SR12單片機的內(nèi)部溫度傳感器檢測環(huán)境溫度。當環(huán)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(shè)置A/D轉(zhuǎn)換參數(shù)和通道，檢測電池的端電壓。將檢測數(shù)據(jù)與理論經(jīng)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(nèi)的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)，部分恢復(fù)受損的電池單元。

3.3 充放電

根據(jù)控制單元給出的指令，進行充放電。綜合充放電設(shè)備在硬件電路設(shè)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(shè)計時也給予相應(yīng)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(yīng)指令，控制充放電綜合設(shè)備各模塊協(xié)調(diào)工作。

4 結(jié) 語

該蓄電池充放電綜合控制設(shè)備設(shè)計時充分考慮了串聯(lián)電池組充放電時的平衡效應(yīng)，可以很好地應(yīng)用于串聯(lián)電池組的充放電控制，能夠提高串聯(lián)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(shè)備主要配合軍用不斷電設(shè)備使用，在其設(shè)計時也充分考慮了軍事應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，因而，該蓄電池充放電綜合控制設(shè)備在軍民兩用方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻

［1］Gottwald T，Ye Z，Stuart T.Equalization of EV and HEV Batteries with a Ramp Converter［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1997，33(1):307-311.

［2］Hopkins D C，Charles R Mosling，Stephen T Hung.Dynamic Equalization during Charging of Serial Energy Storage Elements［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1993，29(2):363-368.

［3］張占松，蔡宣三．開關(guān)電源的原理與設(shè)計［M］．北京：電子工業(yè)出版社，1998．

［4］曲學(xué)基，王增福．穩(wěn)定電源實用手冊［Z］．北京：電子工業(yè)出版社，1994．

［5］王剛，李國勇，陳微，等．基于DSP的蓄電池充放電裝置的研究［J］．自動化技術(shù)與應(yīng)用，2007（3）：122-124．

［6］王平，余剛，胡向東，等．基于MSP430單片機的以太網(wǎng)供電設(shè)備的硬件設(shè)計［J］．重慶郵電大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007（2）：192-196．

［7］王桂風(fēng)，王桂光，王希天．基于LTC3780的開關(guān)電源模塊及其在蓄電池中的應(yīng)用［J］．電源技術(shù)應(yīng)用，2006（9）：18-22．

［8］片春媛，劉俊峰，袁莉，等．蓄電池充放電控制系統(tǒng)［J］．鐵道機車車輛，2005（6）：46-47，55．

［9］王舉，王鞘，鄭天舉．基于89C51單片機的蓄電池快速充放電系統(tǒng)［J］．企業(yè)標準化，2006（z1）：110-111．

［10］蔡子亮，馬俊朋．一種新型電力系統(tǒng)蓄電池放電裝置的設(shè)計［J］．繼電器，2007（14）：38-41．

作者簡介 楊 凱 男，1982年出生，助理工程師。主要研究方向為通信電子技術(shù)。