張洪濤，彭瀟麗

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

采用高性能動(dòng)力電池提供能量驅(qū)動(dòng)汽車行駛，可大大減少廢氣排放.因此，動(dòng)力電池的研發(fā)已成為世界各國汽車工業(yè)的重點(diǎn)研究的電池技術(shù)之一.在國內(nèi)，對(duì)大功率動(dòng)力型電池的研究起步晚且不成熟，如何對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行快速充電并保持電池良好的性能，成為制約國內(nèi)電池技術(shù)發(fā)展的頸瓶.本文根據(jù)這一現(xiàn)實(shí)提出了基于ARM的ST M32處理器的智能管理系統(tǒng)和PFC的充電系統(tǒng)，對(duì)鋰離子電池的快速充電進(jìn)行研究［1］.

嵌入式系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)的軟硬件可以裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)可靠性、功能、成本及體積都有嚴(yán)格要求［2］.ST M32芯片使用高性能的ARM Cortex－M3 32位的 RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，同時(shí)提供先進(jìn)的計(jì)算性能和良好的中斷系統(tǒng)響應(yīng).內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)I／O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè).包含3個(gè)12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：2個(gè)I2C、3個(gè)SPI、2個(gè)I2S、1個(gè)SDIO、5個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN.芯片工作的溫度范圍為－40～105℃，供電電壓為2.0～3.6 V，芯片啟動(dòng)后反應(yīng)速度靈敏，當(dāng)充放電過程遇到一系列情況時(shí)，芯片能做出相應(yīng)的快速處理.這些豐富的外設(shè)配置，使得ST M32微控制器適合鋰離子電池充電控制等多種應(yīng)用場(chǎng)合［3］.

1 智能管理系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

快速充電技術(shù)是一種能夠按照電池充放電特性要求進(jìn)行充電，并達(dá)到電池容量、使用壽命最大化的充電技術(shù).鋰離子電池智能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的目標(biāo)是：在不影響電池使用壽命且使電池容量最大化的前提下，實(shí)現(xiàn)快速、高效充電.整個(gè)系統(tǒng)以ARM芯片ST M32為主控制器，通過檢測(cè)電路采樣電池組的電壓和電流信息，并將其轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)反饋給MCU控制器，控制器根據(jù)當(dāng)前鋰離子電池組的充電情況，通過調(diào)整PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電路工作狀態(tài)的調(diào)整，從而完成對(duì)鋰離子電池充電過程的監(jiān)控.鋰離子電池組快速充電系統(tǒng)主要由電源充電電路、采樣檢測(cè)電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)電路四大部分組成.控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示.

圖1 鋰離子電池快速充電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

本文設(shè)計(jì)的鋰離子電池組由10個(gè)單體電池串聯(lián)組成，最大充電電壓為42 V，最小放電電壓為25 V，平均放電電壓為36 V，使用溫度范圍為－20℃～60℃，充電電流為0.5C（C為電池容量），功率因數(shù)PF＞0.95.本設(shè)計(jì)所使用的鋰離子電池，正極材料為Li FePO4和高性能負(fù)極材料，采用恒流充電方法，達(dá)到對(duì)電池進(jìn)行充電的目的.

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源充電電路

電源充電電路由電源電路和充電電路兩部分組成.由于輸入的21 V電壓是交流正弦波，因此輸出電壓會(huì)不穩(wěn)定.為了得到穩(wěn)定的直流輸出電壓，在整流電路和充電電路之間接入一個(gè)DC／DC變換電路.圖2的左邊虛框圖便是Boost型PFC的高頻整流電源電路圖，其工作原理是：將交流市電經(jīng)過電源變壓器T1得到21 V的交流電壓，經(jīng)整流橋UR和電容C1后轉(zhuǎn)化為直流電壓，再經(jīng)過DC／DC功率因數(shù)校正電路，得到穩(wěn)定的42 V直流輸出電壓VI.充電電路對(duì)電池組進(jìn)行恒流充電，其原理圖如圖2右邊虛框圖所示［4］.

圖2 電源充電電路原理圖

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路是控制電路與主電路的接口.驅(qū)動(dòng)器接受控制系統(tǒng)輸出的控制信號(hào)，經(jīng)處理后送出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給開關(guān)器件，控制開關(guān)器件的通、斷狀態(tài).本設(shè)計(jì)采用脈沖變壓器的P－MOSFET（Q1）驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn).其工作原理是：當(dāng)P輸入正信號(hào)時(shí)，脈沖變壓器PTR的二次側(cè)電壓VSG經(jīng)過二極管D4為Q1提供導(dǎo)通電壓，同時(shí)電容C4開始儲(chǔ)存電量，此時(shí)輔助MOS管A M受反偏而阻斷，使電容C4無法通過A M放電.當(dāng)P輸入負(fù)信號(hào)時(shí)，變壓器PTR二次側(cè)電壓VGS大于零，此時(shí)A M導(dǎo)電，DS兩點(diǎn)導(dǎo)通，電容C4的電量放出，使Q1關(guān)斷.驅(qū)動(dòng)電路見圖3.

圖3 脈沖變壓器的P－MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

2.3 控制電路

控制電路包括兩部分：電源電路中的PFC控制電路和充電電路中三端穩(wěn)壓集成電路IC1的輸出電壓控制電路.

PFC控制電路的工作原理為：將電源電路的輸出電壓VI和指令輸出電壓送入一個(gè)比例積分PI型電壓誤差放大器VAR，VAR的輸出是個(gè)直流量K，將二極管整流電壓Vdc和VAR的電壓輸出信號(hào)K共同加到乘法器的輸入端，用乘法器的輸出信號(hào)K×Vdc作為電感電流iL的電流指令ir，電壓VI與電壓指令值的誤差決定了ir的大小.將ir與電感電流iL的檢測(cè)值送入比例積分PI型電流誤差比較器CAR，而開關(guān)管Q1的PWM驅(qū)動(dòng)控制電壓Vr就是由CAR的輸出決定的.最后將Vr與一個(gè)鋸齒波V△送入比較器C，此時(shí)C的輸出信號(hào)就是開關(guān)管Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)VG，VG再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件Q1的工作.PFC控制電路如圖4所示［5］.

圖4 PFC控制電路原理圖

可調(diào)三端穩(wěn)壓集成芯片IC1的輸出電壓控制電路如圖5所示.圖中Y0和Y1由ST M32芯片提供脈沖分配控制，在計(jì)數(shù)脈沖的作用下依次輸出高電平.當(dāng)Y0端輸出高電平時(shí)，IC1的控制端（ADJ端）使IC1輸出電壓僅為1.25 V，此時(shí)電池處于靜置狀態(tài)，同時(shí)VL1點(diǎn)亮；當(dāng)Y1輸出高電平時(shí)，該高電平經(jīng)D5和R6加至IC1的控制端，使IC1的輸出電壓為42 V，該42 V電壓經(jīng)過充電電路中的D3和R2對(duì)電池組進(jìn)行恒流充電，同時(shí)VL2點(diǎn)亮.

圖5 IC1輸出電壓控制電路

2.4 檢測(cè)電路

檢測(cè)電路作為反饋環(huán)節(jié)的重要一環(huán)，必須保證采樣得到的信號(hào)精確可靠.充電時(shí)，當(dāng)電池組電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，通過ST M32處理器使充電控制電路的Y0端為高電平，靜置一段時(shí)間后如果電壓壓降值ΔV小于50 mV時(shí)，則充電完成，如果ΔV 大于50 mV時(shí)，則進(jìn)行放電處理.當(dāng)電池電壓降到設(shè)定值時(shí)，停止放電，轉(zhuǎn)為充電過程.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能充電控制系統(tǒng)軟件是用C語言進(jìn)行編程.將程序?qū)懭隨T M32的FLASH里，經(jīng)過電路處理電池的電壓、電流模擬信號(hào)，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)結(jié)合電池的特性，達(dá)到對(duì)電池充放電系統(tǒng)的控制.該程序主要包括充電控制程序、電壓電流檢測(cè)程序、LED顯示程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序四個(gè)程序模塊.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖6所示［6］.

圖6 系統(tǒng)流程圖

4 仿真測(cè)試結(jié)果

圖7a為加入PFC控制前的輸入電流電壓的波形圖，圖7b為加入PFC控制后的輸入電流電壓的波形圖，可以看出加入PFC后波形變得很平穩(wěn).

圖7 PFC控制前后電源電路的電流電壓波形圖

圖8為電路在恒流充電時(shí)的電流波形圖，從圖中可以看到，恒流充電時(shí)的電流很穩(wěn)定，波紋很小.

圖8 恒流充電電流波形圖

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)采用Boost型的PFC控制電路得到波紋很小的電源電壓，從而得到穩(wěn)定的恒流充電電流.采用ST M32處理器，功能強(qiáng)大，速度快，功耗低，用來作為動(dòng)力鋰電池組快速充電裝置的控制器，線路簡(jiǎn)單可靠，程序采用C語言編譯.通過該系統(tǒng)為電池組提供了有效的充電控制和檢測(cè)，最大限度地發(fā)揮了鋰電池組的整體性能.

［1］冀常鵬.現(xiàn)代通信電源［M］.北京：國防工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

［2］張洪濤，黃 杰，王 琰.一種基于ARM嵌入式系統(tǒng)的血壓檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（2）：70－72

［3］ST Microelectronics.ST M32F10xxx Reference Manual英文第7版［EB／OL］.（2008－12）［2011－11－10］http：／／www.st.co m.

［4］全新實(shí)用電路集萃叢書編輯委員會(huì).電源應(yīng)用電路集萃［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［5］陳 堅(jiān).電力電子學(xué)－電力電子變換和控制技術(shù)［M］.第二版.北京：高等教育出版社，2004.

［6］候殿有，才 華.ARM嵌入式C編程標(biāo)準(zhǔn)教程［M］.北京：人民郵電出版社，2010.