基于PIC16F73的智能镍镉电池充电器

机　　电　　工　　程

MECHAN I CAL &E LECTR I CAL E NGI N EER I N GMAG AZI N E

Vol .25No .6

Jun .2008

收稿日期:2007-12-17

作者简介:高志宏(1963-),男,浙江湖州人,副教授,博士研究生,主要从事过程控制与机器人控制方面的研究。

基于P I C16F73的智能镍镉电池充电器

高志宏

(湖州职业技术学院理工分院,浙江湖州313000)

摘　要:由于电池的充电过程对其寿命影响最大,根据镍镉电池的特性,设计了以PI C16F73作为控制器的智能镍镉电池充电器。利用电池的电压和温度数据作为输入,设计了模糊控制器,采用模糊控制方法对电池进行充电以保证电池的充足率。利用PI C16F73的I 2

C 接口进行组网,在PC 机的监控下可以同时对40组矿灯电池进行充电。实践证明,该智能充电器智能化程度高,体积小,成本低,工作稳定可靠,具有较好的实用价值。关键词:镍镉电池;P I C16F73;模糊控制;I 2

C 总线中图分类号:TP368.1　　　　文献标识码:A

文章编号:1001-4551(2008)06-0097-03

I n telli gen t N i/Ca charger ba sed on P I C16F73

G AO Zhi 2hong

(Institute of Sci 2teeh,Huzhou V ocational technotogy College,Huzhou 313000,China )

Abstract:For the charging of battery has the most effect on it p s lifeti m e,taking the P I C16F73as contr oller,the intelligent charg 2er was designed,according t o the characteristic of N i/Ca battery .U sing the battery voltage and te mperature data as input,a fuzzy contr oller was designed t o charge battery,the full capacity of battery was guaranteed .Further more,forty batteries could be charged once ti m e under the monit oring of PC,using the I 2

C interface of P I C16F73.Experi m ent results p r ove that the charger has an intelligent perf or mance,works steadily,and has the excellent p ractical value .Key words:N i/Ca battery;P I C16F73;fuzzy contr ol;I 2

C bus

0　前　言

镍镉电池效率高、循环寿命长、能量密度大、体积小、重量轻、结构紧凑,并且不需要维护,因此在工业和消费产品中得到了广泛应用

[1,2]

。电池的充电过程对其寿命

影响最大,过充电、充电不足都是引起电池故障的主要原

因。因此,对蓄电池的充电状态进行检测和控制,能够减少充电损耗、提高充电速度和延长蓄电池的寿命

[3]

。

本研究把模糊控制理论应用在对电池的充电策略上,设计以PI C16F73作为控制器的智能镍镉电池充电器。

1　镍镉电池充电方法

1.1　镍镉电池简介

镍镉电池可以重新充电

[4]

,其优点是“结实”、价

格便宜。镍镉电池在充电过程中会不可避免地产生气体,充电一定时间后,电解液中开始产生气泡,这些气泡聚集在极板表面,使极板的有效面积减小,所以电池

的内阻抗增加,电池电压开始较快上升,这是接近充足电的信号。充足电后,充入电池的电流不是转换为电池的贮能,而是在正极板上产生氧气超电位。氧气是由于电解液电解而产生的,电池过充电时不停地产生氧气,从而使电池内的温度和压力升高。如何判定“电池容量已满,需要停止大电流充电以免损害电池”是本研究的重点。1.2　镍镉电池充电方法

对于充电电流控制方面,根据镍镉电池的特性,一般选择脉冲充电方式对其充电。镍镉电池具有记忆效应,充/放电脉冲宽度的选择应能保证极板恢复原来的晶体结构,从而消除记忆效应。采用放电去极化措施后,可以提高充电效率并且允许大电流快速充电。

根据镍镉电池的特性,充电方法包括定时控制、电压控制、温度控制以及综合控制等。本研究利用单片机对电池的电压和温度采集的数据作为输入,以P WM 控制信号为输出设计模糊控制器对电池进行充电。

2.1　总体结构

充电器采用P I C16F73单片机作为主控制器, P I C16F73是由M icr ochi p公司生产的一款中档8位单片机。

充电器的硬件电路设计主要包括模/数转换(A/ D)、P WM控制信号输出、I2C接口电路以及串行通信电路等[5,6],它们在单片机P I C16F73的控制下协同工作,实现对电池的充电功能,充电器的总体结构图,如图1所示。其中,虚线框内的部分为监控单元,负责接收来自I2C总线上全部充电单元的充电状态信息,并通过串口通信传送给PC进行监控。

图1　充电器结构框图

2.2　整流电路

充电器的电源是220V交流电压,需要对其进行整流,整流之后输出给两个部分使用,一个是向单片机等数字电路供电,一个是向充电主电路供电。整流电路采用变压器以及全桥整流方式。为了保证单片机P I C16F73正常工作,其电源由整流输出加上稳压三极管7805提供,7805能够提供较为稳定的5V电压,输出电流可以达到1A。此外,A/D转换模块的参考电压也由7805提供。

2.3　A/D转换电路

A/D转换利用P I C16F73集成的数/模转换器实现,由于电池组的最高电压低于5V,A/D转换的参考电压可使用7805的输出5V电压。A/D采样的对象包括电压、电流和温度3个方面,其中电压可以直接进行转换;电流则需要在充电电路中串联一个大功率低阻值的精密采样电阻并进行适当的信号放大处理后再进行转换;充电器采集的温度信号是电池的温度,利用一个简单的温度传感器把温度转换成电压信号后就可以对其进行A/D转换。

2.4　充电主电路及放电电路

充电主电路的开关管采用NEC生产的P NP硅功率管,通过对开关管的控制可以实现对镍镉电池的脉冲充电,为了使充电电流以及电压尽量稳定,充电主电路中还需要使用相应的电感以及电容器件。放电电路是由一个开关管以及一个大功率电阻构成,如果电池需要放电则通过开通开关管使其向大功率电阻进行放电。

2.5　控制电路

单片机P I C16F73输出控制电路的控制信号,该控制信号是P WM信号和D I S信号,P WM信号的占空比根据模糊控制器的输出变化自动调节,从而实现用相应脉冲电流对电池进行充电。D I S控制信号用来对电池进行放电控制。

2.6　I2C电路

I2C电路包括2个部分:①I2C总线上各个充电单元的I2C接口;②监控单元的I2C接口。I2C总线上可以组建40个充电单元,单片机P I C16F73集成的I2C 接口可以方便地连接到I2C总线上,充电单元利用I2C 接口接收监控单元传过来的充电控制信号进行充电,并把电池的充电状态反馈到监控单元,这样在充电现场通过PC端的监控不仅可以实现多组电池的同时充电,并能够根据充电单元的充电电池特性采用不同的充电策略,实现对不同的电池同时进行充电,实现了充电器的智能化。

2.7　监控单元

监控单元利用一个I2C接口和串行通信接口的单片机实现,负责接收I2C总线上各个充电单元的信息后通过串口发到PC上的监控软件,并把PC端的控制信号发送到充电单元。PC端的监控软件利用VC编写,可以对I2C总线上的40组充电单元进行监控。

3　模糊控制器设计与实现

为保证电池的充足率并防止过充电,本研究利用模糊控制理论[7]设计一个“以电压和温度变化率为输入、以P WM控制信号的占空比为输出”的模糊控制器作为电池充电策略的实现方式。

输入为电压变化率u和温度变化率t,经模糊化为U、T,它们的模糊集为{ZE,PS,P M,P B,P V},P WM控制信号输出占空比变量p的模糊集P为{VS,S,M,B, VB}。为简化分析,将输入变量U和T的论域归一化处理,其二维模糊控制器的输入,如图2所示;输出隶属度函数,如图3所示。根据电池的充电特性,当电压变化率最大并且温度变化率最小的时候,表明电池容量最小,控制器输出应该为最大。随着电压变化率的减小以及温度变化率的增大,电池的容量不断增加,当电压变化率最小并且温度变化率最大的时候表明电池已经充满,应当停止充电,控制器输出为最小。据此制定的控制规则表,如表1所示。

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・机　　电　　工　　程第25卷表1　模糊规则表

P

T

ZE PS P M P B P V ZE B M S VS VS PS M B M S VS

U P M B B M S VS P B B B S VS S

P V VB B M S S

　　其控制规则为:

R k:if U is U n and T is T m,then P is P nm　n,m= 1, (5)

因此,R=∪

n,m

U n“T m s P nm

R的隶属函数为:

μ

R (u,t,p)=∨

n=5,m=5

n=1,m=5

μ

U n

(u)∧μT

m

(t)∧μP

m

(p)

(1)

输出P的变化量根据最大-最小模糊推理合成规则可得:

P=(U“T)s R(2) P的隶属函数为:

μ

P (p)=∨

u∈U

t∈T

μ

R

(u,tp)∧μU(u)∧μT(t)(3)

上式中,∨和∧为分别为最大及最小运算,“和s模糊算子。解模糊计算由下式确定:

p=∑μp(p i)・p i

∑μp(p i)(4)

上式中,p

i 满足P

i

(p

i

)=1。适当选择输入和输出

论域元素及个数,根据上述算法事先制定查询表并放在单片机的全局数据区内,这样就不必让单片机进行复杂的数据运算从而提高运行效率。

4　软件设计

在充电器上电后,首先判断电池是否装入,如果没有电池则继续判断直到有电池装入进入充电状态。串口通讯以及P WM控制信号利用单片机的中断机制实现。PC机端的监控软件根据单片机传送上来的数据判断I2C总线上的充电单元的的工作状态。在整个充电过程中,单片机会一直检测电路的异常情况,如果电池突然从电路中断开,监控单元会停止充电

,并点亮LED进行报警,向PC端监控程序发送异常信息。充电单元在正常的充电过程中不断利用A/D转换模块进行电池电压、电流以及电池温度的检测,利用电压和温度的变化率为输入/输出数据建立模糊控制器,以P WM输出信号占空比为输出以控制充电主电路开关管进行充电。软件框图,如图4所示。

图4　软件框图

5　结束语

以P I C16F73为控制器的智能镍镉电池充电器利用电池的电压以及温度变化率作为输入,以P WM占空比为输出建立了模糊控制器,利用脉冲方式对镍镉电池充电,能够保证电池的充足率并且保证不会过充。各个充电单元利用I2C接口进行组网,在PC 端监控软件的配合下可以同时对40组电池进行充电。整个充电器体积小,结构简单,成本低,并且具有良好的充/放电管理和维护功能。

通过某工矿企业对该产品的半年多使用证明,该充电器工作安全、稳定,对镍镉电池充电不仅能够保证较高的充足率,而且可以延长电池的使用寿命,具有非常高的实用价值和推广价值。

参考文献(Reference):

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[3]　张　幸,杨伟民,李纲园.智能化电池充电装置的研究

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Batteries f or Electric Vehicles[M].E VS215.Bruxelles,1998. [5]　窦振中.P I C系列单片机原理和程序设计[M].北京:北

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[6]　刘美俊.基于单片机的智能充电器设计[J].仪表技术与

传感器,2006(9):41-43.

[7]　诸　静.模糊控制原理与应用[M].北京:机械工业出版

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[编辑:李　辉]

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第6期高志宏:基于P I C16F73的智能镍镉电池充电器