基于MSP430F149單片機的智能快速充電機的設計

劉皓+李英順

【摘 要】為了減少蓄電池充電時間，延長蓄電池的使用壽命，提出了基于MSP430F149單片機的智能快速充電機的設計方案，該充電機主電路采用了DC-AC全橋逆變電路，以IGBT為主控器件，運用移相脈寬調(diào)制（PWM）控制方式，實現(xiàn)IGBT的軟開關，配以MSP430F149單片機為智能控制單元，對充電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控和保護。實踐結果表明該智能快速充電機體積小，重量輕，攜帶方便，自動完成整個充電過程，無需人工職守，實現(xiàn)完全的智能化。同時還可以給每臺充電機配備一個電源分配器實現(xiàn)多塊電池同時充電，大大提高了充電效率。

【關鍵詞】MSP430F149單片機；PWM；IGBT；智能快速充電機；電源分配器

中圖分類號： TG434 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0062-003

【Abstract】In order to reduce the charging time of battery and prolong the service life of battery， a design scheme of intelligent fast charger based on MSP430F149 is proposed. The main circuit of the charger adopts DC-AC full-bridge inverter and IGBT as main control device ， The use of phase-shift pulse width modulation （PWM） control， IGBT soft switching， together with the MSP430F149 SCM intelligent control unit， the charger running status monitoring and protection. The practice results show that the intelligent quick charger has the advantages of small size， light weight， easy to carry and auto-complete the charging process， without artificial duty and complete intelligence. At the same time can also be equipped with a power distributor for each charger to achieve multiple battery charging at the same time， greatly improving the charging efficiency.

【Key words】MSP430F149 single-chip microcomputer； PWM； IGBT； Intelligent fast charger； Power distributor

0 引言

隨著新能源技術的發(fā)展，越來越多的設備上采用了蓄電池，由于用戶不了解電池充電特性以及不良的充電習慣導致大多數(shù)蓄電池是“充壞的”，而不是“用壞的”，因此充電機性能好壞又直接影響到電池的性能。本文根據(jù)蓄電池充電特性曲線設計了智能快速充電機，解決了傳統(tǒng)充電機可靠性差、充電效率低、笨重、充電期間必須人工值守等問題。能夠有效的防止過充和欠充的情況發(fā)生，提高了充電的質(zhì)量和效率。

1 總體設計

智能快速充電機由供電電源電路、單片機控制電路、輸出調(diào)理電路、濾波整流電路（AC-DC轉換電路）、逆變電路（DC-AC轉換電路）、阻容吸收電路、SKHI22AH4R模塊輸入調(diào)理電路和輸出調(diào)理電路、電流電壓檢測電路組成。系統(tǒng)總體組成框圖如圖1所示。

本設計將220 V單相交流電輸入，經(jīng)過由共模電感、電容橋電路以及兩個半橋整流二極管組成的濾波整流電路，經(jīng)過逆變電路得到高頻交流脈沖電壓。此脈沖信號經(jīng)過快恢復整流二極管和RC濾波電路濾波，得到一個穩(wěn)定的電壓輸出到負載。MSP430F149單片機利用電壓互感器LV25-P和電流互感器LA100-P實時采集電壓和電流。本設計編寫單片機程序根據(jù)采集的電壓值和電流值決定下一階段的充電電壓和充電電流。然后輸出相應的控制信號，經(jīng)過單片機內(nèi)部的比較器輸出脈寬可以改變的 PWM 調(diào)制信號，給SKHI22AH4R模塊輸入調(diào)理電路和輸出調(diào)理電路，該電路配合SKHI22AH4R驅動模塊對逆變電路中MOSFET場效應管進行控制，從而產(chǎn)生相應的電壓值送給開關變壓器，開關變壓器的輸出經(jīng)過輸出整流電路后給蓄電池充電。

128*64的液晶屏建立友好的人機界面用來顯示當前的輸出電壓、電流以及電池充電過程正處于第幾個階段。MSP430F149單片機控制溫度傳感器AD590采集電池、功率管和大功率驅動變壓器的溫度。當采集到的溫度大于50℃的時候，單片機控制充電機停機，等待降溫，起到保護作用。另外，當電流、電壓等出現(xiàn)異常時，單片機也會控制充電機停機。待檢測到異常消失后，充電機重新啟動工作。

1.1 單片機控制電路設計

本設計選取MSP430F149單片機作為主控制單元進行各種電流，電壓以及溫度采集、控制PWM波形產(chǎn)生和液晶屏顯示。MSP430F149 單片機內(nèi)部具有豐富的指令集和豐富的片上外圍模塊。兩個16位定時器、一個14路的12位模數(shù)轉換器、一個比較器和一個DCO內(nèi)部振蕩器。在設計中，全面應用單片機的 I/O 口，用作定時器中斷的Timer A，用作PWM波形發(fā)生器的Timer B，編程控制ADC 轉換器對充電電池進行電壓采集、電流采集以及溫度采集，同時將采集的結果實時顯示到液晶屏上。endprint

單片機接口電路如圖2所示。

1.2 電壓電流檢測及調(diào)理電路及IGBT驅動電路設計

1.2.1 電壓電流檢測及調(diào)理電路

通過電壓互感器LV25-P用于檢測蓄電池的電壓、充電電壓。LA100-P用于充電電流的檢測，通過充電電流和充電電壓來顯示和判斷當前蓄電池的充電狀態(tài)和充電階段，同時將采集到的電壓信號和電流信號傳給單片機控制電路，電流互感器和電壓互感器調(diào)理電路主要是將互感器傳過來的電壓信號和電流信號進行整流消除干擾能夠更好的被單片機檢測。單片機對檢測數(shù)據(jù)進行分析，從而完成閉環(huán)控制。電壓電流檢測電路如圖3所示。

1.2.2 IGBT驅動電路設計

開關元件特性及其驅動是開關變換器中非常關鍵的問題，本設計無論是前級整流電路還是后級脈沖式充電電路中都需要使用到開關元件來控制電路中的開關器件開通和關斷調(diào)整輸出電壓。本設計采用了基于SKHI22AH4R驅動模塊的IGBT驅動電路。具有開關速度快、導通電壓壓降小，抗干擾等優(yōu)點。

輸入調(diào)理電路既是脈寬調(diào)制電路，就是把MSP430F149單片機接口電路輸出的PWM信號的上升沿調(diào)制成+15V的脈沖驅動信號，用以直接驅動IGBT半橋模塊。同時，內(nèi)部有VCE監(jiān)控和自動關斷電路，可有效的進行短路保護。為了避免同橋臂的兩個IGBT由于同時導通而損壞，將SKHI22AH4R模塊的TDT2引腳接地，TDT1引腳和SELECT引腳接5V。通過查閱SKHI22AH4R模塊的數(shù)據(jù)手冊，確定當Ron=10Ω，Roff=10Ω，Cce=330pF，Rce=18KΩ時，能夠為后級功率管提供足夠大的驅動電壓和驅動電流。

大功率IGBT驅動器一般選擇MOSFET組成的推挽電路，同等性能的MOSFET，N通道的要比P通道的芯片面積小、電阻小，容易購買。因此本設計選擇N通道IXFK64N50P組成的電路作為功率放大電路。SKHI22AH4R模塊輸入調(diào)理電路和輸出調(diào)理電路圖如圖4所示。

2 智能快速充電機的軟件設計流程

本充電機軟件設計流程如圖 5 所示：

軟件部分是基于IAR編程軟件平臺下C語言開發(fā)的控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的工作步驟如下：

第一步：使用電纜插頭將充電機、配電盒和蓄電池連接在一起；

第二步：系統(tǒng)上電。上電后首先通過電流電壓檢測電路在靜態(tài)（未充電）情況下檢測蓄電池電壓，同時根據(jù)檢測到的電壓判斷電池組是否接反。當電池組接反時，充電機不動作。當電池組為接反時，充電機進行下一步操作。

第三步：根據(jù)靜態(tài)情況下檢測到的蓄電池電壓決定當前情況蓄電池進入第幾階段進行充電，及時調(diào)整主電路的 PWM 脈沖，同時檢測充電時電池兩端的充電電壓以及充電電流，根據(jù)檢測情況判定是否過流或者過壓，充電一定時間后，暫停充電，再次檢測靜態(tài)電壓，決定下一時刻充電階段，依次循環(huán)，直至達到蓄電池充滿的要求為止。

3 結束語

對充電機整機進行震動測試，耐高溫，耐低溫測試，測試結果表明，本設計的智能快速充電機在震動，高溫40℃，低溫-40℃情況下實現(xiàn)無需人工職守，充電正常，液晶顯示正常等充電效果。同時還給每臺充電機配備一個電源分配器實現(xiàn)多塊電池同時充電，大大提高了充電的效率和蓄電池的使用壽命。

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