基于MSP430F149單片機(jī)的智能快速充電機(jī)的設(shè)計(jì)

劉皓+李英順

【摘 要】為了減少蓄電池充電時(shí)間，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，提出了基于MSP430F149單片機(jī)的智能快速充電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，該充電機(jī)主電路采用了DC-AC全橋逆變電路，以IGBT為主控器件，運(yùn)用移相脈寬調(diào)制（PWM）控制方式，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟開(kāi)關(guān)，配以MSP430F149單片機(jī)為智能控制單元，對(duì)充電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)。實(shí)踐結(jié)果表明該智能快速充電機(jī)體積小，重量輕，攜帶方便，自動(dòng)完成整個(gè)充電過(guò)程，無(wú)需人工職守，實(shí)現(xiàn)完全的智能化。同時(shí)還可以給每臺(tái)充電機(jī)配備一個(gè)電源分配器實(shí)現(xiàn)多塊電池同時(shí)充電，大大提高了充電效率。

【關(guān)鍵詞】MSP430F149單片機(jī)；PWM；IGBT；智能快速充電機(jī)；電源分配器

中圖分類(lèi)號(hào)： TG434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)備上采用了蓄電池，由于用戶(hù)不了解電池充電特性以及不良的充電習(xí)慣導(dǎo)致大多數(shù)蓄電池是“充壞的”，而不是“用壞的”，因此充電機(jī)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(shè)計(jì)了智能快速充電機(jī)，解決了傳統(tǒng)充電機(jī)可靠性差、充電效率低、笨重、充電期間必須人工值守等問(wèn)題。能夠有效的防止過(guò)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(shè)計(jì)

智能快速充電機(jī)由供電電源電路、單片機(jī)控制電路、輸出調(diào)理電路、濾波整流電路（AC-DC轉(zhuǎn)換電路）、逆變電路（DC-AC轉(zhuǎn)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(cè)電路組成。系統(tǒng)總體組成框圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)將220 V單相交流電輸入，經(jīng)過(guò)由共模電感、電容橋電路以及兩個(gè)半橋整流二極管組成的濾波整流電路，經(jīng)過(guò)逆變電路得到高頻交流脈沖電壓。此脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)快恢復(fù)整流二極管和RC濾波電路濾波，得到一個(gè)穩(wěn)定的電壓輸出到負(fù)載。MSP430F149單片機(jī)利用電壓互感器LV25-P和電流互感器LA100-P實(shí)時(shí)采集電壓和電流。本設(shè)計(jì)編寫(xiě)單片機(jī)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(yīng)的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的比較器輸出脈寬可以改變的 PWM 調(diào)制信號(hào)，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(qū)動(dòng)模塊對(duì)逆變電路中MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行控制，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電壓值送給開(kāi)關(guān)變壓器，開(kāi)關(guān)變壓器的輸出經(jīng)過(guò)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(jī)界面用來(lái)顯示當(dāng)前的輸出電壓、電流以及電池充電過(guò)程正處于第幾個(gè)階段。MSP430F149單片機(jī)控制溫度傳感器AD590采集電池、功率管和大功率驅(qū)動(dòng)變壓器的溫度。當(dāng)采集到的溫度大于50℃的時(shí)候，單片機(jī)控制充電機(jī)停機(jī)，等待降溫，起到保護(hù)作用。另外，當(dāng)電流、電壓等出現(xiàn)異常時(shí)，單片機(jī)也會(huì)控制充電機(jī)停機(jī)。待檢測(cè)到異常消失后，充電機(jī)重新啟動(dòng)工作。

1.1 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選取MSP430F149單片機(jī)作為主控制單元進(jìn)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(jī)內(nèi)部具有豐富的指令集和豐富的片上外圍模塊。兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)14路的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)比較器和一個(gè)DCO內(nèi)部振蕩器。在設(shè)計(jì)中，全面應(yīng)用單片機(jī)的 I/O 口，用作定時(shí)器中斷的Timer A，用作PWM波形發(fā)生器的Timer B，編程控制ADC 轉(zhuǎn)換器對(duì)充電電池進(jìn)行電壓采集、電流采集以及溫度采集，同時(shí)將采集的結(jié)果實(shí)時(shí)顯示到液晶屏上。endprint

單片機(jī)接口電路如圖2所示。

1.2 電壓電流檢測(cè)及調(diào)理電路及IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1.2.1 電壓電流檢測(cè)及調(diào)理電路

通過(guò)電壓互感器LV25-P用于檢測(cè)蓄電池的電壓、充電電壓。LA100-P用于充電電流的檢測(cè)，通過(guò)充電電流和充電電壓來(lái)顯示和判斷當(dāng)前蓄電池的充電狀態(tài)和充電階段，同時(shí)將采集到的電壓信號(hào)和電流信號(hào)傳給單片機(jī)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(guò)來(lái)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行整流消除干擾能夠更好的被單片機(jī)檢測(cè)。單片機(jī)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而完成閉環(huán)控制。電壓電流檢測(cè)電路如圖3所示。

1.2.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)元件特性及其驅(qū)動(dòng)是開(kāi)關(guān)變換器中非常關(guān)鍵的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)無(wú)論是前級(jí)整流電路還是后級(jí)脈沖式充電電路中都需要使用到開(kāi)關(guān)元件來(lái)控制電路中的開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通和關(guān)斷調(diào)整輸出電壓。本設(shè)計(jì)采用了基于SKHI22AH4R驅(qū)動(dòng)模塊的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。具有開(kāi)關(guān)速度快、導(dǎo)通電壓壓降小，抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。

輸入調(diào)理電路既是脈寬調(diào)制電路，就是把MSP430F149單片機(jī)接口電路輸出的PWM信號(hào)的上升沿調(diào)制成+15V的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用以直接驅(qū)動(dòng)IGBT半橋模塊。同時(shí)，內(nèi)部有VCE監(jiān)控和自動(dòng)關(guān)斷電路，可有效的進(jìn)行短路保護(hù)。為了避免同橋臂的兩個(gè)IGBT由于同時(shí)導(dǎo)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(guò)查閱SKHI22AH4R模塊的數(shù)據(jù)手冊(cè)，確定當(dāng)Ron=10Ω，Roff=10Ω，Cce=330pF，Rce=18KΩ時(shí)，能夠?yàn)楹蠹?jí)功率管提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流。

大功率IGBT驅(qū)動(dòng)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(gòu)買(mǎi)。因此本設(shè)計(jì)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(jī)的軟件設(shè)計(jì)流程

本充電機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖 5 所示：

軟件部分是基于IAR編程軟件平臺(tái)下C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的工作步驟如下：

第一步：使用電纜插頭將充電機(jī)、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(guò)電流電壓檢測(cè)電路在靜態(tài)（未充電）情況下檢測(cè)蓄電池電壓，同時(shí)根據(jù)檢測(cè)到的電壓判斷電池組是否接反。當(dāng)電池組接反時(shí)，充電機(jī)不動(dòng)作。當(dāng)電池組為接反時(shí)，充電機(jī)進(jìn)行下一步操作。

第三步：根據(jù)靜態(tài)情況下檢測(cè)到的蓄電池電壓決定當(dāng)前情況蓄電池進(jìn)入第幾階段進(jìn)行充電，及時(shí)調(diào)整主電路的 PWM 脈沖，同時(shí)檢測(cè)充電時(shí)電池兩端的充電電壓以及充電電流，根據(jù)檢測(cè)情況判定是否過(guò)流或者過(guò)壓，充電一定時(shí)間后，暫停充電，再次檢測(cè)靜態(tài)電壓，決定下一時(shí)刻充電階段，依次循環(huán)，直至達(dá)到蓄電池充滿(mǎn)的要求為止。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)充電機(jī)整機(jī)進(jìn)行震動(dòng)測(cè)試，耐高溫，耐低溫測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)的智能快速充電機(jī)在震動(dòng)，高溫40℃，低溫-40℃情況下實(shí)現(xiàn)無(wú)需人工職守，充電正常，液晶顯示正常等充電效果。同時(shí)還給每臺(tái)充電機(jī)配備一個(gè)電源分配器實(shí)現(xiàn)多塊電池同時(shí)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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