基于MC9S12D64鎳氫電池充電系統(tǒng)設計

引言

鎳氫電池的工業(yè)化生產從90年代初期開始，隨著新型鎳氫電池技術的發(fā)展，現已要滿足設備對鎳氫電池技術特性不斷提高的技術要求，鎳氫電池的能量高，為鎳鎘電池的1.8-2倍，為鉛酸電池的3倍且具有良好的充電性能，可快充深放，無記憶性，不含鎘、鉛、汞等有害物質，從而避免了二次電池對環(huán)境帶來的污染[1]，這些優(yōu)勢使得鎳氫電池廣泛應用于混合動力電動汽車，純電動汽車和燃料電池電動汽車中。

但是由于鎳氫電池的充電方式、充電電流、充電結束電壓、放電電流，放電深度和電池的溫度等條件會影響電池的壽命，此外，電池狀態(tài)的不均衡，充放電過程的不均衡，重復的不均衡充放電，也會使處于充電狀態(tài)的電池壽命縮短，從而導致整個電池包的壽命縮短，為此，本文設計了一套鎳氫電池的充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)能檢測每個單體電池的電壓，充電電流，單體電池溫度等，并能人為設定充電模式，或根據電池的具體狀態(tài)自動選擇充電模式。

系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)mcu的選型

mcu是鎳氫電池充電系統(tǒng)的核心，它需要有完善得自檢測和控制功能，以及較高的智能化水平，能對鎳氫電池充電電壓、充電電流及鎳氫電池組的電壓、電流、溫度等進行檢測和顯示，并根據電池當前狀態(tài)選擇合適的充電方式，這里選用motorola公司的112腳表面貼芯片hsc12系列16位mcu mc9s12d64。

mc9s12d64采用高速s12內核（starcore），cpu外部總線頻率為8mhz，內部運算速度可達25mhz[3]。片內集成了64kb flash、4kb ram和1kbe2prom，可滿足程序對存儲空間的不同要求，mc9s12d64包括1路can總線接口，2路異步串行通信接口（sci），1路同步串行通訊接口（spi），1個bdlc（j1850）接口，8路8位或4路16位pwm輸出，2個8路10位ad轉換器，8路鍵盤中斷等。通過內部的pll電路可以使用0.5-16mhz的低功耗晶振以產生25mhz的片內總線時鐘，單線后臺調試模式bdm還能縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

系統(tǒng)硬件設計

鎳氫電池充電系統(tǒng)由mc9s12d64最小系統(tǒng)--包括電源模塊、外圍復位電路、時鐘晶振電路、工作模式選擇、pll電路及bdm調試接口電路，鎳氫電池充電電路選擇控制，鍵盤控制，液晶顯示，實時時鐘電路，電池充滿指示，pwm電流調節(jié)控制電路，鎳氫電池狀態(tài)檢測，rs-232通信電路和can總線通信電路組成，具體硬件框圖如圖1所示。

整個鎳氫電池充電系統(tǒng)硬件設計的重點有以下兩個方面：鎳氫電池狀態(tài)檢測電路和pwm電流調節(jié)控制電路。其中鎳氫電池狀態(tài)檢測電路包括檢測鎳氫電池單體電壓，鎳氫電池充電電流及鎳氫電池組的溫度，它是硬件電路設計的核心，狀態(tài)檢測的準確性直接關系到電池充電效果和充電的安全性[2]，在鎳氫電池組中電池是串聯(lián)在一起的，要測量每個單體的電壓，每次只能使一只待測單體電池接入到電路中通過兩片模擬電子開關cd4067將單體電池的正負端與系統(tǒng)中的ad采樣端和模擬地相連，并依次接通對應電池的正負極，從而實現各個單體電池電壓之間的切換，充電電流通過電量隔離傳感器，將充電電流轉化成電壓，電壓測量通過外擴ad芯片icl7109來完成，icl7109是12位數字輸出ad。供電電壓為±5v，硬件電路如圖2所示，圖中，j11的管腳1-11依次連接電池負極及電流傳感器的負輸出端，對應的cd4067（即u45）輸出與模擬地相連，j12的管腳1-10依次連接電池正極及電流傳感器的正輸出端，對應的cd4067（即u44）輸出通過運算放大器lm358后接入ad轉換芯片以將其信號轉化為數字量由mcu讀入并進行處理。

電池組溫度檢測采用的是美國dallas半導體公司生產的數字溫度傳感器ds18b20。它的測溫范圍為-50+125℃，精度可達到0.1℃，且不需要a/d轉換，并可直接將溫度值轉換為數字量[4]。ds18b20嚴格地遵守單線串行通信協(xié)議，每一個ds18b20在出廠時都用激光進行了調校，并具有唯一的64位序列號，多個ds18b20可采用一線制通信，ds18b20與單片機的接口電路設計如圖3所示，將ds18b20的信號線與單片機的pb0口相連，并在口線上接一個上拉電阻，便可采用外加電源方式供電。

pwm電流調節(jié)控制電路可調節(jié)鎳氫電池的充電電流，因為對鎳氫電池組進行充電的電流一般在幾安培到上百安培，這里選用基于igbt的智能功率模塊ipm進行大電流充電，ipm是先進的混合集成功率器件，由高速、低功耗的igbt和驅動電路及保護電路構成。內有過電壓、過電流、短路和過熱等故障檢測電路，并具有自動保護功能，簡化的鎳氫電池充電電流調節(jié)回路如圖4所示，其中r1、光隔、r2、r3、igbt集成在ipm中，由pwm通道3控制光隔的通斷來控制igbt的導通，由pwm的占空比來調節(jié)對鎳氫電池充電電流的大小。

系統(tǒng)軟件設計

鎳氫電池組soc（荷電狀態(tài)）計算

電池的soc狀態(tài)可用來反應當前電池的剩余容量，他在數值上定義為電池剩余容量占與電池容量的比值：

soc=qc/ci （1）

式中，qc為電池剩余容量，ci為電池以恒定電流i放電時放出的容量，若電池充滿電狀態(tài)定義為soc=1，則soc的定義可表示為：

soc=q/ci （2）

式中，q為電池充入的容量，電池soc的計算是通過計算充入電池電量來間接計算的?？紤]到電池的充電效率，當前電池容量的計算公式為：

qn+1=qn+itη （3）

時間間隔t可通過定時時間t來產生，q可通過定時中斷服務程序計算，soc的值可由公式（2）得到。

控制器軟件設計

控制器軟件主要包括單片機系統(tǒng)初始化、液晶顯示初始化、實時時鐘初始化、充電控制、狀態(tài)檢測、鍵盤處理、液晶顯示、實時時鐘處理，can通信及定時中斷處理等，系統(tǒng)軟件設計采用模塊化程序設計，不同的功能模塊由不同的子程序來實現，系統(tǒng)主程序流程如圖5所示，圖中的虛線部分為存在多個充電控制器時或有上位機監(jiān)控時的情況。

單片機系統(tǒng)初始化模塊的內容有：pll電路初始化、端口初始化、can通信初始化、ad初始化、sci口初始化等，系統(tǒng)初始化是保證系統(tǒng)能正常工作的基礎。

充電控制設計

在系統(tǒng)軟件設計中，充電控制是軟件設計的重點，充電開始時，首先讀入鎳氫電池的電壓，電池溫度及鍵盤選擇標志位，當選擇涓流充電方式時，系統(tǒng)將以c/16的充電速率對電池涓流充電。當無充電方式選擇或選擇恒流充電模式時，首先判斷電池組的初始溫度是否大于10℃，若電池組初始溫度小于10℃，則以c/16的速率進行涓流充電到電池溫度大于10℃，然后以充電電流c/4或由鍵盤設定的充電電流恒流充電，若鎳氫電池的初始溫度小于10℃，則首先以c/16的充電速率涓流充電2分鐘，然后再恒流充電，充電過程中，系統(tǒng)要實時檢測鎳氫電池電壓、充電電流、電池組溫度并讀取充電時間以便計算剩余充電時間和當前電池的soc。同時由液晶顯示，當檢測到鎳氫電池的電壓開始下降（du/dt為零或負值）或電池溫度達到最大時，系統(tǒng)將由快速充電方式轉入涓流充電方式，并根據當前電池的soc確定剩余充電時間，當充電滿標志位置時，結束充電。其具體的流程如如圖6所示。

結束語

充電系統(tǒng)作為電池能量的再次補充，直接決定著充電電池補充能量的有效程度及電池循環(huán)使用壽命的長短，在選用10qnf12進行充電測試時，使用本系統(tǒng)充電與普通充電方式充電相比，在相同充電條件，相同充電次數下，電池的平均充電時間可大大縮短，電池充電有效容量可得到提高，電池充電結束后，單體端電壓一致性提高，結果表明：本系統(tǒng)在一定程度上消除了充電不均衡現象，從而延長了電池的使用壽命。