1 概 述
電子信息技術的快速發展使得各種各樣的電子產品不斷涌現，并朝著便攜和小型輕量化的趨勢發展，這也使得更多的電氣化產品采用基于電池的供電系統。目前，較多使用的電池有鎳鎘、鎳氫、鉛蓄電池和鋰電池，由于它們各自的優缺點使得它們在相當長的時期內將共存發展[4]。由于不同類型的電池的充電特性不同，目前通常對不同類型，甚至不同電壓、容量等級的電池使用不同的充電器，這在實際使用中有諸多不便。本文設計了一種通用型的充電器，可對電壓等級為1.2V～48V的鎳鎘、鎳氫、鉛蓄電池和鋰電池進行充電。為達到如此寬的充電范圍，充電電源采用二級電路拓撲，并使用同一PWM信號源對兩級電路進行聯動控制。該電源在 85VAC～265VAC的通用輸入范圍內均可實現1.2V(0.3A)～60V(1.6A)的寬范圍輸出。同時使用單片機進行充電控制，先進的慢脈沖快速充電法[4]，并綜合使用定時控制、電壓控制和溫度控制來中止快速充電，確保不會因過充電而損傷電池。
2 充電電源的拓撲結構和控制方案
由于要求充電電源的輸出變化范圍為1.2V(0.3A)～60V(1.6A)，采用單級變換器很難實現這么大的變化范圍，故采用了兩級結構，電源主電路如圖1所示，交流輸入經整流濾波得到穩定的直流電壓DCin，首先經單端反激變換器預穩壓，并實現輸入級與輸出級的隔離，然后再經BUCK變換器進一步降壓，得到所需輸出電壓。為了保證單端反激變換器能穩定工作，加入了假負載R2。由于電池等效于一個大電容，故輸出端可不加濾波電容。
為簡化控制，采用同一PWM信號對兩級變換器進行聯動控制。單端反激變換器的的占空比一般應不超過0.5，以減小開關管電壓應力，而BUCK變換器則希望盡量提高占空比，以改善輸出電壓波形和動態響應，因此，在保證能夠實現所要求的輸出變化范圍的情況下，應盡量提高BUCK變換器的占空比，這樣就不能采用完全相同的PWM信號同時控制兩級變換器。為此，本文給出了一種相對簡單的控制策略，使用同一 PWM信號變換出占空比不同的兩路PWM信號，分別控制兩級變換器，具體實現方法如下所述。
對于任一方波信號，要改變其占空比（對應于導通時間，即信號處于高電平狀態的時間），一般有兩種實現途徑：一是改變其導通時間而頻率保持不變，二是改變其頻率而導通時間保持不變。本文采用后一種途徑，即用PWM控制器輸出的信號直接控制BUCK變換器，而在保持導通時間不變的情況下將其信號進行二分頻，得到占空比減半的信號來控制單端反激變換器。具體實現電路如圖2(a)所示，源信號經分頻器二分頻，得到頻率減半的信號，再與源信號相與，即得到導通時間不變而頻率減半的信號。電路中各點波形參見圖2(b)。
3 充電控制方案
近年來，如何對電池高效、快速地充電成為充電技術研究的熱點，國內外研究人員也提出了不少快速充電方法，本文即參考了其中一種較實用的慢脈沖快速充電法，這種方法能確保在充電過程中及時消除或降低電池極化，電池析氣量少，溫升低，充電效率高。整個充電過程由恒流和恒壓充電兩個階段組成，在每一階段均以周期為幾秒到幾十秒的電流或電壓脈沖進行充電。而兩階段的轉換時刻則由電池的充電狀態所決定。
由于充電方法相對較復雜，且需要對多種類型和規格的電池進行充電，故需要采用可編程器件進行控制，而單片機以其相對強大的功能和低廉的價格成為首選。本文選用Motorola公司推出的 MC68HC908GP32作為主控元件，整個系統的組成框圖如圖3所示，反映電池充電狀態的充電電流、電池電壓和溫度信號經采樣電路送入單片機的A/D 轉換口，單片機根據充電算法，通過D/A轉換口輸出信號控制充電電源的電壓或電流給定，從而達到控制充電電源輸出的目的。
軟件系統采用模塊化設計方法，整個程序由主程序模塊、各類電池充電子程序模塊以及錯誤處理模塊組成，各模塊相對獨立，以便于算法改進及功能擴充，其中主程序模塊構架了軟件系統的骨架，通過其對其他模塊的調用來實現完整的充電過程控制，其流程圖見圖4。
為確保充電安全，在開始充電前檢測電池電壓和溫度，以排除電池接反、用戶選擇的電池規格有誤等錯誤，并判斷電池的狀態是否適合快速充電，如電池電壓或溫度過低，則需要進行小電流預充電，待電池電壓、溫度達到正常范圍后再開始快速充電。在整個充電過程中均實時檢測電池電壓和溫度，并綜合采用最高電壓控制、電壓零增量控制、最高溫度控制和定時控制等方法來終止快速充電，以確保電池不被過充。
4 實驗及結論
本文采用清華大學Motorola單片機應用開發研究中心推出的MC68HC908GP32 IDK作為開發系統[2]，對該充電器進行了實驗測試，在整個負載范圍內均有穩定的輸出，開關管的最小導通時間（對應于最小負載）約為1.2us，而開關管（MTP4N80）的開關時間和反向恢復時間之和小于0.7us，故充電電源能穩定工作。
本文設計了一個通用型智能充電器，給出了寬范圍充電電源的一種實現方法，并充分利用了單片機強大的控制功能，絕大部分功能由軟件編程實現，使得系統對硬件的依賴性較小，便于功能的擴充及改進。
參考文獻:
[1] Motorola. MC68HC908GP32/MC68HC08GP32 Technical Data. Rev.6,2002
[3] 劉慧銀，程建平等. Motorola微控制器MC68HC08原理及其嵌入式應用. 北京：清華 大學出版社，2001
[4] 王鴻麟，錢建力，周曉軍. 智能快速充電器設計與制作. 北京：科學出版社，1998
[5] 王堅，秦大為等. 慢脈沖快速充電方法的研究. 電池工業.2002,7(3).160-164