刘皓+李英顺
【摘 要】为了减少蓄电池充电时间，延长蓄电池的使用寿命，提出了基于MSP430F149单片机的智能快速充电机的设计方案，该充电机主电路采用了DC-AC全桥逆变电路，以IGBT为主控器件，运用移相脉宽调制（PWM）控制方式，实现IGBT的软开关，配以MSP430F149单片机为智能控制单元，对充电机的运行状态进行监控和保护。实践结果表明该智能快速充电机体积小，重量轻，携带方便，自动完成整个充电过程，无需人工职守，实现完全的智能化。同时还可以给每台充电机配备一个电源分配器实现多块电池同时充电，大大提高了充电效率。
【关键词】MSP430F149单片机；PWM；IGBT；智能快速充电机；电源分配器
中图分类号： TG434 文献标识码： A 文章编号： 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
随着新能源技术的发展，越来越多的设备上采用了蓄电池，由于用户不了解电池充电特性以及不良的充电习惯导致大多数蓄电池是“充坏的”，而不是“用坏的”，因此充电机性能好坏又直接影响到电池的性能。本文根据蓄电池充电特性曲线设计了智能快速充电机，解决了传统充电机可靠性差、充电效率低、笨重、充电期间必须人工值守等问题。能够有效的防止过充和欠充的情况发生，提高了充电的质量和效率。
1 总体设计
智能快速充电机由供电电源电路、单片机控制电路、输出调理电路、滤波整流电路（AC-DC转换电路）、逆变电路（DC-AC转换电路）、阻容吸收电路、SKHI22AH4R模块输入调理电路和输出调理电路、电流电压检测电路组成。系统总体组成框图如图1所示。
本设计将220 V单相交流电输入，经过由共模电感、电容桥电路以及两个半桥整流二极管组成的滤波整流电路，经过逆变电路得到高频交流脉冲电压。此脉冲信号经过快恢复整流二极管和RC滤波电路滤波，得到一个稳定的电压输出到负载。MSP430F149单片机利用电压互感器LV25-P和电流互感器LA100-P实时采集电压和电流。本设计编写单片机程序根据采集的电压值和电流值决定下一阶段的充电电压和充电电流。然后输出相应的控制信号，经过单片机内部的比较器输出脉宽可以改变的 PWM 调制信号，给SKHI22AH4R模块输入调理电路和输出调理电路，该电路配合SKHI22AH4R驱动模块对逆变电路中MOSFET场效应管进行控制，从而产生相应的电压值送给开关变压器，开关变压器的输出经过输出整流电路后给蓄电池充电。
128*64的液晶屏建立友好的人机界面用来显示当前的输出电压、电流以及电池充电过程正处于第几个阶段。MSP430F149单片机控制温度传感器AD590采集电池、功率管和大功率驱动变压器的温度。当采集到的温度大于50℃的时候，单片机控制充电机停机，等待降温，起到保护作用。另外，当电流、电压等出现异常时，单片机也会控制充电机停机。待检测到异常消失后，充电机重新启动工作。
1.1 单片机控制电路设计
本设计选取MSP430F149单片机作为主控制单元进行各种电流，电压以及温度采集、控制PWM波形产生和液晶屏显示。MSP430F149 单片机内部具有丰富的指令集和丰富的片上外围模块。两个16位定时器、一个14路的12位模数转换器、一个比较器和一个DCO内部振蕩器。在设计中，全面应用单片机的 I/O 口，用作定时器中断的Timer A，用作PWM波形发生器的Timer B，编程控制ADC 转换器对充电电池进行电压采集、电流采集以及温度采集，同时将采集的结果实时显示到液晶屏上。endprint
单片机接口电路如图2所示。
1.2 电压电流检测及调理电路及IGBT驱动电路设计
1.2.1 电压电流检测及调理电路
通过电压互感器LV25-P用于检测蓄电池的电压、充电电压。LA100-P用于充电电流的检测，通过充电电流和充电电压来显示和判断当前蓄电池的充电状态和充电阶段，同时将采集到的电压信号和电流信号传给单片机控制电路，电流互感器和电压互感器调理电路主要是将互感器传过来的电压信号和电流信号进行整流消除干扰能够更好的被单片机检测。单片机对检测数据进行分析，从而完成闭环控制。电压电流检测电路如图3所示。
1.2.2 IGBT驱动电路设计
开关元件特性及其驱动是开关变换器中非常关键的问题，本设计无论是前级整流电路还是后级脉冲式充电电路中都需要使用到开关元件来控制电路中的开关器件开通和关断调整输出电压。本设计采用了基于SKHI22AH4R驱动模块的IGBT驱动电路。具有开关速度快、导通电压压降小，抗干扰等优点。
输入调理电路既是脉宽调制电路，就是把MSP430F149单片机接口电路输出的PWM信号的上升沿调制成+15V的脉冲驱动信号，用以直接驱动IGBT半桥模块。同时，内部有VCE监控和自动关断电路，可有效的进行短路保护。为了避免同桥臂的两个IGBT由于同时导通而损坏，将SKHI22AH4R模块的TDT2引脚接地，TDT1引脚和SELECT引脚接5V。通过查阅SKHI22AH4R模块的数据手册，确定当Ron=10Ω，Roff=10Ω，Cce=330pF，Rce=18KΩ时，能够为后级功率管提供足够大的驱动电压和驱动电流。
大功率IGBT驱动器一般选择MOSFET组成的推挽电路，同等性能的MOSFET，N通道的要比P通道的芯片面积小、电阻小，容易购买。因此本设计选择N通道IXFK64N50P组成的电路作为功率放大电路。SKHI22AH4R模块输入调理电路和输出调理电路图如图4所示。
2 智能快速充电机的软件设计流程
本充电机软件设计流程如图 5 所示：
软件部分是基于IAR编程软件平台下C语言开发的控制系统，整个系统的工作步骤如下：
第一步：使用电缆插头将充电机、配电盒和蓄电池连接在一起；
第二步：系统上电。上电后首先通过电流电压检测电路在静态（未充电）情况下检测蓄电池电压，同时根据检测到的电压判断电池组是否接反。当电池组接反时，充电机不动作。当电池组为接反时，充电机进行下一步操作。
第三步：根据静态情况下检测到的蓄电池电压决定当前情况蓄电池进入第几阶段进行充电，及时调整主电路的 PWM 脉冲，同时检测充电时电池两端的充电电压以及充电电流，根据检测情况判定是否过流或者过压，充电一定时间后，暂停充电，再次检测静态电压，决定下一时刻充电阶段，依次循环，直至达到蓄电池充满的要求为止。
3 结束语
对充电机整机进行震动测试，耐高温，耐低温测试，测试结果表明，本设计的智能快速充电机在震动，高温40℃，低温-40℃情况下实现无需人工职守，充电正常，液晶显示正常等充电效果。同时还给每台充电机配备一个电源分配器实现多块电池同时充电，大大提高了充电的效率和蓄电池的使用寿命。
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