快速无损智能充电器的设计

6C（超快恢复二极管）构成钳位电路，用于吸收在TOP224Y关断时由高频漏感产生的尖峰电压，并能衰减振铃电压，对漏极起到保护作用。次级电路经过VD3、C3、L2和C4整流滤波输出24 V的电压U0.由TL431A构成的外部误差放大器实现U0的动态稳压，当输出电压发生波动，经R4、R5分压后得到取样电压，就与TL431A内的基准电压（2.5 V）进行比较产生一个外部控制信号，再通过线性光耦合器PC817A改变TOP224Y控制电流，进而调节占空比使U0趋于稳定。C7滤除加在控制端的尖峰电压，还与R2、R5一起对控制回路进行补偿。R3为最小输出负载，用于提高轻载时的电压稳定度。

3.2 充电电路

充电电路如图3所示。

图3 充电电路原理图

　　充电电路采用Buck型拓扑结构，C1、L1、C2构成π型滤波器可以滤除直流电压中的高频分量，其中L1是差模电感。

　　经滤波输出后，PV为Buck变换器输入电源，同时也是单片机控制系统的前级输入电源。L2是输出滤波电感、C5是输出滤波电容、Q3为功率开关管、D3为续流二极管。充电电路输入电压范围Ui=20~28 V,输出电压范围U0=3~18 V,负载输出电流I0=0~3.5 A,开关频率fs=20kHz,纹波电压小于1%即△U0/U0≤1%,当负载电流I0在0~0.4 A时，Buck电路工作在电感电流不连续模式；当负载电流I0在0.4~3.5 A时，电路工作在电感电流连续模式。

　　3.3 负脉冲放电电路

　　镍镉电池具有记忆效应，在对镍镉电池充电前先对其放电，消除记忆效应。同时，在镍镉电池的快速充电过程中，为了消除电池极化的影响，引入间歇负脉冲的放电，系统中设计了放电电路。放电电路由4个5Ω/3 W功率电阻（瞬间短时间放电）和4个控制开关组成。

　　3.4 电流检测及保护电路

　　电流检测及过流保护电路如图4所示。电流采样输入端接电池组负端（BAT-），BAT-与地之间为功率开关管IRF7805和康铜丝采样电阻RS（29 mΩ），开关管导通时漏源极之间导通电阻RDS（on）为11 mΩ，利用RS+RDS（on）端的压降来检测电流。

图4 电流检测及过流保护电路

　　过流时（电流超过4 A），经比较器U2A输出低电平过流信号（FAULT），该信号送入XC164CM的中断陷阱引脚触发单片机硬件中断，此外，当FAULT为低电平时，经比较器U2B,输出低电平信号，也迫使PWM输出为低电平，强行关闭开关管Q3,确保系统安全。

　　4 软件设计

　　智能充电器的软件设计，主要包括系统主程序、镍镉电池快速充电子程序、ANFIS预测电流子程序和故障报警程序等，使用C语言和汇编语言混合编程，在Keil C166软件开发平台上完成。系统软件对XC164单片机特殊功能寄存器SFR的设置在START_V2.A66中使用汇编语言文件，而整个充电系统的控制程序采用C语言文件。

　　系统上电后进入初始化，读取E2PROM中的参数，完成各中断寄存器和I/O口的功能设置，给相应单元赋初始值。完成后进入待机等待状态。充电开始，先检测是否有电池连接，若检测到有电池接入，则进入电池的快速充电过程，其流程图如图5所示。ANFIS预测可接受电流子程序如图6所示。

图5 单节镍镉电池智能充电流程图

图6 ANFIS预测可接受电流子程序图

　　所有的控制程序都由通过中断完成，包括由T12周期中断实现ANFIS预测电流和充电电流的控制，由T3周期中断实现充电控制和去极化子程序控制，以及由CCU6硬件陷阱中断实现供电过流/短路保护。

　　对于镍镉电池的快速充电阶段，采用自适应跟踪电池可接受电流变化和负脉冲充电相结合的方法。在A-C段，每2分钟检测电池的电压和电流信息，作为ANFIS模型的输入数据，通过ANFIS预测下一时刻电池的可接受电流ick,直到预测结果满足要求才输出ick,送给微处理器作为实际的充电电流大小，通过单片机控制调整充电电路的输出电压，给电池提供ick的电流进行恒流充电。在A-B段，采用间歇负脉冲消除极化效应。开始停充2 ms消除欧姆极化，之后采用大小约为充电电流的2.5倍的放电电流放电3 ms,有效的消除浓度差极化和电化学极化，放电终止5 ms后充电电流重新启动。

　　当电池充入85%的电量时，接近充足电；此后，电池的极化现象严重，这时，即使加入负脉冲去极化后，蓄电池可接受的充电电流仍然很小。因此，在检测到充电电流ic≤I0/10后，停止调用负脉冲去极化子程序。

　　5 试验结果

镍镉电池的智能充电过程，电池的最大充电电流约为8.75 A,约经过2.3小时，在2.65小时电压升至17.6 V,充电电流减少为400 mA（约为0.1 C的电流），当检测到100 mV的电压跌落后，终止充电，充满指示灯亮，共计充电时间2.85小时，在整个充电过程中，充电前期电流较大，前50分钟的充电电流大于2 A,能较快的给电池充入电量；而在充电时间为100分钟时充电电流约为1 A（为