智能型鉛酸蓄電池充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鉛酸蓄電池的制造成本低、容量大、價(jià)格低廉，使用十分廣泛。由于其固有的特性，若使用不當(dāng)，壽命將大大縮短。影響鉛酸蓄電池壽命的因素很多，采用正確的充電方式，能有效延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。因此，設(shè)計(jì)一種全新的智能型鉛酸蓄電池充電器是十分必要的。

1 常規(guī)充電方式

鉛酸蓄電池的常規(guī)充電方式有兩種:浮充(又稱恒壓充電)和循環(huán)充電。

浮充時(shí)要嚴(yán)格掌握充電電壓，如額定電壓為12V的蓄電池，其充電電壓應(yīng)在13.5～13.8V之間。浮充電壓過(guò)低，蓄電池會(huì)充不滿，過(guò)高則會(huì)造成過(guò)量充電。電壓的調(diào)定，應(yīng)以初期充電電流不超過(guò)0.3C(C為蓄電池的額定容量)為原則。

循環(huán)充電，其初期充電電流也不宜超過(guò)0.3C，充電的安培小時(shí)數(shù)要略大于放電安培小時(shí)數(shù)。也可先以0.1C的充電速率恒流充電數(shù)小時(shí)，當(dāng)充電安培小時(shí)數(shù)達(dá)到放電安培小時(shí)數(shù)的90%時(shí)，再改用浮充電壓充電，直至充滿。

以上為目前常用的鉛酸蓄電池充電方式，但這兩種方式存在著一些不足之處。在充電過(guò)程中，電池電壓逐漸增高，充電電流逐漸降低。由于恒壓充電不管電池電壓的實(shí)際狀態(tài)，充電電壓總是恒定的，充電電流剛開(kāi)始比較大，然后按指數(shù)規(guī)律下降;采用快速充電可能使蓄電池過(guò)量充電，易導(dǎo)致電池?fù)p壞。對(duì)于循環(huán)充電而言，采用較小電流充電，充電效果較好。但對(duì)于大容量的蓄電池，充電時(shí)間就會(huì)拖得很長(zhǎng)，時(shí)效低，造成諸多不便。

2 智能型充電器的充電過(guò)程分析

通過(guò)對(duì)上述兩種充電方式的分析比較，綜合其優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)出具有快充和慢充的智能型鉛酸蓄電池充電器。該充電器采用單片機(jī)控制，充電過(guò)程分為快充、慢充及涓流充三個(gè)階段，充電效果更佳。圖1所示為該充電器的充電電流、電壓曲線。

從圖1可以看出:在快充階段(0～t1)，充電器以恒定電流1C對(duì)蓄電池充電，由單片機(jī)控制快充時(shí)間，避免過(guò)量充電;在慢充階段(t1～t2)，單片機(jī)輸出PWM控制信號(hào)，控制斬波開(kāi)關(guān)通斷，以恒定電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，此時(shí)充電電流按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)電池電壓上升到規(guī)定值時(shí)，結(jié)束慢充，進(jìn)入涓流充階段;在涓流充階段(t2～t3)，單片機(jī)輸出的PWM控制信號(hào)，使充電器以約0.09C的充電電流對(duì)蓄電池充電，在這種狀態(tài)下，可長(zhǎng)時(shí)間對(duì)蓄電池充電，從而能最大限度地延長(zhǎng)蓄電池壽命。

3 智能型充電器的工作原理

根據(jù)上述分析而設(shè)計(jì)的智能型鉛酸蓄電池充電器，主要由開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源、斬波開(kāi)關(guān)、控制器和輔助電源等四個(gè)部分組成，并具有過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和超溫保護(hù)功能。圖2為充電器原理框圖，圖3為充電器電路原理圖。

3.1 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源

圖3所示電路中，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源采用半橋式PWM變換電路。其工作原理是:由IC1(TL494)開(kāi)關(guān)電源集成控制器的8腳和11腳輸出反相的PWM信號(hào)，經(jīng)三極管Q3、Q4互補(bǔ)放大，通過(guò)驅(qū)動(dòng)變壓器T2，為三極管Q1和Q2基極提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。使Q1和Q2交替通斷，高頻變壓器T1的初級(jí)繞組N1就會(huì)產(chǎn)生約320V峰峰值方波，在T1的次級(jí)繞組N2、N3中就有感應(yīng)電壓產(chǎn)生，這個(gè)電壓經(jīng)D9(MUR1620)整流，C22濾波后，變?yōu)橹绷麟妷?，通過(guò)斬波開(kāi)關(guān)對(duì)蓄電池充電。T1次級(jí)繞組N4、N5為輔助繞組，其感應(yīng)電壓經(jīng)D10、D11整流，C21濾波后，接至IC1的12腳，作為其工作電壓。

圖3中，電阻R28串接在T1次級(jí)繞組N2和N3的中間抽頭與輸出地之間，作用是監(jiān)控快充充電電流和過(guò)流保護(hù)。恒流控制過(guò)程為:當(dāng)充電電流超過(guò)恒定值1C時(shí)，R28上的壓降增大，該壓降經(jīng)并聯(lián)電阻R24、R25反饋到IC1的15腳(內(nèi)部電流誤差放大器反相輸入端)，使其電位變負(fù)，低于IC1的16腳(內(nèi)部電流誤差放大器同相輸入端)，則內(nèi)部電流誤差放大器輸出電壓升高，使IC1的8腳和11腳輸出的PWM信號(hào)的脈沖變窄，從而縮短Q1和Q2的導(dǎo)通時(shí)間，使輸出電壓下降，維持充電電流恒定;隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng)，電池電壓逐漸升高，充電電流按指數(shù)規(guī)律下降，IC1的15腳電位按指數(shù)規(guī)律上升，則 IC1的8腳和11腳輸出的PWM信號(hào)脈沖變寬，從而延長(zhǎng)Q1和Q2的導(dǎo)通時(shí)間，使輸出電壓升高，充電電流保持恒定。在慢充階段，通過(guò)電阻R15、R16、R17、R18、C16、C17組成電壓取樣電路和IC1內(nèi)部電壓誤差放大器，使輸出電壓恒定。其恒壓控制過(guò)程為:取樣電壓輸入到IC1的1腳(內(nèi)部電壓誤差放大器同相輸入端)，與IC1的2腳(內(nèi)部電壓誤差放大器反相輸入端)的基準(zhǔn)電壓比較，其誤差信號(hào)放大后，經(jīng)內(nèi)部電路處理，使IC1的8腳和11腳輸出的PWM信號(hào)的脈寬改變，從而使Q1、Q2的導(dǎo)通時(shí)間改變，維持輸出電壓恒定。

圖3中交流220V進(jìn)線端，電容C1、C2、C3、C4和電感LF組成一個(gè)LC濾波器，用于差模——共模方式的RFI(無(wú)線頻率干擾)的抑制，防止電源產(chǎn)生的噪聲泄漏到電網(wǎng)，造成電網(wǎng)污染。

3.2 斬波開(kāi)關(guān)

斬波開(kāi)關(guān)電路由三極管Q5、Q6、Q7和電阻R29、R30、R31、R32等組成。工作過(guò)程為:IC3(PIC16C54)的6腳輸出的PWM控制信號(hào)經(jīng)電阻R32接至Q7的基極，控制Q7通斷，從而使Q5和Q6亦導(dǎo)通或截止，充電電流流過(guò)Q6對(duì)蓄電池(BAT)充電。改變PWM控制信號(hào)的脈寬，使得充電電壓可調(diào)。

3.3 控制器

如圖3所示，控制器是由IC2(LM358)和IC3(PIC16C54)以及電阻電容等組成。其中IC3采用Microchip公司生產(chǎn)的PIC16C54單片機(jī)。它是18引腳封裝的8位單片機(jī)，有12條I/O(輸入/輸出)線，每條I/O線吸收電流為25mA，驅(qū)動(dòng)電流為20mA，內(nèi)部EPROM為512×12，RAM為25×8，有可編程代碼保護(hù)。

控制過(guò)程為:快充階段，IC3的6腳輸出高電平，經(jīng)電阻R32接至Q7的基極，使斬波開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，通過(guò)電流監(jiān)控電路，以恒定電流對(duì)蓄電池充電。到達(dá)快充時(shí)間時(shí)，IC3的6腳輸出低電平，關(guān)斷斬波開(kāi)關(guān)，停止充電，快充階段結(jié)束。慢充階段，IC3的6腳輸出PWM控制信號(hào)，使斬波開(kāi)關(guān)以固定的占空比導(dǎo)通，充電器以恒定電壓對(duì)蓄電池充電，此時(shí)充電電流隨著蓄電池電壓的上升，按指數(shù)規(guī)律下降。當(dāng)蓄電池電壓上升到規(guī)定值時(shí)，由電阻R33、R34、R35對(duì)蓄電池電壓取樣后，送至比較器IC2的3腳(同相輸入端)，與2腳(反相輸入端)的基準(zhǔn)電壓比較，則1腳輸出高電平，IC3的17腳輸入高電平，經(jīng)軟件濾波和延時(shí)，判斷檢測(cè)無(wú)誤后，結(jié)束慢充。涓流充階段，IC3的6腳輸出PWM控制信號(hào)，使斬波開(kāi)關(guān)以較小的占空比導(dǎo)通，將充電電流維持在0.09C左右，對(duì)蓄電池充電。

超溫保護(hù)是通過(guò)附加在蓄電池上的正溫度特性熱敏電阻RT2、R36、R37實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電池溫度升高時(shí)，熱敏電阻RT2的阻值增大，則IC2的5腳(同相輸入端)電位上升;若電池溫度升高到規(guī)定值時(shí)，5腳電位高于6腳(反相輸入端)電位，則7腳輸出高電平，IC3的18腳輸入高電平，則IC3的6腳輸出PWM信號(hào)，使充電器以浮充電壓對(duì)蓄電池充電，有效地保護(hù)了蓄電池。

本充電器用發(fā)光二極管表示充電狀態(tài)。即快充和慢充階段，綠色發(fā)光二極管G點(diǎn)亮;涓流充階段，黃色發(fā)光二極管Y點(diǎn)亮。圖4所示為程序流程。

3.4 輔助電源

輔助電源由工頻變壓器T3、整流元件B2、濾波元件C27、C28和三端穩(wěn)壓集成電路IC4(7805)組成，為單片機(jī)提供(+5V)電源電壓。采用這種為單片機(jī)單獨(dú)供電方式，可以增強(qiáng)抗干擾能力，提高可靠性。同時(shí)為單片機(jī)提供50Hz計(jì)時(shí)脈沖信號(hào)。

4 綜合實(shí)驗(yàn)

圖2所示電路可給12V/4Ah的鉛酸蓄電池充電，最大充電電流限制為4A，最大輸出電壓為18V。充電開(kāi)始時(shí)，充電器以4A電流對(duì)蓄電池快速充電約25分鐘;然后以14.7V的恒定電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行慢充，直至蓄電池電壓上升到12.8V，結(jié)束慢充；最后充電器以14.1V電壓對(duì)蓄電池涓流充電。溫度保護(hù)點(diǎn)為45C°;當(dāng)蓄電池溫度升高到45C°時(shí)，單片機(jī)控制充電電壓下降到14.1V，隨著溫度的回落，充電電壓恢復(fù)到保護(hù)前的狀態(tài)繼續(xù)充電。該充電器對(duì)上述蓄電池充電比普通充電器縮短了約2/5的時(shí)間。

鉛酸蓄電池的型號(hào)不同，充電要求不完全相同，在設(shè)定快充時(shí)間和最大充電電流等參數(shù)時(shí)，要經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，才能達(dá)到最佳充電效果，使電池壽命得到延長(zhǎng)。本充電器經(jīng)過(guò)多種綜合試驗(yàn)，充電效果良好，適用于對(duì)多種蓄電池充電。