基于P89LPC933的大功率智能充電器的設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：89LPC933單片機(jī) SG3525A 四階段充電 大功率充電器
鉛酸蓄電池因?yàn)槠渚S護(hù)簡單、價格低廉、供電可靠、使用壽命長而被廣泛用作汽車、飛機(jī)、輪船等機(jī)動車輛或發(fā)電機(jī)組的啟動電源,同時也在各類需要不間斷供電的電子設(shè)備和便攜式儀器儀表中被用作一些電器及控制回路的工作電源。然而，由于充電方法的不正確，存在嚴(yán)重的過充、欠充現(xiàn)象，直接影響了蓄電池的技術(shù)狀態(tài)和循環(huán)使用壽命。Power Smart公司根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論：若采用合適的充電方式，電池的使用壽命大約可提高30%。基于此，本文提出一款基于P89LPC933單片機(jī)的智能充電器的設(shè)計(jì)方案，采用先進(jìn)的四階段充電控制方法。該充電器可以實(shí)時采集電池的電壓、電流，對充電過程進(jìn)行智能控制和全面管理，使充電過程按理想的充電曲線進(jìn)行，解決了普通充電器對蓄電池充電的技術(shù)難題，并且充電電流可在0～50A范圍內(nèi)任意設(shè)定，具有完善的過壓、過流、過熱保護(hù)功能，并以聲光形式進(jìn)行提示，既能快速充電又能對蓄電池進(jìn)行有效的保護(hù)。
1 智能充電器的充電技術(shù)
國內(nèi)外鉛酸蓄電池的充電方法目前主要有恒流、恒壓、恒壓限流充電法。恒流充電方法隨著充電的進(jìn)行，電壓會慢慢上升，到充電后期電壓上升到13.8V時，如果不對充電電壓進(jìn)行限制，容易使電池處于過充電狀態(tài)，導(dǎo)致電池有大量的水發(fā)生分解以及活性物質(zhì)容易脫落，縮短電池壽命。恒壓充電法存在的缺點(diǎn)主要是：由于電壓恒定，在充電初期電池電動勢小，所以充電電流很大，容易造成極板的彎曲和活性物質(zhì)的脫落，而且設(shè)備必須適應(yīng)充電初期的大電流；充電末期電流過小，使充電時間延長，且容易充電不足。
恒壓限流充電法則避免了以上兩種充電方法的不足，充電初期為避免電流過大，采用限流充電，后期為避免電壓過大而采用恒壓充電。因此恒壓限流充電是一種比較有效的充電方式，再加上采用智能化的過充判斷、浮充控制、溫度補(bǔ)償?shù)却胧?，形成一個簡單的充電管理系統(tǒng)，蓄電池可以在這個系統(tǒng)下更好地工作。恒壓限流充電方式是目前大多數(shù)電池廠商推薦的充電方式。
目前，大多數(shù)充電器采用的恒壓限流充電方式都是三階段充電[1-2]，即恒流充電、恒壓充電和涓流浮充電。事實(shí)上，在實(shí)際的使用過程中，閑置的蓄電池常常會過度放電，如果一開始就采用較大的電流恒流充電，容易造成熱失控，不利于激活電池內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)以最大優(yōu)化電池的性能。所以在開始的時候采用較小電流激活充電，能使極板表層充分激活而不過量脫粉，深層各處也能得到充分激活，經(jīng)過激活修復(fù)后的蓄電池更能經(jīng)久耐用。根據(jù)充電電池的原理，同種工藝的電池理想的充電曲線大致相似，只是具體的電壓數(shù)值有所差別。針對這些特點(diǎn)，應(yīng)用信息技術(shù)進(jìn)行控制，能有效地使實(shí)際充電曲線擬合鉛酸蓄電池的最佳充電曲線，控制電池在正常溫升范圍之內(nèi)，提高充電的效率，達(dá)到最佳充電效果。綜合經(jīng)典的充電理論和前人的成果以及大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，筆者在對鉛酸蓄電池的充電控制中設(shè)計(jì)了四階段充電曲線，如圖1所示(以12V/200Ah電池組的充電過程為例)。
1.1 激活充電
充電器開始工作后，通過單片機(jī)采集蓄電池的端電壓進(jìn)行檢測，若電池電壓低于9.5V，充電器不工作。若電池電壓高于9.5V而低于10.5V，說明蓄電池曾經(jīng)過度放電。為避免對蓄電池充電電流過大,造成熱失控,對蓄電池實(shí)行穩(wěn)定小電流激活充電，激活蓄電池，隨著激活充電的進(jìn)行,電池電壓開始上升,當(dāng)電池電壓上升到能接受大電流充電的閥值電壓10.5V時,則轉(zhuǎn)入恒流充電階段。反之視為激活充電失敗，重復(fù)3次激活充電后，電池端電壓依然不能升到指定值，則認(rèn)為電池失效。
1.2 恒流充電
大電流恒流充電,這里電流值為50A,因蓄電池容量而異,一般為0.4c(c為蓄電池組的容量)。在恒流充電狀態(tài)下，電池電壓不斷上升，單片機(jī)不斷檢測電池端電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到飽和電壓14.7V時，恒流充電狀態(tài)終止并轉(zhuǎn)為恒壓充電。
1.3 恒壓充電
恒壓充電電壓值為14.7V,它是蓄電池節(jié)數(shù)與蓄電池溫度的函數(shù)。恒壓充電時，通過PWM調(diào)制器調(diào)節(jié)，使充電電壓保持不變，充電電流不斷下降，當(dāng)充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10時，即5A時，終止恒壓充電并轉(zhuǎn)為涓流浮充。
1.4 涓流浮充電
涓流浮充時蓄電池的充電電壓必須保持一恒定值，這里選擇充電電壓恒為13.8V。在該電壓下，充入的電量應(yīng)足以補(bǔ)償蓄電池由于自放電而損失的能量。
2 智能充電器的硬件設(shè)計(jì)
基于P89LPC933的大功率智能充電器的系統(tǒng)組成如圖2所示，市電經(jīng)EMI濾波、全橋整流后變?yōu)橹绷鞲邏?，然后通過PFC電路進(jìn)行功率因數(shù)校正，再經(jīng)半橋DC-DC隔離變換器降壓和整流濾波后即可獲得電池充電所需的低壓直流。
主控單元選用的是NXP公司的P89LPC933單片機(jī)，該芯片采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度是標(biāo)準(zhǔn)8051的6倍，內(nèi)置4KB Flash程序存儲器、256B片內(nèi)RAM，2個16bit定時／計(jì)數(shù)器，1個8位4通道逐步逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC1)和1個DAC 模塊(DAC0)，高達(dá)26個I/O口，幾乎所有輸入引腳均具有抗干擾濾波功能，并內(nèi)置了硬件看門狗，在軟件配合下，抗干擾能力很強(qiáng)[3]。P89LPC933單片機(jī)的主要任務(wù)是通過采樣電路實(shí)時采集電池的端電壓和充電電流，經(jīng)內(nèi)部計(jì)算決定下一階段的充電電壓和電流，然后送出控制信號給脈寬調(diào)制器控制充電電流和電壓的大小，并協(xié)調(diào)好其他各外圍電路模塊工作。P89LPC933單片機(jī)的各個I/O口分配如圖3所示，P0.1、P0.2、P0.3通過內(nèi)部寄存器設(shè)置成A/D轉(zhuǎn)換輸入端，P0.1腳輸入的是電流采樣電路輸出的電流轉(zhuǎn)換成的電壓信號，P0.2腳輸入的是電壓采樣電路輸出的電壓信號，P0.3腳輸入的是溫度采樣電路實(shí)時檢測的電池溫度和充電器功率管溫度轉(zhuǎn)換的電壓信號。采樣進(jìn)來的相關(guān)信號經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部存儲、處理、計(jì)算，然后從P2.0/DAC0腳送出控制信號去控制脈寬調(diào)制器。
電壓采樣、電流采樣及PWM控制電路如圖4所示，電壓采樣直接從電池正端（圖中V1）采集，經(jīng)過圖中相關(guān)電路送入P89LPC933的P0.2腳；電流采樣通過電流互感器TF603和相關(guān)電路轉(zhuǎn)換為電壓值后經(jīng)R635和R636分壓，送入P89LPC933的P0.1腳，它們都由單片機(jī)讀取，并進(jìn)行存儲和處理。另外,電流采樣和電壓采樣的另一路信號也要送至下面要介紹的脈寬調(diào)制器作為比較信號。
脈寬調(diào)制器SG3525A在這個閉環(huán)控制中起到一個至關(guān)重要的作用[4]，脈寬調(diào)制器SG3525A的2腳和1腳分別輸入的是P89LPC933的P2.0/DAC0腳送出的控制信號和采樣電路送出的電壓和電流信號，經(jīng)內(nèi)部的比較電路比較，得出脈寬可以改變的PWM調(diào)制信號，再經(jīng)11腳和14腳輸出,去驅(qū)動主回路的MOSFET管Q603和Q604工作，從而達(dá)到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定充電電壓和電流的作用。SG3525A的10腳送入的是電流取樣電路輸出的過流保護(hù)信號PWH，當(dāng)充電電路發(fā)生故障出現(xiàn)過流過載情況時，則及時關(guān)閉脈寬調(diào)制器SG3525A，使充電電路的主電路停止工作。
顯示模塊用來顯示電池當(dāng)前的電壓與充電器的電流，顯示狀態(tài)由面板上按鈕啟動。由于設(shè)計(jì)的是一款大功率充電器，所以還要實(shí)時采集電池溫度和功率管溫度，一旦溫度過高單片機(jī)馬上啟動風(fēng)冷電路。從而使鉛酸蓄電池在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)工作，起到保護(hù)作用，得以延長使用壽命。
3 智能充電器的軟件設(shè)計(jì)
智能充電器的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，各個模塊之間做到低耦合、高內(nèi)聚。軟件設(shè)計(jì)主要有四個模塊：主程序、A/D轉(zhuǎn)換、比較、判斷及控制中斷服務(wù)程序。主程序主要負(fù)責(zé)各個模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)調(diào)工作。根據(jù)上面設(shè)計(jì)的鉛酸蓄電池四階段充電曲線，軟件設(shè)計(jì)的充電控制策略流程圖如圖5所示。
由于實(shí)際使用環(huán)境的復(fù)雜性及各種各樣干擾因素的存在，因此系統(tǒng)的可靠性需要使用抗干擾技術(shù)來維持。除了必須在硬件上采用了必要的抗干擾電路外（如EMI濾波、RC吸收電路、PCB工藝等），在軟件設(shè)計(jì)上也采取了一些必要的抗干擾措施，諸如用計(jì)數(shù)方式對人機(jī)交互界面的按鈕消抖，使用P89LPC933內(nèi)嵌的硬件看門狗（WDT）結(jié)合軟件陷阱捕獲“跑飛”的PC指針，隨時復(fù)位處于失控狀態(tài)下的CPU等[3]。
4 充電器系統(tǒng)測試與總結(jié)
4.1充電性能測試
為了檢測充電性能，用基于P89LPC933的大功率智能充電器對12V/200Ah的鉛酸蓄電池組進(jìn)行充電試驗(yàn)。電池充滿時電壓為13.8V,充電時間為405分鐘，電池最高溫度為37°C, 充電過程正常。具體充電測試數(shù)據(jù)如表1所示。
4.2 充電器橫向產(chǎn)品的調(diào)查比較
4.2.1 與無單片機(jī)控制的恒壓充電器的比較
某廠恒壓充電器只是采用了TL494脈寬調(diào)制器為核心的硬件電路，無單片機(jī)控制，與基于P89LPC933的大功率智能充電器的比較結(jié)果如表2所示。
4.2．2 與較典型的KYD-DDCC-12V型智能充電器的比較
經(jīng)市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，智能充電器充電電流普遍比較小，甚至很少有能達(dá)到30A以上的智能充電器。KYD-DDCC-12V型智能充電器在市場上是比較常見的。其典型參數(shù)如下：
(1)充電電流：0～2.0A；(2)輸出電壓：14.3V；(3)浮充電壓：13.5V；(4)轉(zhuǎn)換電流：0.3A；(5)待機(jī)功耗：≤2W；(6)外型尺寸：160mm×90mm×55mm。
可見基于P89LPC933的大功率智能充電器在充電電流和外型尺寸上都有比較明顯的優(yōu)勢。
因此，在充電器系統(tǒng)中應(yīng)用先進(jìn)的開關(guān)電源芯片、單片微控制器及信號檢測技術(shù)等，能使傳統(tǒng)的充電技術(shù)與信息處理和智能控制技術(shù)融合在一起，可以改變充電器行業(yè)技術(shù)含量低的狀況，而且實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的電池智能充電管理能極大地提高傳統(tǒng)產(chǎn)品的核心競爭力。該充電器已在廣東省某企業(yè)投入使用。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際使用都證明，采用以P89LPC933和SG3525A為核心的控制電路設(shè)計(jì)的智能充電器，能夠?qū)︺U酸蓄電池實(shí)現(xiàn)大電流充電,并能夠根據(jù)充電過程自動調(diào)整控制參數(shù)，同時還可進(jìn)行故障自診斷，可以實(shí)現(xiàn)充電過程中無人值守,延長電池的使用壽命。
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