基于單片機(jī)的鉛酸蓄電池智能充電器設(shè)計(jì)

引言

　　蓄電池是廣泛應(yīng)用于國(guó)防、交通運(yùn)輸、通訊、電力等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門的重要能源裝置，是社會(huì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中不可缺少的產(chǎn)品。蓄電池的使用壽命是專業(yè)人員及使用人員普遍關(guān)注的問(wèn)題，其由多方面因素決定，其中最重要的是蓄電池本身的物理性能。除此之外， 電池的管理技術(shù)、不合理的充放電模式是造成電池壽命縮短的主要原因。

　　如何高效、快速、無(wú)損地對(duì)蓄電池進(jìn)行科學(xué)充電，一直是蓄電池界關(guān)心的問(wèn)題，也是蓄電池使用和保養(yǎng)中非常重要的內(nèi)容。因此，研究先進(jìn)的充電技術(shù)及充電裝置是蓄電池領(lǐng)域重要的課題，它是涉及電力電子、自動(dòng)測(cè)量與自動(dòng)控制等技術(shù)的高端課題。

　　1 智能充電器硬件部分

　　充電裝置硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，由主電路和控制電路兩部分組成。虛線框外部分為主電路，虛線框內(nèi)部分為控制電路。主電路的功能是將輸入的三相交流電轉(zhuǎn)變成蓄電池負(fù)載需要的直流電；控制電路用于實(shí)現(xiàn)電源各種功能。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

　　1）充電主電路

　　主電路采用的是AC-DC-DC變換電路，AC-DC部分的作用是通過(guò)整流變壓器將三相交流電源U、V、w進(jìn)行降壓、隔離，經(jīng)六個(gè)二極管所組成的三相不控橋整流后得到不可控制的直流電壓U1,如圖2所示。也就是說(shuō)，對(duì)輸入為AC380V的三相電壓，U1的大小僅與整流變壓器的變比有關(guān)，一旦電網(wǎng)電壓和變壓器的變比確定，U1也就恒定不變。

圖2 三相降壓整流電路

DC-DC部分采用Buck電路，如圖3所示。當(dāng)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，全控器件VT2關(guān)斷，直流電壓U1經(jīng)過(guò)全控開(kāi)關(guān)器件VT1、續(xù)流二極管VD2和電感L（同時(shí)兼作濾波）組成的Buck電路，并通過(guò)控制VT 通斷來(lái)控制輸出電壓U2的大小，從而控制蓄電池的充電電流和充電電壓。

圖3 Buck-Boost電路[!--empirenews.page--]2）主電路保護(hù)電路

　?。?）過(guò)電流保護(hù)。

　　二極管、晶閘管的熱容量小，對(duì)5倍以上的過(guò)載要求在0.02秒內(nèi)切斷，否則元器件就會(huì)損壞，因此必須用快速熔斷器。

　?。?）過(guò)電壓保護(hù)。

　　晶閘管與整流二極管承受過(guò)電壓的能力有限， 即使電壓超過(guò)元件反向電壓擊穿電壓數(shù)值不多， 時(shí)間不長(zhǎng)（0.5~1us），都有可能使元件反向擊穿，造成損壞。過(guò)壓保護(hù)措施是接人阻容吸收回路，把它并接在交流側(cè)、直流側(cè)， 或與整流元件并聯(lián)，降低阻容電路兩端的電壓變化率，從而起過(guò)壓保護(hù)作用。

　　3）控制電路。

　　控制電路包括電壓反饋電路和電流反饋電路、PI調(diào)節(jié)器及反饋選擇電路、D/A轉(zhuǎn)換電路，CAN總線電路，單片機(jī)及其外圍電路。其各模塊框圖如圖4所示。

圖4 控制電路原理框圖

2 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)總體框圖如圖5所示，其具體流程如下：首先調(diào)用初始化函數(shù)對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行初始化。之后判斷關(guān)機(jī)是否正常，如果上次關(guān)機(jī)為正常關(guān)機(jī)則調(diào)用各種模式選擇函數(shù)，選擇充電模式；如果不正常，則讀EEPROM,讀取非正常關(guān)機(jī)時(shí)充電機(jī)的狀態(tài)。然后進(jìn)入循環(huán)，在5分鐘之內(nèi)，允許對(duì)充電機(jī)自動(dòng)充電狀態(tài)下的給定電壓進(jìn)行設(shè)定；每1O分鐘，將充電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)記人EEPROM.選擇充電方式，用相應(yīng)的子程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出輸出結(jié)果，并通過(guò)DA變換為所需的電壓信號(hào)；每秒鐘調(diào)用一次計(jì)時(shí)函數(shù)，記錄并顯示當(dāng)時(shí)的充電總時(shí)間和所處階段的充電時(shí)間；判斷是否滿足階段轉(zhuǎn)換的條件，控制階段轉(zhuǎn)換燈；根據(jù)關(guān)機(jī)條件判斷充電是否完成。

圖5 主函數(shù)流程圖

　　圖5中，恒壓恒流方式包括三種充電方式：①開(kāi)始階段恒電流的修正恒壓充電，②最后階段恒電流的修正恒壓充電，③開(kāi)始階段和最后階段恒電流的修正恒壓充電。實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要和充電效果在程序中進(jìn)行調(diào)整。[!--empirenews.page--]

3 實(shí)驗(yàn)分析

　　本智能充電機(jī)分手動(dòng)模式和自動(dòng)模式兩種充電方式。下面分別對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

　　手動(dòng)模式充電波形如圖6所示，圖中第一通道為電池端電壓；第二通道為脈沖變壓器原邊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；第三通道為模擬PI調(diào)節(jié)器的給定參考電壓；第四通道為電流鉗測(cè)得的實(shí)際充電電流信號(hào)。

　　可以看出，手動(dòng)模式下，單片機(jī)能夠正常地從電位器取出信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)發(fā)送給模擬PI調(diào)節(jié)器作參考。電池端電壓隨充電電流波動(dòng)，因此能夠進(jìn)行正常的手動(dòng)充電。

　　手動(dòng)模式充電波形如圖7所示，充電機(jī)在電池單格大于等于2.35V時(shí)進(jìn)行階段轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換過(guò)后都將充電電流減小為上階段充電電流的一半。

　　程序中設(shè)置進(jìn)行三次階段轉(zhuǎn)換，第三階段進(jìn)行過(guò)充電。

圖6 手動(dòng)模式充電波形

圖7 自動(dòng)模式充電波形

　　第一通道為電池端電壓，第二通道為電流反饋電路經(jīng)第一級(jí)放大電路之后的信號(hào)，第三通道為模擬PI調(diào)節(jié)器的給定參考電壓，第四通道為電流鉗測(cè)得的實(shí)際充電電流信號(hào)。從圖中可以看出充電機(jī)可以正常完成三階段恒電流充電。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　以單片機(jī)AT90CAN32為核心的智能充電設(shè)備控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案。采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程，并編寫了主程序和各模塊的子程序，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、事件管理、充電控制算法和輸出控制。該智能充電設(shè)備具有以下的特點(diǎn)：

　?。?）能完成多階段恒流充電。與以前兩階段恒流充電相比，能有效的將充電電流控制在電池析氣電流附近。

　?。?）不僅能夠通過(guò)判斷充電時(shí)間來(lái)完成關(guān)機(jī)，還能通過(guò)判斷電池的端電壓變化率來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)機(jī)。

　　（3）可使用多種反饋來(lái)判斷電池的狀態(tài)，在原充電機(jī)電流反饋電路的基礎(chǔ)上添加了電壓反饋及調(diào)節(jié)電路。

　?。?）能自動(dòng)判斷電池塊數(shù)并改變電壓反饋比例系數(shù)。

　?。?）實(shí)時(shí)記錄充電機(jī)的充電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)充電機(jī)斷電保護(hù)。

　?。?）具有CAN總線接口，方便擴(kuò)展使用。