基于單片機的鉛酸蓄電池智能充電器設計

引言

　　蓄電池是廣泛應用于國防、交通運輸、通訊、電力等國民經濟各個部門的重要能源裝置，是社會生產經營活動中不可缺少的產品。蓄電池的使用壽命是專業(yè)人員及使用人員普遍關注的問題，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、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、無損地對蓄電池進行科學充電，一直是蓄電池界關心的問題，也是蓄電池使用和保養(yǎng)中非常重要的內容。因此，研究先進的充電技術及充電裝置是蓄電池領域重要的課題，它是涉及電力電子、自動測量與自動控制等技術的高端課題。

　　1 智能充電器硬件部分

　　充電裝置硬件總體結構設計框圖如圖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，虛線框內部分為控制電路。主電路的功能是將輸入的三相交流電轉變成蓄電池負載需要的直流電；控制電路用于實現(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部分的作用是通過整流變壓器將三相交流電源U、V、w進行降壓、隔離，經六個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，對輸入為AC380V的三相電壓，U1的大小僅與整流變壓器的變比有關，一旦電網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。當對蓄電池進行充電時，全控器件VT2關斷，直流電壓U1經過全控開關器件VT1、續(xù)流二極管VD2和電感L（同時兼作濾波）組成的Buck電路，并通過控制VT 通斷來控制輸出電壓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）主電路保護電路

　?。?）過電流保護。

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

　?。?）過電壓保護。

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

　　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調節(jié)器及反饋選擇電路、D/A轉換電路，CAN總線電路，單片機及其外圍電路。其各模塊框圖如圖4所示。

圖4 控制電路原理框圖

2 軟件設計

　　軟件設計總體框圖如圖5所示，其具體流程如下：首先調用初始化函數(shù)對所有設備進行初始化。之后判斷關機是否正常，如果上次關機為正常關機則調用各種模式選擇函數(shù)，選擇充電模式；如果不正常，則讀EEPROM,讀取非正常關機時充電機的狀態(tài)。然后進入循環(huán)，在5分鐘之內，允許對充電機自動充電狀態(tài)下的給定電壓進行設定；每1O分鐘，將充電機當前狀態(tài)記人EEPROM.選擇充電方式，用相應的子程序對數(shù)據進行處理，得出輸出結果，并通過DA變換為所需的電壓信號；每秒鐘調用一次計時函數(shù)，記錄并顯示當時的充電總時間和所處階段的充電時間；判斷是否滿足階段轉換的條件，控制階段轉換燈；根據關機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開始階段和最后階段恒電流的修正恒壓充電。實際應用中可以根據需要和充電效果在程序中進行調整。[!--empirenews.page--]

3 實驗分析

　　本智能充電機分手動模式和自動模式兩種充電方式。下面分別對其進行驗證。

　　手動模式充電波形如圖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動信號；第三通道為模擬PI調節(jié)器的給定參考電壓；第四通道為電流鉗測得的實際充電電流信號。

　　可以看出，手動模式下，單片機能夠正常地從電位器取出信號，并將其轉換為相應的電壓信號發(fā)送給模擬PI調節(jié)器作參考。電池端電壓隨充電電流波動，因此能夠進行正常的手動充電。

　　手動模式充電波形如圖7所示，充電機在電池單格大于等于2.35V時進行階段轉換，每次轉換過后都將充電電流減小為上階段充電電流的一半。

　　程序中設置進行三次階段轉換，第三階段進行過充電。

圖6 手動模式充電波形

圖7 自動模式充電波形

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

　　4 結束語

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

　?。?）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。

　?。?）不僅能夠通過判斷充電時間來完成關機，還能通過判斷電池的端電壓變化率來實現(xiàn)自動關機。

　?。?）可使用多種反饋來判斷電池的狀態(tài)，在原充電機電流反饋電路的基礎上添加了電壓反饋及調節(jié)電路。

　?。?）能自動判斷電池塊數(shù)并改變電壓反饋比例系數(shù)。

　?。?）實時記錄充電機的充電狀態(tài)，實現(xiàn)充電機斷電保護。

　?。?）具有CAN總線接口，方便擴展使用。