基于PIC單片機(jī)的數(shù)字式智能鉛酸電池充電器設(shè)計(jì)

摘要：介紹了鉛酸蓄電池的特點(diǎn)及使用PIC單片機(jī)對(duì)充電器實(shí)現(xiàn)全數(shù)字智能控制的方法：并且設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠輸出15V/50A、采用恒壓限流模式的充電器。
關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池；智能充電器；PICl6C73；數(shù)字控制

0 引言
    鉛酸蓄電池由于其成本低、容量大、安全可靠等特點(diǎn)，在通信、電動(dòng)汽車(chē)、軍事、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。電池的性能好壞、使用壽命的長(zhǎng)短直接影響到電子產(chǎn)品的使用壽命和使用安全；而充電器的好壞又直接影響到電池的使用壽命。因此研究低成本又有智能管理功能的充電器是有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的課題。

1 目前智能充電器的幾種結(jié)構(gòu)
1．1 基于專(zhuān)用芯片的管理系統(tǒng)
    現(xiàn)在，UNITRODE公司已開(kāi)發(fā)出系列電池管理專(zhuān)用芯片。凼為電池管理中采用最多的就是控制充電電壓及充放電電流，電池管理芯片正是抓住了這一點(diǎn)，為VRLA電池研制了具有四狀態(tài)管理的專(zhuān)用控制芯片，可以智能地實(shí)現(xiàn)帶溫度補(bǔ)償?shù)乃臓顟B(tài)管理方案：涓流充電模式、大功率充電模式、過(guò)充電模式和浮充電模式。不同的電池要有不同的芯片控制，因此，用專(zhuān)用芯片做管理系統(tǒng)其靈活性較差。

1．2 基于監(jiān)控測(cè)量的蓄電池管理系統(tǒng)
    在給電池充電的過(guò)程中，涉及到電池工作電壓、工作電流、溫度等參數(shù)，這些都是表征電池狀態(tài)的重要參數(shù)。采用傳感器提取這些參數(shù)，然后再配合故障診斷、遙控遙測(cè)、自動(dòng)報(bào)警和事故現(xiàn)場(chǎng)處理等功能，就可以組成一電池管理系統(tǒng)。如圖1所示。

1.3 與電源設(shè)備一起構(gòu)成的蓄電池充放電管理系統(tǒng)
    在通訊、供電系統(tǒng)中，為了保證電網(wǎng)掉電時(shí)蓄電池組能及時(shí)補(bǔ)充電能，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)向負(fù)載供電，保證通信或電力合閘系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通常是將電池組自接掛接在電源模塊輸出端。當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，電池組工作在浮充狀態(tài)，起到平滑濾波和保持容量(補(bǔ)充自放電的容量損失)的作用。一旦電網(wǎng)掉電，蓄電池組立即投入工作，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)，電源模塊立即對(duì)電池進(jìn)行充電。如圖2所示。

    這樣的一個(gè)系統(tǒng)由于和電源模塊聯(lián)系起來(lái)，所以，可以從充放電過(guò)程上來(lái)優(yōu)化電池工作狀態(tài)，電池充電成為可控的過(guò)程，建立在這樣一個(gè)系統(tǒng)上的監(jiān)控單元應(yīng)該具有第一種監(jiān)控系統(tǒng)中所有功能，并且可以和電源模塊直接“對(duì)話”，根據(jù)要求對(duì)電池進(jìn)行管理，并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的放電狀態(tài)，對(duì)電池的工作進(jìn)行優(yōu)化。因此，電池組的工作會(huì)更加可靠，可控性和智能化程度也會(huì)更高。但是這樣一個(gè)系統(tǒng)存在的豐要問(wèn)題是：

    (1)沒(méi)有解決電池組串聯(lián)運(yùn)行過(guò)程中不均衡現(xiàn)象的問(wèn)題，這也是電池失效的重要原因之一；
    (2)一般只完成了電池生產(chǎn)廠家提供的充電曲線，對(duì)于電池在使用過(guò)程中發(fā)生的其它問(wèn)題控制不夠全面，例如深度放電后的涓充問(wèn)題等。
    在將來(lái)，充電器的發(fā)展方向足智能化、數(shù)字化、集成化。智能化可以使電池的管理做到全自動(dòng)，無(wú)需人員監(jiān)管，真正做到免維護(hù)。數(shù)字化和集成化可以減少管理系統(tǒng)的體積和重量，減少系統(tǒng)的復(fù)雜度。

2 目前幾種充電方式
    鉛酸蓄電池的允電方法目前主要有恒流、恒壓、恒壓限流、脈沖充電、Retlex充電法。

2．1 恒流充電
    恒流充電方式是一種簡(jiǎn)單的充電方法。但是，恒流充電有其局限性：對(duì)電池過(guò)充電就會(huì)造成電池壽命的縮短，而過(guò)小電流又會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間。

2．2 恒壓充電
    恒壓充電用簡(jiǎn)單的控制方法很容易就能實(shí)現(xiàn)。在充電的初始階段，由于電池的電壓很低而造成充電電流很大，這對(duì)電池會(huì)造成損害。當(dāng)電池電壓達(dá)到一定值之后，電流就會(huì)隨之減小。這種充電方法的缺點(diǎn)就是會(huì)造成溫度上升和電池的壽命減少，并且在開(kāi)始時(shí)電流很大。而后來(lái)快充滿時(shí)電流又很小，就無(wú)法充分利用充電器的容量。

2.3 恒壓限流法
    恒壓限流法實(shí)際上是將恒壓充電和恒流充電相結(jié)合，又可稱(chēng)為混合充電法。在充電開(kāi)始階段，由于電池電壓過(guò)低，為避免電流過(guò)大而損壞電池，就采用恒流充電法來(lái)限制充電電流。但電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，進(jìn)入恒壓充電方式。恒壓限流方式是大多數(shù)電池廠商推薦的充電方式。由于蓄電池充電電壓較低，充電后期電流很小．因此電解液中產(chǎn)生的氣泡很少，可以節(jié)省電能、降低蓄電池的溫升，避免損壞電池的極板。恒壓限流方式是一種很有效的充電方式，加上過(guò)充判斷、浮充控制、溫度補(bǔ)償?shù)染涂梢孕纬梢粋€(gè)簡(jiǎn)單的充電管理系統(tǒng)，蓄電池可以在這個(gè)系統(tǒng)下更好地工作。

2.4 脈沖充電
    在充電過(guò)程中，只要充電電流不超過(guò)蓄電池可接受的電流，蓄電池內(nèi)部就不會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡。蓄電池中產(chǎn)生的極化現(xiàn)象會(huì)阻礙充電，并且使出氣率和溫升顯著升高。因此，極化電壓是影響充電速度的重要因素。用周期性的脈動(dòng)電流給電池充電可以使電池有時(shí)間恢復(fù)其原來(lái)狀態(tài)，減小極化現(xiàn)象的影響，解決快速充電面臨的難題。但是目前這種充電方式還在研究階段，對(duì)于采用多大的脈沖周期，占空比又是多少之類(lèi)的具體問(wèn)題還沒(méi)有一個(gè)定論。

2.5 ReflexTM充電方式
    Retlex充電方法是脈沖電流法的改進(jìn)：一個(gè)周期是由一個(gè)正脈沖后加一個(gè)負(fù)脈沖，然后才是空閑時(shí)段。這樣就強(qiáng)制消除電池的極化現(xiàn)象，使得電池充電時(shí)可以更快而又不損害電池的使用壽命。這種充電方式與脈沖充電方式一樣，仍然處于研究階段。

3 數(shù)字式智能充電器的設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和充電方案的設(shè)計(jì)
    本文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是一個(gè)針對(duì)12V/(200～500Ah)的鉛酸蓄電池智能充電系統(tǒng)。采用半橋作為主功率拓?fù)?，開(kāi)關(guān)頻率取80 kHz左右。

    對(duì)于一個(gè)智能管理系統(tǒng)，控制模塊無(wú)異于它的大腦。充電器的所有動(dòng)作都是由它來(lái)決定和控制的，所以控制模塊的選擇關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣。由于系統(tǒng)需要多個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器，但不需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器也不需要通訊，根據(jù)以上特點(diǎn)我們選擇了MICROCHIP公司的PIC系列PICl6C73單片機(jī)。

    圖3所示為鉀能充電器的系統(tǒng)框圖。單片機(jī)是智能充電器的核心部件，它根據(jù)電流、電壓采樣以及溫度采樣做出溫度補(bǔ)償后的PWM波形輸出，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路提供給功率電路，并且決定了智能充電器的工作狀態(tài)，可以在必要的情況下做出保護(hù)動(dòng)作。意外故障保護(hù)電路町以在單片機(jī)失效的情況下對(duì)電路進(jìn)行強(qiáng)制保護(hù)，起到艤重保險(xiǎn)的作用。報(bào)警顯示部分用若干個(gè)LED表示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，簡(jiǎn)單有效。

    充電方式采用恒壓限流法。恒壓限流充電模式分兩個(gè)階段，第一階段是恒流階段，即系統(tǒng)給定電流值，給電池以恒定電流充電，當(dāng)電池的電壓達(dá)到系統(tǒng)給定的轉(zhuǎn)化值，就轉(zhuǎn)為第二階段——恒壓階段。恒壓轉(zhuǎn)化值會(huì)影響充入電量的多少。

    由圖4可知，當(dāng)恒壓轉(zhuǎn)化值(Vref)設(shè)置的較低時(shí)，充入的電量不足(圖中陰影部分就是少充入的容量)，沒(méi)有充分利用電池的容最，長(zhǎng)期工作，會(huì)引起電池容量丟失，這就要求把恒壓轉(zhuǎn)化值設(shè)高。但是恒壓值較高，容易在充電末期引起過(guò)充電，這同樣會(huì)導(dǎo)致電池容量丟失。

    為了解決這個(gè)矛盾，系統(tǒng)引進(jìn)了第三個(gè)階段——浮充階段，這樣就可以把恒壓轉(zhuǎn)化值設(shè)置的比普通恒壓限流模式高，這樣可以保證充入足夠的電量，在充電末期轉(zhuǎn)入浮充階段，用稍低的電壓浮充充電，從而保證不會(huì)過(guò)充電。
    三階段充電方法保證了充電末期不過(guò)充，同時(shí)又能達(dá)到滿充的目的，是一種成本較低的通用蓄電池充電解決方案。

3．2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    圖5為系統(tǒng)軟件的程序流程圖。根據(jù)電池的端電壓決定充電器工作在何種充電狀態(tài)。

    我們做的是全數(shù)字化的改良型PI調(diào)節(jié)環(huán)，由于PI調(diào)節(jié)的積分環(huán)在前期對(duì)誤差進(jìn)行積累，為了不讓積累的誤差影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以我們?cè)谡`差等于0時(shí)，對(duì)原有積累的誤差清零。當(dāng)誤差等于±1時(shí)，只進(jìn)行積分運(yùn)算，減慢調(diào)整速度，避免產(chǎn)生振蕩。
    鉛酸蓄電池的充電電壓需要根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)整，以-4mV/℃的補(bǔ)償系數(shù)來(lái)調(diào)整。因此我們加入了溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/P>

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    圖6為用電子負(fù)載模擬電池三階段充電過(guò)程的波形圖。從圖6中我們可以看出智能充電系統(tǒng)能夠方便地實(shí)現(xiàn)各個(gè)充電狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)語(yǔ)
    用PIC單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的電池充電管理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，并且具有很高的靈活性，通過(guò)改變軟件內(nèi)設(shè)置的恒流參考值和恒壓參考值就可以改變系統(tǒng)的恒流電流和恒壓電壓值，使得系統(tǒng)在不改變系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的情況下實(shí)現(xiàn)給多種不同容量的鉛酸蓄電池充電。另外可以實(shí)現(xiàn)有效的電池充電管理和保護(hù)功能，達(dá)到智能化控制。