基于P89V51RD2的多功能蓄電池充電系統(tǒng)設(shè)計

摘要：闡述了蓄電池的充電特性，并以P89V51RD2為控制核心，通過硬件電路和控制軟件的設(shè)計，結(jié)合新的充電模式，完成了多功能蓄電池充電機的設(shè)計，實現(xiàn)了提高蓄電池充電速度、改善蓄電池性能、延長蓄電池使用壽命的目的。 
關(guān)鍵詞：P89V51RD2；充電系統(tǒng)；蓄電池

1 引言
    免維護蓄電池(簡稱蓄電池)以易用、價廉和儲能比高等優(yōu)良性能在電動自行車、電動游覽車及不間斷電源系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，成為普及率最高的電能儲能設(shè)備。目前的蓄電池充電器絕大多數(shù)以恒流恒壓方式充電，沒有考慮環(huán)境溫度變化對蓄電池充電過程的影響，影響了蓄電池性能的充分發(fā)揮和使用壽命。筆者結(jié)合蓄電池的充電特性，以P89V51RD2型微處理器為控制核心，開發(fā)了多功能數(shù)字式蓄電池充電機，實現(xiàn)了對36 V以下、100 Ah以內(nèi)的蓄電池的初充、激活、快充和正常充電等功能，同時根據(jù)環(huán)境溫度變化，自動調(diào)整充電終止電壓，實現(xiàn)了充電過程的智能化。

2 蓄電池充電特性
    蓄電池的充電是一個復(fù)雜的電化學(xué)過程。影響充電效果的因素很多，溫度即是其中之一。圖1所示是以新的12 V/100 Ah蓄電池為對象，以0.1 CA(CA為蓄電池的標定容量，單位為A·h)的標準恒定電流在不同環(huán)境溫度下的充電特性曲線。由圖1可以看出，在充電過程中，溫度的改變會對充電電壓產(chǎn)生重要影響。溫度在O℃~5℃時，其充電端電壓會上升約2％，在10℃～25℃時充電端電壓上升約1.5％，而在35℃～40℃時充電端電壓下降約1％；當溫度高于55℃時充電端電壓下降5％。由此可見，采用恒壓充電模式，在冬季充電可能不足，而在夏季蓄電池可能過充電。實踐也證明，蓄電池在充電過程中電壓隨時間呈指數(shù)規(guī)律下降，即使是相同型號、相同容量的蓄電池，因放電狀態(tài)、使用和保存期的不同，其充電性能也大不一樣。因此，不可能按恒流或恒壓進行充電。

3 主要元器件
    TLC2543是11通道高速A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率達200 kHz，其輸入命令格式如表1所示，工作時序如圖2所示。

    OCM2X8C是：128x32點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8 192個漢字(16x16點陣)、128個字符(8x16點陣)?？膳cCPU直接接口，提供8位并行及串行連接方式，具有多種功能光標顯示、畫面移位、睡眠模式等功能。因微處理器引腳數(shù)量限制，在系統(tǒng)中采用串行通信模式。各引腳功能如表2所列。

    P89V51RD2是一款與80C51單片機完全兼容的高性能微控制器，內(nèi)部集成了64 KB Flash和1024字節(jié)RAM，可提供6個機器周期和12個機器周期，最高時鐘為40 MHz。支持ISP編程、PWM輸出、PCA可編程計數(shù)陣列和可編程看門狗定時器等。

4 系統(tǒng)工作原理及接口電路設(shè)計
    本系統(tǒng)主要由微處理器控制系統(tǒng)、中文液晶顯示、PWM充電輸出、A/D轉(zhuǎn)換器和鍵盤掃描等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    微處理器是系統(tǒng)的控制核心，模擬TLC2543的工作時序，控制TLC2543分別對蓄電池的端電壓、充電電流及溫度進行采樣，完成A/D轉(zhuǎn)換，對采樣結(jié)果進行運算和分析判斷，然后控制PWM輸出電路，改變充電電流和調(diào)整充電端電壓。接口電路如圖4所示。

    鍵盤系統(tǒng)有4個按鍵：ON/OFF鍵是充電過程啟?？刂奇I；S鍵是循回功能選擇鍵，主要有工作模式、蓄電池電壓、容量、充電模式、時間限定等；“+”鍵和“-”鍵是工作參數(shù)調(diào)整鍵，工作模式分為自動和手動，蓄電池電壓有6 V、12 V、18 V、24 V、30 V、36 V，容量項從2Ah至120Ah，共26項，充電模式為正常、初充、激活、快充，時間限定功能可以設(shè)定充電開始的時間和充電結(jié)束時間等。
    由微處理器模擬TLC2543的工作時序，通過P20、P21、P22、P23和P24與TLC2543相連，對A/D轉(zhuǎn)換過程進行控制。TLC2543的AIN0監(jiān)控第一PWM輸出通道的充電電流，AINl監(jiān)控第一PWM輸出通道的充電端電壓。AIN2和AIN3、AIN4和AIN5、AIN6和AIN7分別用于第二、三、四PWM輸出通道。AIN8、AIN9、AINl0分別通過T_IN端子連接AD590型溫度傳感器，AIN8、AIN9測量蓄電池充電溫度，AINl0測量環(huán)境溫度。
    PWM充電電路的PINl為ACl6 V/30 A、AC33V/25 A和AC50 V/20 A電源輸入端，由微處理器根據(jù)不同的輸入蓄電池的端電壓，通過繼電器J2和J3自動選擇合適的交流電源。PWM脈沖由CEX0輸出，通過TLP250型光電耦合器驅(qū)動N溝道功率MOSFET輸出。R6為充電電流采樣電阻器，阻值為O.1 Ω。IC2A構(gòu)成增益為3.3的放大器，對充電電流流經(jīng)采樣電阻器的電壓進行放大，并輸出到TLC2543的AINO端進行A/D轉(zhuǎn)換。當檢測到充電電流過大時，增大PWM占空比，反之減小占空比。當充電電流大于15 A時，若PWM控制電路還沒有及時調(diào)整到正常范圍，IC2A輸出電平高于5.4 V時，會擊穿4.7V穩(wěn)壓管V7，經(jīng)V2使三極管N4導(dǎo)通，通過TLP250和P1關(guān)斷輸出電源，保護供電系統(tǒng)。

    充電端電壓由R2和R9分壓后，輸送到AINl端。充電端電壓是判斷充電過程的主要依據(jù)，低于蓄電池標稱電壓的13％一般是因為過放電或存放時間過長，采用0.1 CA的平均脈沖電流充電；充電端電壓在標稱值±13％內(nèi)時，則采用0.35 CA的充電電流實施快速充電；當充電端電壓接近或高于標稱+13％時，充電電流逐漸減小，當充電端電壓達到進行溫度修正后上限值時，通過改變PWM的占空比，使用極小的電流充電。采用分段式脈沖充電方式，能夠改善蓄電池性能和提高蓄電池的充電接受率。
    第二路PWM、第三路PWM和第四路PWM與此相同。
    微處理器P89V51RD2的CEX4引腳、P3、N1及Bl組成獨立電源，為TLP250供電，驅(qū)動N-MOSFET輸出。電壓由軟件調(diào)整。

5 軟件設(shè)計
    5通道PWM輸出公用1個PCA計數(shù)器，輸出頻率相同，占空比各自獨立。與PWM輸出相關(guān)的特殊計數(shù)器有PCA計數(shù)方式寄存器CMOD、計數(shù)控制寄存器CCON、PCA計數(shù)器CH、CL，5個模塊工作模式寄存器CCAPMO_4和5個捕獲計數(shù)器CCAP0_4H、CCAP0_4L。在PWM模式時，當計數(shù)器CL<CCAP0L時CEX0=0；CL>CCAP0L時，CEXO=1；CL=CCAPOL時CEX0翻轉(zhuǎn)。計數(shù)器CL由255變到O時，CCAPOL的值由CCAPOH重裝。改變CCAPOH的值即可改變PWM輸出的占空比，因此，由A/D轉(zhuǎn)換器反饋的充電電流、充電端電壓及環(huán)境溫度不斷按最優(yōu)化方案調(diào)整CCAPOH的值，改變充電電流。
    程序用KEIL C51 Ver 6.12編譯調(diào)試。主程序邏輯框圖如圖5所示。

6 結(jié)束語
    實驗證明，采用分段定電流充電法及PWM脈沖充電技術(shù)，結(jié)合蓄電池的溫度特性，以P89V51RD2型微處理器為控制核心的智能化多功能蓄電池充電系統(tǒng)適應(yīng)性強，能有效提升蓄電池的充電接受率，改善蓄電池性能，縮短充電時間。