關鍵詞：89LPC933單片機 SG3525A 四階段充電 大功率充電器
鉛酸蓄電池因為其維護簡單、價格低廉、供電可靠、使用壽命長而被廣泛用作汽車、飛機、輪船等機動車輛或發(fā)電機組的啟動電源,同時也在各類需要不間斷供電的電子設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，存在嚴重的過充、欠充現(xiàn)象，直接影響了蓄電池的技術狀態(tài)和循環(huán)使用壽命。Power Smart公司根據(jù)多次試驗結(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單片機的智能充電器的設計方案，采用先進的四階段充電控制方法。該充電器可以實時采集電池的電壓、電流，對充電過程進行智能控制和全面管理，使充電過程按理想的充電曲線進行，解決了普通充電器對蓄電池充電的技術難題，并且充電電流可在0～50A范圍內(nèi)任意設定，具有完善的過壓、過流、過熱保護功能，并以聲光形式進行提示，既能快速充電又能對蓄電池進行有效的保護。
1 智能充電器的充電技術
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行限制，容易使電池處于過充電狀態(tài)，導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，而且設備必須適應充電初期的大電流；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。事實上，在實際的使用過程中，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，應用信息技術進行控制，能有效地使實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驗數(shù)據(jù)，筆者在對鉛酸蓄電池的充電控制中設計了四階段充電曲線，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，通過單片機采集蓄電池的端電壓進行檢測，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,對蓄電池實行穩(wěn)定小電流激活充電，激活蓄電池，隨著激活充電的進行,電池電壓開始上升,當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3次激活充電后，電池端電壓依然不能升到指定值，則認為電池失效。
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，單片機不斷檢測電池端電壓，當電池電壓達到飽和電壓14.7V時，恒流充電狀態(tài)終止并轉(zhuǎn)為恒壓充電。[!--empirenews.page--]
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，充入的電量應足以補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計
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，該芯片采用增強型8051內(nèi)核，速度是標準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[3]。P89LPC933單片機的主要任務是通過采樣電路實時采集電池的端電壓和充電電流，經(jīng)內(nèi)部計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。采樣進來的相關信號經(jīng)單片機內(nèi)部存儲、處理、計算，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)過圖中相關電路送入P89LPC933的P0.2腳；電流采樣通過電流互感器TF603和相關電路轉(zhuǎn)換為電壓值后經(jīng)R635和R636分壓，送入P89LPC933的P0.1腳，它們都由單片機讀取，并進行存儲和處理。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信號PWH，當充電電路發(fā)生故障出現(xiàn)過流過載情況時，則及時關閉脈寬調(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。由于設計的是一款大功率充電器，所以還要實時采集電池溫度和功率管溫度，一旦溫度過高單片機馬上啟動風冷電路。從而使鉛酸蓄電池在適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)工作，起到保護作用，得以延長使用壽命。[!--empirenews.page--]
3 智能充電器的軟件設計
智能充電器的軟件設計采用模塊化設計，各個模塊之間做到低耦合、高內(nèi)聚。軟件設計主要有四個模塊：主程序、A/D轉(zhuǎn)換、比較、判斷及控制中斷服務程序。主程序主要負責各個模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)調(diào)工作。根據(jù)上面設計的鉛酸蓄電池四階段充電曲線，軟件設計的充電控制策略流程圖如圖5所示。
由于實際使用環(huán)境的復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），在軟件設計上也采取了一些必要的抗干擾措施，諸如用計數(shù)方式對人機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的鉛酸蓄電池組進行充電試驗。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)中應用先進的開關電源芯片、單片微控制器及信號檢測技術等，能使傳統(tǒng)的充電技術與信息處理和智能控制技術融合在一起，可以改變充電器行業(yè)技術含量低的狀況，而且實現(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。實驗數(shù)據(jù)和實際使用都證明，采用以P89LPC933和SG3525A為核心的控制電路設計的智能充電器，能夠?qū)︺U酸蓄電池實現(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)，同時還可進行故障自診斷，可以實現(xiàn)充電過程中無人值守,延長電池的使用壽命。
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