智能鉛酸蓄電池充電器的設(shè)計(jì)

0 引言

鉛酸蓄電池具有價(jià)格低廉、供電可靠、電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于國(guó)防、通信、鐵路、交通、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門。近年來(lái)全密封免維護(hù)鉛酸蓄電池其密封好、無(wú)泄漏、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，能夠保證人體和各種用電設(shè)備的安全，而且在整個(gè)壽命期間，無(wú)需任何維護(hù)，從而揭開了鉛酸蓄電池發(fā)展歷程新的一頁(yè)。眾所周知，通信設(shè)備一般都采用免維護(hù)電池作為備用電源，許多電子設(shè)備必須的不間斷電源系統(tǒng)（UPS）也離不開免維護(hù)電池，此外在應(yīng)急燈、汽車、游艇中也越來(lái)越多的選用免維護(hù)電池。然而，由于充電方法不正確，充電技術(shù)不能適應(yīng)免維護(hù)電池的特殊需求，造成電池很難達(dá)到規(guī)定的循環(huán)壽命。基于此，本文提出了一種用于全密封免維護(hù)鉛酸蓄電池的智能充電器設(shè)計(jì)方案，采用先進(jìn)的三段式充電控制方法，有效地提高充電效率，延長(zhǎng)電池壽命。

1 蓄電池充電特性及充電技術(shù)現(xiàn)狀

容量和壽命蓄是電池的重要參數(shù)，蓄電池的額定容量（C）通常作為電池充放電速率的單位，例如100A·h的蓄電池，采用20A電流充電時(shí)，充電速率為C/5。不正確的充電方式不僅會(huì)降低電池的儲(chǔ)能容量，還會(huì)縮短電池的使用壽命。上世紀(jì)60年代末期，美國(guó)科學(xué)家馬斯（Mascc）提出了以最低出氣率為前提的蓄電池可接受充電電流曲線如圖1所示，其充電電流軌跡為一條呈指數(shù)規(guī)律下降的曲線。

圖1 蓄電池可接受充電電流曲線

傳統(tǒng)的充電方式無(wú)論是定電壓充電還是定電流充電均不能提高電池的充電效率，而依據(jù)圖1充電曲線提出的三段式充電理論則可以大大提高電池的充電效率，縮短充電時(shí)間，并能有效延長(zhǎng)電池壽命。三段式充電采用先恒流充電，再恒壓充電，最后采用浮充進(jìn)行維護(hù)充電。一般分為快速充電、補(bǔ)足充電、涓流充電三個(gè)階段。

快速充電階段：用大電流對(duì)電池進(jìn)行充電以迅速恢復(fù)電池電能，充電速率可以達(dá)1C以上，此時(shí)充電電壓較低，但會(huì)限制充電電流在一定數(shù)值范圍之內(nèi)。

補(bǔ)足充電階段：相對(duì)于快速充電階段，補(bǔ)足充電階段又可以稱為慢速充電階段。當(dāng)快速充電階段終止時(shí)，電池并未完全充足，還需加入補(bǔ)足充電過(guò)程，補(bǔ)足充電速率一般不超過(guò)0.3C，因?yàn)殡姵仉妷航?jīng)過(guò)快速充電階段后有所升高，所以補(bǔ)足充電階段的充電電壓也應(yīng)該有所提升，并且恒定在一定范圍之內(nèi)。

涓流充電階段：在補(bǔ)足充電階段后期，當(dāng)檢測(cè)到溫度上升超過(guò)極限值或充電電流減小到一定值之后，開始用更小的電流進(jìn)行充電直至滿足一定的條件后結(jié)束充電。

2 電路組成部分

本文所介紹的充電器其充電對(duì)象為24V鉛酸蓄電池，輸入電壓范圍為交流100～240V，28V輸出時(shí)額定輸出電流為4A。該充電器電路由三部分組成，主電路、PWM芯片UC3842控制電路、單片機(jī)S3C9454控制電路，整體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于該充電器功率為100W左右，故功率部分采用成本較低的單端反激電路，利用UC3842作為主電路控制IC。輸出端繼電器僅在單片機(jī)檢測(cè)符合充電條件后閉合，充電器才能對(duì)電池進(jìn)行充電。



圖2 充電器電路原理框圖

UC3842為電流型脈寬調(diào)制器，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡(jiǎn)單、安裝與調(diào)試簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，特別適合用于低成本的小功率反激電路。由于該應(yīng)用電路已極為成熟，此處就不詳加敘述。

S3C9454是三星推出的一款性價(jià)比很高的8位單片機(jī)，僅20個(gè)引腳，具有多個(gè)可編程配置的I/O口和一個(gè)8位高速PWM輸出端口，內(nèi)部集成了定時(shí)/計(jì)數(shù)器、9通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以分別對(duì)電壓、電流及溫度信號(hào)進(jìn)行采樣，豐富的資源可以很方便地實(shí)現(xiàn)三段式充電控制功能及輸出過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)、溫度補(bǔ)償、計(jì)時(shí)充電等功能。

為實(shí)現(xiàn)三段式充電，電路必須能夠改變充電電壓進(jìn)而改變充電電流。充電電壓的調(diào)整電路如圖3所示，單片機(jī)對(duì)電流、電壓和溫度信號(hào)檢測(cè)之后進(jìn)行判斷，再輸出一定大小占空比的PWM信號(hào)，送至與輸出電壓取樣電阻R6并聯(lián)的電阻R7，改變PWM信號(hào)的占空比即改變它的平均電平，再通過(guò)電阻R7來(lái)改變輸出電壓基準(zhǔn)值設(shè)定。

圖3 輸出電壓反饋調(diào)整電路

本方案中MCU電路供電電源不需要額外的輔助電源，只需從主電路的輸出端引出，利用精密穩(wěn)壓器件TL431和電阻、電容等少數(shù)元件即可得到較為精確的＋5V電平，其電路如下圖4所示。



圖 4 MCU供 電 電 路

3 控制過(guò)程介紹

上電之后，MCU先檢測(cè)電池有無(wú)反接、電池電壓、電池溫度等信息，然后進(jìn)行判斷是否讓繼電器導(dǎo)通對(duì)電池進(jìn)行充電。滿足條件之后，即開始充電。為保護(hù)由于過(guò)放電而造成電壓偏低的電池遭

受進(jìn)一步損害，還設(shè)置了預(yù)充電階段，即檢測(cè)電池電壓偏低時(shí)，先給予一小電流充電直至電池電壓回復(fù)至正常水平再轉(zhuǎn)入快速充電階段。

快速充電階段：剛開始充電時(shí)電池電壓較低，初始充電電流會(huì)較大，利用UC3842的腳3實(shí)現(xiàn)限流功能，當(dāng)輸出電流變大，腳3檢測(cè)電壓超過(guò)1V時(shí)， UC3842輸出脈沖便會(huì)關(guān)斷直至下個(gè)周期腳3電平降為1V以下。經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算，設(shè)定原邊電流取樣電阻大小即可調(diào)整限流值。本方案中限制快速?zèng)_電電流不能超過(guò)4.5A。由圖3可知，當(dāng)充電電壓小于27.5V時(shí)，光耦為斷路，電壓環(huán)未參與調(diào)節(jié)，依靠原邊限流電路實(shí)現(xiàn)恒功率輸出。經(jīng)過(guò)快速充電階段以后，電池電壓會(huì)有所上升，充電電流會(huì)減小，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到充電電流減小到一定值或達(dá)到一定時(shí)間之后即轉(zhuǎn)入補(bǔ)足沖電階段。

補(bǔ)足充電階段：當(dāng)輸出電壓上升至27.5V以上，光耦回路開通，電壓環(huán)開始起作用參與輸出電壓的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)恒壓功能，同時(shí)單片機(jī)PWM端口一定占空比的脈沖以調(diào)整輸出電壓，使充電電壓穩(wěn)定在28.8～29.8V的范圍之內(nèi)。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)充電電流減小到一定值之后或者達(dá)到一定時(shí)間之后即轉(zhuǎn)入涓流充電階段。

涓流充電階段：在此階段用不超過(guò)0.7A的電流對(duì)電池進(jìn)行充電，以補(bǔ)充電池由于自放電而損失的電量。單片機(jī)PWM端口輸出一定占空比的脈沖調(diào)整輸出電壓穩(wěn)定在26.8～27.4V之間。當(dāng)檢測(cè)到充電電流下降到0.3A或浮充時(shí)間結(jié)束時(shí)，停止充電。同時(shí)單片機(jī)不斷檢測(cè)電池端電壓，當(dāng)端電壓下降到一定程度，充電器自動(dòng)進(jìn)入大電流充電狀態(tài)。

4 保護(hù)功能簡(jiǎn)介及程序流程圖

電池反接保護(hù)功能：當(dāng)MCU檢測(cè)到電池極性接反之后，繼電器不會(huì)開通充電。

過(guò)放電電池充電保護(hù)：電池過(guò)放電之后電壓會(huì)偏低，此時(shí)若進(jìn)行大電流充電很容易過(guò)充損壞電池，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到電池電壓較低時(shí)就先轉(zhuǎn)入預(yù)充電階段。

輸出過(guò)壓保護(hù)：當(dāng)MCU檢測(cè)到電池電壓過(guò)高，充電器立刻轉(zhuǎn)入浮沖階段。

輸出過(guò)流保護(hù)：此項(xiàng)保護(hù)功能由UC3842完成。

過(guò)溫保護(hù)：通過(guò)附加在電池表面的熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度采樣，由MCU改變PWM占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，防止電池溫度上升過(guò)高。

軟件基本流程如下圖5所示。實(shí)測(cè)的充電電壓、電流如圖6所示。

圖5 軟件基本流程



圖6 充電器充電曲線

5 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)此設(shè)計(jì)方案制作的三段式蓄電池充電器，可適應(yīng)AC 100～240V寬范圍電壓輸入,可對(duì)24V/48A·h以下容量的蓄電池進(jìn)行高效率充電，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，較好地實(shí)現(xiàn)了三段式充電,該產(chǎn)品現(xiàn)已順利實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。


作者：丁志亮，李建婷，李又幾