基于P89V51RD2的多功能蓄電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　免維護(hù)蓄電池(簡稱蓄電池)以易用、價(jià)廉和儲(chǔ)能比高等優(yōu)良性能在電動(dòng)自行車、電動(dòng)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(chǔ)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(duì)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(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)根據(jù)環(huán)境溫度變化，自動(dòng)調(diào)整充電終止電壓，實(shí)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(gè)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(duì)象，以0.1 CA(CA為蓄電池的標(biāo)定容量，單位為A·h)的標(biāo)準(zhǔn)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(huì)對(duì)充電電壓產(chǎn)生重要影響。溫度在O℃~5℃時(shí)，其充電端電壓會(huì)上升約2%，在10℃～25℃時(shí)充電端電壓上升約1.5%，而在35℃～40℃時(shí)充電端電壓下降約1%;當(dāng)溫度高于55℃時(shí)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(shí)踐也證明，蓄電池在充電過程中電壓隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降，即使是相同型號(hào)、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(jìn)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(dá)200 kHz，其輸入命令格式如表1所示，工作時(shí)序如圖2所示。

　　OCM2X8C是：128x32點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)漢字(16x16點(diǎn)陣)、128個(gè)字符(8x16點(diǎn)陣)。可與CPU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(biāo)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(jī)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(gè)機(jī)器周期和12個(gè)機(jī)器周期，最高時(shí)鐘為40 MHz。支持ISP編程、PWM輸出、PCA可編程計(jì)數(shù)陣列和可編程看門狗定時(shí)器等。

　　4 系統(tǒng)工作原理及接口電路設(shè)計(jì)

　　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(shí)序，控制TLC2543分別對(duì)蓄電池的端電壓、充電電流及溫度進(jìn)行采樣，完成A/D轉(zhuǎn)換，對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行運(yùn)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(gè)按鍵：ON/OFF鍵是充電過程啟停控制鍵;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(shí)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(dòng)和手動(dòng)，蓄電池電壓有6 V、12 V、18 V、24 V、30 V、36 V，容量項(xiàng)從2Ah至120Ah，共26項(xiàng)，充電模式為正常、初充、激活、快充，時(shí)間限定功能可以設(shè)定充電開始的時(shí)間和充電結(jié)束時(shí)間等。

　　由微處理器模擬TLC2543的工作時(shí)序，通過P20、P21、P22、P23和P24與TLC2543相連，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換過程進(jìn)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(cè)量蓄電池充電溫度，AINl0測(cè)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(dòng)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(dòng)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(duì)充電電流流經(jīng)采樣電阻器的電壓進(jìn)行放大，并輸出到TLC2543的AINO端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)檢測(cè)到充電電流過大時(shí)，增大PWM占空比，反之減小占空比。當(dāng)充電電流大于15 A時(shí)，若PWM控制電路還沒有及時(shí)調(diào)整到正常范圍，IC2A輸出電平高于5.4 V時(shí)，會(huì)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(hù)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(biāo)稱電壓的13%一般是因?yàn)檫^放電或存放時(shí)間過長，采用0.1 CA的平均脈沖電流充電;充電端電壓在標(biāo)稱值±13%內(nèi)時(shí)，則采用0.35 CA的充電電流實(shí)施快速充電;當(dāng)充電端電壓接近或高于標(biāo)稱+13%時(shí)，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電端電壓達(dá)到進(jìn)行溫度修正后上限值時(shí)，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(dú)立電源，為TLP250供電，驅(qū)動(dòng)N-MOSFET輸出。電壓由軟件調(diào)整。

　　5 軟件設(shè)計(jì)

　　5通道PWM輸出公用1個(gè)PCA計(jì)數(shù)器，輸出頻率相同，占空比各自獨(dú)立。與PWM輸出相關(guān)的特殊計(jì)數(shù)器有PCA計(jì)數(shù)方式寄存器CMOD、計(jì)數(shù)控制寄存器CCON、PCA計(jì)數(shù)器CH、CL，5個(gè)模塊工作模式寄存器CCAPMO_4和5個(gè)捕獲計(jì)數(shù)器CCAP0_4H、CCAP0_4L。在PWM模

　　式時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)器CLCCAP0L時(shí)，CEXO=1;CL=CCAPOL時(shí)CEX0翻轉(zhuǎn)。計(jì)數(shù)器CL由255變到O時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(qiáng)，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(shí)間。