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

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、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]

1.1 基于專用芯片的管理系統(tǒng)
現(xiàn)在，UNITRODE 公司已開發(fā)出系列電池管理專用芯片。因?yàn)殡姵毓芾碇胁捎米疃嗟木褪强刂瞥潆婋妷杭俺浞烹婋娏?，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，就可以組成一個(gè)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)，通常是將電池組直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，所以，可以從充放電過程上來優(yōu)化電池工作狀態(tài)，電池充電成為可控的過程，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[2]。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)存在的主要問題是：
（1）沒有解決電池組串聯(lián)運(yùn)行過程中不均衡 現(xiàn)象的問題，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)于電池在使用過程中發(fā)生的其它問題控制不夠全面，例如深度放電后的涓充問題等。

在將來，充電器的發(fā)展方向是智能化、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[3]
鉛酸蓄電池的充電方法目前主要有恒流、恒壓、恒壓限流、脈沖充電、Reflex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)電池過充電就會(huì)造成電池壽命的縮短，而過小電流又會(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，并且在開始時(shí)電流很大，而后來快充滿時(shí)電流又很小，就無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，又可稱為混合充電法。在充電開始階段，由于電池電壓過低，為避免電流過大而損壞電池，就采用恒流充電法來限制充電電流。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[4]
在充電過程中，只要充電電流不超過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的具體問題還沒有一個(gè)定論。

2.5 ReflexTM充電方式
Reflex 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)12 V/（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)?，開關(guān)頻率取80kHz左右。
對(duì)于一個(gè)智能管理系統(tǒng)，控制模塊無異于它的大腦。充電器的所有動(dòng)作都是由它來決定和控制的，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PIC16C73 單片機(jī)。
圖3 所示為智能充電器的系統(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)電路可以在單片機(jī)失效的情況下對(duì)電路進(jìn)行強(qiáng)制保護(hù)，起到雙重保險(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），沒有充分利用電池的容量，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)過充電。
三階段充電方法保證了充電末期不過充，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－4 mV/℃的補(bǔ)償系數(shù)來調(diào)整。因此我們加入了溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋?br />
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
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。

參考文獻(xiàn)
[1] 羅光毅.蓄電池智能管理系統(tǒng)[D].浙江大學(xué)碩士論文，2003.
[2] Kiyokawa I, Niida K, Tsujikawa T, et al. Integrated VRLAbattery Management System [A]. Telecommunications Energy Conference, 2000. INTELEC. Twenty –second International Volume[C]. 2000, 703-706.
[3] Hua Chih-Chiang, Lin Meng-Yu. A Study of Charging Control of Lead-Acid Battery for Electric Vehicles [A].Industrial Electronics, ISIE 2000. Proceedings of the 2000 IEEE International Symposium Volume [C]. 2000,135-140.
[4] Cope R C, Podrazhansky Y.The Art of Battery Charging [A]. Battery Conference on Application and Advances,1999. The Fourteenth Annual[C]. 1999, 233-235.
[5] 竇振中. PIC 系列單片機(jī)原理和程序設(shè)計(jì)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介
周震宇(1982-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。
張軍明，男，博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。
錢照明（1939-），男，教授，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮討?yīng)用技術(shù)，電力電子系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)，電力電子系統(tǒng)集成。