基于PIC單片機的數字式智能鉛酸電池充電器設計

0 引言
鉛酸蓄電池由于其成本低、容量大、安全可靠等特點，在通信、電動汽車、軍事、航空航天等各個領域都有廣泛的應用。電池的性能好壞、使用壽命的長短直接影響到電子產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際應用價值的課題。

1 目前智能充電器的幾種結構
1．1 基于專用芯片的管理系統
現在，UNITRODE公司已開發出系列電池管理專用芯片。凼為電池管理中采用最多的就是控制充電電壓及充放電電流，電池管理芯片正是抓住了這一點，為VRLA電池研制了具有四狀態管理的專用控制芯片，可以智能地實現帶溫度補償的四狀態管理方案：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其靈活性較差。

1．2 基于監控測量的蓄電池管理系統
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，這些都是表征電池狀態的重要參數。采用傳感器提取這些參數，然后再配合故障診斷、遙控遙測、自動報警和事故現場處理等功能，就可以組成一電池管理系統。如圖1所示。

1.3 與電源設備一起構成的蓄電池充放電管理系統
在通訊、供電系統中，為了保證電網掉電時蓄電池組能及時補充電能，在規定時間內向負載供電，保證通信或電力合閘系統的正常運轉，通常是將電池組自接掛接在電源模塊輸出端。當電網正常工作時，電池組工作在浮充狀態，起到平滑濾波和保持容量(補充自放電的容量損失)的作用。一旦電網掉電，蓄電池組立即投入工作，當電網恢復，電源模塊立即對電池進行充電。如圖2所示。

這樣的一個系統由于和電源模塊聯系起來，所以，可以從充放電過程上來優化電池工作狀態，電池充電成為可控的過程，建立在這樣一個系統上的監控單元應該具有第一種監控系統中所有功能，并且可以和電源模塊直接“對話”，根據要求對電池進行管理，并且可以實時監控電池的放電狀態，對電池的工作進行優化。因此，電池組的工作會更加可靠，可控性和智能化程度也會更高。但是這樣一個系統存在的豐要問題是：

(1)沒有解決電池組串聯運行過程中不均衡現象的問題，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廠家提供的充電曲線，對于電池在使用過程中發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，充電器的發展方向足智能化、數字化、集成化。智能化可以使電池的管理做到全自動，無需人員監管，真正做到免維護。數字化和集成化可以減少管理系統的體積和重量，減少系統的復雜度。

2 目前幾種充電方式
鉛酸蓄電池的允電方法目前主要有恒流、恒壓、恒壓限流、脈沖充電、Retlex充電法。

2．1 恒流充電
恒流充電方式是一種簡單的充電方法。但是，恒流充電有其局限性：對電池過充電就會造成電池壽命的縮短，而過小電流又會延長充電時間。

2．2 恒壓充電
恒壓充電用簡單的控制方法很容易就能實現。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，這對電池會造成損害。當電池電壓達到一定值之后，電流就會隨之減小。這種充電方法的缺點就是會造成溫度上升和電池的壽命減少，并且在開始時電流很大。而后來快充滿時電流又很小，就無法充分利用充電器的容量。

2.3 恒壓限流法
恒壓限流法實際上是將恒壓充電和恒流充電相結合，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。但電壓達到預定值時，進入恒壓充電方式。恒壓限流方式是大多數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．因此電解液中產生的氣泡很少，可以節省電能、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、溫度補償等就可以形成一個簡單的充電管理系統，蓄電池可以在這個系統下更好地工作。

2.4 脈沖充電
在充電過程中，只要充電電流不超過蓄電池可接受的電流，蓄電池內部就不會產生大量的氣泡。蓄電池中產生的極化現象會阻礙充電，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。用周期性的脈動電流給電池充電可以使電池有時間恢復其原來狀態，減小極化現象的影響，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定論。

2.5 ReflexTM充電方式
Retlex充電方法是脈沖電流法的改進：一個周期是由一個正脈沖后加一個負脈沖，然后才是空閑時段。這樣就強制消除電池的極化現象，使得電池充電時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 數字式智能充電器的設計
3．1 系統結構和充電方案的設計
本文中設計的系統是一個針對12V/(200～500Ah)的鉛酸蓄電池智能充電系統。采用半橋作為主功率拓撲，開關頻率取80 kHz左右。

對于一個智能管理系統，控制模塊無異于它的大腦。充電器的所有動作都是由它來決定和控制的，所以控制模塊的選擇關系到整個系統的優劣。由于系統需要多個A／D轉換器，但不需要擴展存儲器也不需要通訊，根據以上特點我們選擇了MICROCHIP公司的PIC系列PICl6C73單片機。

圖3所示為鉀能充電器的系統框圖。單片機是智能充電器的核心部件，它根據電流、電壓采樣以及溫度采樣做出溫度補償后的PWM波形輸出，經過驅動電路提供給功率電路，并且決定了智能充電器的工作狀態，可以在必要的情況下做出保護動作。意外故障保護電路町以在單片機失效的情況下對電路進行強制保護，起到艤重保險的作用。報警顯示部分用若干個LED表示系統的運行狀態，簡單有效。

充電方式采用恒壓限流法。恒壓限流充電模式分兩個階段，第一階段是恒流階段，即系統給定電流值，給電池以恒定電流充電，當電池的電壓達到系統給定的轉化值，就轉為第二階段――恒壓階段。恒壓轉化值會影響充入電量的多少。

由圖4可知，當恒壓轉化值(Vref)設置的較低時，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最，長期工作，會引起電池容量丟失，這就要求把恒壓轉化值設高。但是恒壓值較高，容易在充電末期引起過充電，這同樣會導致電池容量丟失。

為了解決這個矛盾，系統引進了第三個階段――浮充階段，這樣就可以把恒壓轉化值設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，在充電末期轉入浮充階段，用稍低的電壓浮充充電，從而保證不會過充電。
三階段充電方法保證了充電末期不過充，同時又能達到滿充的目的，是一種成本較低的通用蓄電池充電解決方案。

3．2 軟件系統的設計
圖5為系統軟件的程序流程圖。根據電池的端電壓決定充電器工作在何種充電狀態。

我們做的是全數字化的改良型PI調節環，由于PI調節的積分環在前期對誤差進行積累，為了不讓積累的誤差影響系統的穩定性，所以我們在誤差等于0時，對原有積累的誤差清零。當誤差等于1時，只進行積分運算，減慢調整速度，避免產生振蕩。
鉛酸蓄電池的充電電壓需要根據環境溫度進行調整，以-4mV/℃的補償系數來調整。因此我們加入了溫度補償的功能。

4 實驗結果
圖6為用電子負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能夠方便地實現各個充電狀態的轉換。

5 結語
用PIC單片機可以實現全數字化的電池充電管理，結構簡單，成本較低，并且具有很高的靈活性，通過改變軟件內設置的恒流參考值和恒壓參考值就可以改變系統的恒流電流和恒壓電壓值，使得系統在不改變系統硬件設計的情況下實現給多種不同容量的鉛酸蓄電池充電。另外可以實現有效的電池充電管理和保護功能，達到智能化控制。