基于單片機控制的智能充電器的設計與實現

1 引言

鉛酸蓄電池是目前大容量電池的主要品種，其制造成本低、容量大、價格低廉，使用范圍非常廣泛。鉛酸蓄電池的基本充電方式有兩種：恒壓充電和恒流充電。如果單獨采用一種方法，比如恒流法，則在充電后期由于充電電流不變，容易使容量下降而提前報廢。單獨采用恒壓法，充電初期電流過大，可能致使電極活性物質脫落，后期電流又過小，形成長期充電不足，影響蓄電池的使用壽命[1]。因此，充電器大部分都是綜合采用兩種方法的多階段充電方式。近年來，先恒流、再恒壓、最后恒壓浮充的三階段充電方式被逐漸接受。

目前，三階段充電方式主要采用模擬控制的方案。雖然具有實時性好、帶寬高的優點，但其硬件電路復雜，控制不靈活。為此，本文設計了一種數字控制的充電器，采用單片機作為控制回路的核心，通過電壓、電流實時采樣，從而控制輸出電壓和輸出電流，實現了三階段充電策略，可智能靈活的控制蓄電池的充電，提高蓄電池的利用效率，并有助于提高蓄電池的使用壽命和性能。

2 充電器電源結構

系統的總體設計框圖如圖1所示。主要由3部分組成：第一部分為開關電源部分，采用反激DC/DC變換器；第二部分為電壓、電流采樣電路；第三部分為單片機核心的PWM輸出，再經驅動電路驅動反激電路。

圖1 充電器電路總體設計框圖

系統由電壓采樣電路、電流采樣電路實時分別采樣電壓、電流，將采樣的電壓、電流各自送單片機的RA0、RA1,經過單片機內部的A/D轉換模塊轉化為數值，然后根據編寫的軟件進行對應操作，由PWM模塊得到相應的占空比，再由RC2將占空比送到驅動電路，用于驅動反激電路的開關管，從而在輸出端得到相應的電壓或電流對鉛酸蓄電池進行充電。

3 數字控制電路結構

數字控制電路通過相應信號的獲取和輸出，監測和控制充電器對應的工作過程，使其能自適應工作。然而，主電路輸出是模擬信號，單片機能夠處理的卻是數字信號，因此在處理信號之前，必須先通過模數轉換器(ADC)將模擬信號轉變為數字信號。假定ADC字長為N，則模數轉換精度為1/2N，N越大精度也越高，但價格越貴。數字控制器PWM單元的時間分辨率及模數轉換精度，決定了充電器的輸出電壓、輸出電流、輸出功率的精度。為了同時滿足精度需求及降低成本的考量，需要選擇合適位數的ADC和PWM數字控制器。

ADC轉換器選定后，需要選擇PWM位數。如果PWM位數太小，將導致輸出電壓在某一電壓值附近上下波動，造成極限環現象，輸出電壓將發生周期性抖動，進而影響到采樣數據，最終影響到整個系統的處理精度。因此，PWM單元分辨率越高越好。

PWM位數N與頻率fPWM滿足下式：。式中，fclk表示單片機的時鐘頻率。PR2為單片機PWM周期寄存器，fPWM越高存入PR2的值越小。設存入PR2的值為M，則最大分辨率為分頻值f/M。由此可見，頻率不一定越高越好，過高的頻率會降低PWM分辨率。PWM輸出的頻率與分辨率之間的關系如表1所示。