多功能智能型铅酸蓄电池充电器的设计与实现

多功能智能型铅酸蓄电池充电器的设计与实现

严毓培,吴福根,许振龙

(广东工业大学　实验教学部,广东　广州　510006)

摘要:为了延长铅酸蓄电池的使用寿命,综合各种充电方式的优点,提出了预充、快充、均充和

浮充的四阶段充电方法,并运用PLPC916单片机进行控制,采用了数字滤波PID算法,实现了过压、欠压和过流、欠流保护,过温保护,反接与短路保护,充满电后自动停充的功能关键词:四阶段充电;单片机;数字滤波;PID算法中图分类号:TM91016　　文献标识码:B　　文章编号:1006-0847(2007)02-00-04

Designandrealizationofmultifunctionalandintelligent

chargerforlead2acidbatteries

YANYu2pei1,WUFu2gen2,XUZhen2long

(GuangdongUniversityofTechnology,Dept.ofExperimentandTeaching,Guangzhou510006,China)

Abstract:Basedonsynthesizingadvantagesofvariouschargingalgorithms,afour2stepchargingmethodin2cludingprecharge,fastcharge,equalizingchargeandfloatingchargeisproposedtoextendtheservicelifeoflead2acidbatteries,andthechargeisincontrolofPLPC916singlechip.DuetoadopingnumericfilteringandPIDarithmetic,thefollowingfunctionsareabletoberealized:overvoltage,undervoltageandovercur2rent,undercurrentprotection,overtemperature,reverseconnectionandshortcircuirprotectionaswellasau2tomatedstoppingchargewhenthebatteryisfullycharged.

Keywords:Fourstepcharge;singlechip;numericfiltering;PIDarithmetic

1　引言

电,蓄电池电压上升到某一数值后,电池内部极化现象已较为严重,易导致电池损坏,此时应立即停止充电,瞬间深度放电使蓄电池内部极化现象消失,为了解决以上问题,采取了脉冲充电方法,在正脉冲期间对电池充电,而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉,从而减轻了蓄电池的内压,使下一轮的充电能够更加顺利地进行,使蓄电池可以吸收更多的电量。

基于铅酸蓄电池的特性,我们采用了4阶段充电模式:预充、快充、均充和浮充,根据检测蓄电池充电前的电压,进入不同的充电阶段。211　预充电

铅酸蓄电池是目前大容量电池的主要品种,经

过百余年的发展与完善以其成本低、电压高、原材料丰富、制造工艺简单而在通讯、交通、电力等部门得到了广泛应用。但由于各种技术条件的,所采用的充电方法均未能遵循电池内部的物理化学规律,使整个的充电过程存在着严重的过充电和析气现象,充电效率低,导致蓄电池的使用寿命受到影响,造成很大的浪费,因此设计一种全新的多功能智能型铅酸蓄电池充电器是十分必要的。2　充电方式研究

实验证明,采用传统的充电方式向蓄电池充

(收稿日期:2006-04-04)

对长期不用的电池、新电池或在充电初期已经处于深度放电的蓄电池,刚开始就采用快速充电会突然增加蓄电池的析气量,缩短蓄电池的寿命,因

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　多功能智能型铅酸蓄电池充电器的设计与实现电池监控与测试技术专辑　

此要先用稳定的小电流对蓄电池充电,当蓄电池两端电压上升到能接受大电流充电时再进行快充。212　快充电

脉宽调制部分、自馈电部分、辅助电源部分、控制

部分和输出部分组成。具有过压、欠压和过流、欠流保护,过温保护,反接与短路保护,充满电后自动停充的功能,系统电路图如图4所示。311　300V直流电压部分充电器接入市电后,经高频滤波,将串入电网的高频干扰信号滤除,再经整流桥整流和滤波后输出300V直流电压部分。312　PWM脉宽调制部分

本充电器采用的PWM脉宽调制器为UC3842,

图1　脉冲充电方式

它是一种“电流控制型”脉宽调制器,振荡频率最

高可达500kHz,对输入电压有欠压保护,工作电压范围宽,而且电压调整率和电流调整率相比较其他脉宽调制器都有很大的提高,具有体积小、成本低、外围组件少、电路简单、可靠性高,故障率低等优点。

图2　四阶段充电方式快充也叫恒流充电,它是一种定电流充电法,以充电器最大的输出电流对电池快速充电,充电时间取决于电池容量和开始充电时电池状态,能在较

短时间内使充入电量快速增加,使充电电压迅速上升。213　均充电

均充也叫恒压充电,恒压充电是用恒定不变的电压值对蓄电池进行充电。此阶段充电开始时电流值很大,随电池端电压上升,这种充电的电流值逐渐下降,因此电池的析气量小,耗水少,利于延长电池使用寿命,不过充入电量约在90%左右,不能有效地给电池充足。214　浮充电

图3　UC3842内部结构图

其中第1脚为误差放大器的输出端,第2脚为误差放大器的输入端,图4中R23为直流负反馈电

阻,C21用来消除高频寄生振荡,第3脚为“电流传感端”,它的波形的宽窄及幅度的高低,决定了第6脚输出的脉宽,进而决定了开关管Q6导通时间的长短,第4脚为定时脚,振荡器OSC的频率由第4脚外接的RT和CT决定,第5脚为接地端,第6脚为输出端,第7脚为工作电压VCC供给端,第8脚为基准电压+5V输出端,只有当第7脚VCC大于16V时,第6脚和第8脚才有输出,一旦正常工作后,VCC小于16V也能正常工作,但如果小于10V,又会出现欠压保护,所以启动后VCC在10V～36V范围内都能正常工作,若第8脚基准电

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浮充也叫涓流充电,浮充电压大体上是恒定的,仅略高于蓄电池组的断路电压,充电电流很小,并逐渐减小到0,它是一种充电速率高至使电池完全充满电,低至可避免过度充电的充电方式,使电池能接近100%充足电。3　充电器硬件设计

本充电器主要由300V直流电压部分、PWM

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压低于316V时A2输出低电位封锁或非门OR1,使第6脚没有脉冲输出,达到保护的目的。

UC3842第6脚输出的方波经推挽电路后提高了功率,再经过变压器耦合驱动Q6,使Q6的导通时间发生变化,因此W2绕组两端产生周期性的电压变化,经T1后使W3绕组产生感应电压,最后经输出电路给电池充电,其中R13、D4、C14和R14、D15、C15用来吸收W2绕组两端产生的高频振荡。当第6脚为低电平时,Q6寄存的正电荷通过D18、R24、R25和UC3842第6脚内部三极管迅速放掉,使Q6迅速截止,稳压管D17用来钳制Q6的最高电平。

当充电电压V0升高或降低,或充电电流增加或减少,Q7的基极电位就会发生变化,再经光耦后使UC3842第2脚电压相应发生变化,经内部误差放大器后对第6脚输出脉宽进行调整,控制了Q6的导通时间,使充电电压V0趋于稳定。然而当300V直流电压部分发生波动时,相应第7脚VCC也要变化,经取样电阻R22、R30接到第2脚来调整脉宽,同时手工调整R30也能起到调整脉宽的作用,以上电路起到了过压、欠压和过流、欠流保护的功能。313　自馈电部分

Q1导通后,300V电压经过R1和Q1给C12充电,当电压上升到16V时,UC3842开始启动,同时W1绕组两端产生自馈电电压,当电压上升到大于12V时,D2导通,自馈电电压经D3和C6整流滤波给Q2注入基极电流,使Q2导通,将Q1的基极对地短路而截止,R1将断开,不再消耗电能,这时UC3842用电完全由自馈电经过D14后供给。314　辅助电源部分

到4个时钟周期,6倍于标准80C51器件,并集成

了许多系统级的功能,这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。

当系统温度升高时,负温度系数温敏电阻RTH阻值下降,当温度升高到一定程度时,LM339输出低电位,引起PLPC916中断,使UC3842第3脚输出高电平,第6脚无脉冲输出,起到了过温保护的作用,LM339的工作电压由UC3842第8脚的基准电压5V提供,再经过R31和R32分压后的3V为PLPC916提供工作电压。316　输出部分

W3两段产生的感应电压经C8、R6和C7、R5

吸收电路将高频电压滤除,再经过整流滤波后输出,K1、Q3、R7、D9、D10组成了电池反接和短路保护电路,当电池正接时,Q3导通,K1吸合,充电器对电池充电,当电池反接时,即A端接电池负极,B端接正极时,Q3截止,K1断开,充电电路与电池断开而无法充电,当A、B两端短路时,同样Q3截止而无法充电。4　充电器软件设计该充电器的软件部分主要是对蓄电池两端的电压进行检测,使充电转入不同的充电阶段,并经过数字滤波后通过PID算法调节UC3842输出的脉宽,实现各个阶段的充电,并实现充满电后自动停充的功能。在充电过程中,通过检测电池两端的电压U,并与单片机中的设定值U1、U2、U3、U4进行比较,以决定充电器进入哪一个充电阶段进行充电,当电池两端电压上升到一定程度就会出现电压负增量,表明这时电池已充满,应使UC3842第3脚置高电平,停止充电。

采样电压来自充电时电池电压经R18、R28、R29的分压,并送入PLPC916的第9脚转换通道AD11进行A/D转换,将进行100次采样作为一组采样数据,A/D转换需要延时100μs。将100次采样值进行排序,去除20个最大数据与20个最小数据,剩下的60个数据取平均值,即为数字滤波后所得值,并与设定值比较后再进行PID调节,以转入不同的充电阶段子程序,将运算后的结果经PLPC916的第12脚转换通道DAC1输出,经取样电阻R26送到UC3842的第3脚进行脉宽调制以控制充电电压。主程序流程图示于图4(因篇幅所

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因W4两端电压不稳定,所以将W4两端的电压经整流滤波后输入三端稳压器进行稳压,输出12V电压供给充电器内部用电。当W4两端串入高频干扰信号时,三端稳压器结点温度将会升高而消耗能量,输入输出端接入D8将输出反馈到输入,能有效地减小能量耗散。315　控制部分

控制部分采用PLPC916单片机为核心,PLPC916是Philips公司生产的单片封装的微控制器,适合于许多要求高集成度、低成本的场合,它采用了高性能的处理器结构,指令执行时间只需2

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限,其系统电路图略,如读者有兴趣进一步探讨,请直接与本刊编辑部联系。———编者)

N2:JNCN3;A>B时不交换MOVX@DPTR,A;交换CLRCMOVA,DPLSUBBA,#01HMOVDPL,AMOVA,DPHSUBBA,#00HMOVDPH,AMOVA,BMOVX@DPTR,A

SETBPSW.5;建立交换标志INCDPTR

N3:DJNZR1,N1;内循环DNJZR0,N4

SJMPN5;跳转到求和程序N4:JBPSW.5,FILTER5　结语该充电器采用的四阶段的充电方式更加有利于缩短充电时间、提高利用效率、延长使用寿命、降低

能耗、减少环境污染,通过数字滤波和PID算法可以在较宽的温度范围内对蓄电池精确充电,并具有多种保护功能,同时在实际测试中表明,该充电器工作稳定,性能可靠,具有良好的经济效益和社会效益。参考文献:

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图4　主程序流程图数字滤波子程序是将每次采样的100个采样值进行由大到小排序,PSW15做为交换标志,排序后将第20-第80个数据求和并求出平均值做为最后的采样值。数字滤波子程序排序部分如下:

FILTER:MOVDPTP,#2000H;2000H为采样

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[M].北京:科学出版社,2005.

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值首地址

MOVR0,#100;置循环次数CLRPSW.5;PSW.5做为交换标志DECR0MOVA,R0MOVR1,A

N1:MOVXA,@DPTR:读一个采样值MOVR2,AINCDPTR

MOVXA,@DPTR;读下一个采样值MOVB,AMOVA,R2CJNEA,B,N2

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