鉅大LARGE | 點擊量：798次 | 2022年09月03日
智能鉛酸蓄電池充電器的設計和實現
引言
20世紀60年代末期，美國科學家馬斯對蓄電池充電過程的析氣問題做了大量的研究工作，提出了以最低析氣率為前提的蓄電池可接受的充電電流曲線，如圖1所示。其充電電流軌跡近似為一條呈指數規律下降的曲線。基于鉛酸蓄電池的特性以及圖1的充電曲線，本文采用了三階段充電模式：預充、直充和浮充。通過檢測蓄電池的電壓，進入不同的充電階段。
預充電：關于長期不用的電池、新電池或在充電初期已經處于深度放電的蓄電池，剛開始就采用大電流直接充電會突然新增蓄電池的析氣量，縮短蓄電池的壽命。因此，必須先用小電流對蓄電池充電，當蓄電池電壓上升到能接受大電流充電時再進行大電流直接充電。
直充電：此階段充電器以恒定電壓對蓄電池進行充電。充電開始時電流很大，隨著電池端電壓上升，充電電流按指數規律下降。因此電池的析氣量小，耗水少，有利于延長電池使用壽命，不過充入電量約在90%左右，不能有效地給電池充足電。
浮充電：也叫涓流充電，重要用途是補充蓄電池自放電所消耗的能量，使電池能接近100%容量。充電電壓僅略高于蓄電池組的斷路電壓且維持恒定，充電電流很小，并逐漸減小到0。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
方法設計
總體設計
如圖2所示，系統重要硬件電路包括輔助電源、開關電源和MXT8051單片機控制部分。其中，輔助電源給單片機和運算放大器供應工作電壓，由線性變壓器、整流濾波和DC/DC轉換電路等組成;開關電源輸出充電電壓和電流，由高頻磁芯單端反激式變壓器、整流濾波和DC/DC轉換電路等組成;MXT8051單片機控制部分負責控制充電電壓電流，檢測電壓電流并通過LCD和發光二極管實時顯示充電信息，并驅動蜂鳴器報警和風扇轉動，由充電電壓電流控制、電壓電流檢測、充電階段指示、液晶顯示、蜂鳴器和風扇控制電路組成。
如圖3所示，系統軟件重要包括電壓電流控制、電壓電流檢測、液晶顯示、風扇和蜂鳴器控制模塊。通過設置寄存器，控制MXT8051內建的10位pWM，出現不同占空比的pWM波，經放大、濾波后通過TL431及光耦隔離接至UC3842的反饋端，出現pWM波，以驅動功率MOSFET管，從而控制開關電源輸出;由MXT8051供應的10位ADC對充電電壓和負載電流進行檢測;通過LCD顯示充電電壓和電流的采集值，以及電池型號、充電模式、充電時間等信息;由MXT8051的pWM控制風扇和蜂鳴器，實現散熱和報警;由GpIO口控制充電階段指示燈(發光二極管);通過UART連接上位機進行調試、診斷。[page]
詳細設計說明
輔助電源：由工頻變壓器、整流元件、濾波元件和三端穩壓集成電路L7812組成，為單片機供電部分和運算放大器供應工作電壓。采用這種為單片機單獨供電的方式，可防止負載(蓄電池)電壓波動對單片機供電部分的影響，增強系統的抗干擾能力，提高可靠性。
開關電源：以電流控制型脈寬調制器UC3842為核心，由三端可調分流基準源TL431和光耦EL817構成反饋回路，實現穩定的電壓輸出。電路因為采用了光電耦合器，實現了輸出和輸入、弱電和強電的隔離，減少了電磁干擾，增強了抗干擾能力，而且是對輸出電壓采樣，具有很好的穩壓性能。
要注意的是，使用TL431和EL817時，必須注意外圍參數的設計。關于TL431，要保證TL431工作的必要條件，即通過陰極的電流要大于1mA;關于EL817，要使其工作在比較寬的線性帶內，否則電路對運行參數的敏感度太強，不利于電路的穩定工作。
MXT8051單片機控制部分。重要由單片機最小系統、充電電壓電流控制、電壓電流檢測、液晶顯示、風扇和蜂鳴器控制部分組成。
1.單片機最小系統。以MXT8051為核心，配合3.3V系統電源、2.5V數字核電壓、11.0592MHz系統時鐘晶振以及32.768kHzRTC晶振構建最小系統。
2.充電電壓、電流控制。根據開關電源部分的實現原理，通過改變TL431參考端的電壓可獲得不同的電壓輸出，從而獲得不同的充電電壓。充電電流的控制也是通過控制充電電壓來實現的。程序中，通過控制單片機內建的pWM0輸出pWM波的占空比，即可控制充電電壓和電流。
根據鉛酸蓄電池三段式充電原理，每個階段對應一種充電電壓。對48V型號的蓄電池而言，預充、直充和浮充階段的充電電壓分別設定為47.5V、57.5V和54.5V。分別計算三種電壓對應的pWM0H和pWM0L寄存器的值，存入數組中，作為三種充電電壓的設定值。程序中，根據不同的充電階段調用相應的設定值寫入pWM*H和pWM*L寄存器，實現對充電電壓和電流的控制。程序流程如圖4所示。
3.風扇、蜂鳴器控制。單片機輸出脈寬調制信號控制三極管的導通與關斷，實現風扇和蜂鳴器的開關控制;同時，通過調整pWM波的占空比可以控制三極管集電極電流，從而實現對風扇風速和蜂鳴器鳴聲大小的控制。蜂鳴器控制采用pWM1，風扇控制采用pWM2。
4.充電電壓、電流檢測。MXT8051內嵌一個五通道的10位逐次逼近型ADC，電壓采樣信號送入AIN0通道，電流采樣信號送入AIN1通道。電壓采樣信號由開關電源電壓輸出經分壓電阻獲得，經AD轉換后由程序換算處理得到充電電壓;電流采樣信號由與電池組串接的水泥電阻獲得，AD轉換后經過程序換算處理得到充電電流。
5.液晶顯示。MXT8051內嵌36×4LCDDRIVER，可直接驅動液晶屏，因此只需將單片機的SEGMENT和COMMON引腳與LCD的相應管腳連接即可。本設計采用36×4段式LCD。程序中，通過設置LCD控制寄存器LCDCON來設定內部分壓電阻的阻值和刷新頻率;由LCD數據寄存器LCDDATA17~0來控制要顯示的數據。
6.計時。重要功能是在充電器開始工作時啟動計時，為用戶判斷充滿剩余時間供應參考。最大計時時間為9小時59分59秒。程序實現重要由啟動按時器T0、重載計數初值和軟件計數變量控制三部分組成。
7.看門狗監控。重要功能是防止程序跑飛導致系統死機，發生不可預料的后果。由看門狗初始化和喂狗程序組成。初始化程序負責選擇看門狗按時器時鐘，設置按時時間;喂狗程序負責向看門狗按時器重載數據。
系統測試
系統測試重要是對輸出電壓準確度和穩定性以及電壓電流檢測精度的測試。經過反復多次測試，系統輸出電壓穩定可靠，電壓檢測能完全跟蹤實際電壓，誤差很小。測試結果如表1所示。
結語
本設計基于北京時代民芯科技有限公司的MXT8051單片機構建，以開關電源和充電管理控制核心為主體，外圍電路簡單，電源調整率好、頻率特性好、穩定幅度大，具有過流限制、過壓保護和欠壓鎖定功能，能有效防止鉛酸電池的硫化問題，大大延長蓄電池使用壽命。
