中心議題：
- 蓄電池充電特性及充電技術(shù)現(xiàn)狀
- 蓄電池充電器的電路組成部分分析
- 蓄電池充電器的控制過程分析
- 蓄電池充電器的保護(hù)功能介紹及設(shè)計(jì)
- 三段式充電控制
鉛酸蓄電池具有價(jià)格低廉、供電可靠、電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于國防、通信、鐵路、交通、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門。近年來全密封免維護(hù)鉛酸蓄電池其密封好、無泄漏、無污染等優(yōu)點(diǎn)，能夠保證人體和各種用電設(shè)備的安全，而且在整個(gè)壽命期間，無需任何維護(hù)，從而揭開了鉛酸蓄電池發(fā)展歷程新的一頁。眾所周知，通信設(shè)備一般都采用免維護(hù)電池作為備用電源，許多電子設(shè)備必須的不間斷電源系統(tǒng)（UPS）也離不開免維護(hù)電池，此外在應(yīng)急燈、汽車、游艇中也越來越多的選用免維護(hù)電池。然而，由于充電方法不正確，充電技術(shù)不能適應(yīng)免維護(hù)電池的特殊需求，造成電池很難達(dá)到規(guī)定的循環(huán)壽命。基于此，本文提出了一種用于全密封免維護(hù)鉛酸蓄電池的智能充電器設(shè)計(jì)方案，采用先進(jìn)的三段式充電控制方法，有效地提高充電效率，延長電池壽命。
1 蓄電池充電特性及充電技術(shù)現(xiàn)狀
容量和壽命蓄是電池的重要參數(shù)，蓄電池的額定容量（C）通常作為電池充放電速率的單位，例如100A·h的蓄電池，采用20A電流充電時(shí)，充電速率為C/5。不正確的充電方式不僅會(huì)降低電池的儲(chǔ)能容量，還會(huì)縮短電池的使用壽命。上世紀(jì)60年代末期，美國科學(xué)家馬斯（Mascc）提出了以最低出氣率為前提的蓄電池可接受充電電流曲線如圖1所示，其充電電流軌跡為一條呈指數(shù)規(guī)律下降的曲線。
圖1 蓄電池可接受充電電流曲線
傳統(tǒng)的充電方式無論是定電壓充電還是定電流充電均不能提高電池的充電效率，而依據(jù)圖1充電曲線提出的三段式充電理論則可以大大提高電池的充電效率，縮短充電時(shí)間，并能有效延長電池壽命。三段式充電采用先恒流充電，再恒壓充電，最后采用浮充進(jìn)行維護(hù)充電。一般分為快速充電、補(bǔ)足充電、涓流充電三個(gè)階段。
快速充電階段：用大電流對(duì)電池進(jìn)行充電以迅速恢復(fù)電池電能，充電速率可以達(dá)1C以上，此時(shí)充電電壓較低，但會(huì)限制充電電流在一定數(shù)值范圍之內(nèi)。
補(bǔ)足充電階段：相對(duì)于快速充電階段，補(bǔ)足充電階段又可以稱為慢速充電階段。當(dāng)快速充電階段終止時(shí)，電池并未完全充足，還需加入補(bǔ)足充電過程，補(bǔ)足充電速率一般不超過0.3C，因?yàn)殡姵仉妷航?jīng)過快速充電階段后有所升高，所以補(bǔ)足充電階段的充電電壓也應(yīng)該有所提升，并且恒定在一定范圍之內(nèi)。
涓流充電階段：在補(bǔ)足充電階段后期，當(dāng)檢測到溫度上升超過極限值或充電電流減小到一定值之后，開始用更小的電流進(jìn)行充電直至滿足一定的條件后結(jié)束充電。
2 電路組成部分
本文所介紹的充電器其充電對(duì)象為24V鉛酸蓄電池，輸入電壓范圍為交流100～240V，28V輸出時(shí)額定輸出電流為4A。該充電器電路由三部分組成，主電路、PWM芯片UC3842控制電路、單片機(jī)S3C9454控制電路，整體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于該充電器功率為100W左右，故功率部分采用成本較低的單端反激電路，利用UC3842作為主電路控制IC。輸出端繼電器僅在單片機(jī)檢測符合充電條件后閉合，充電器才能對(duì)電池進(jìn)行充電。
圖2 充電器電路原理框圖
UC3842為電流型脈寬調(diào)制器，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝與調(diào)試簡便、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，特別適合用于低成本的小功率反激電路。由于該應(yīng)用電路已極為成熟，此處就不詳加敘述。
[page]
S3C9454是三星推出的一款性價(jià)比很高的8位單片機(jī)，僅20個(gè)引腳，具有多個(gè)可編程配置的I/O口和一個(gè)8位高速PWM輸出端口，內(nèi)部集成了定時(shí)/計(jì)數(shù)器、9通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以分別對(duì)電壓、電流及溫度信號(hào)進(jìn)行采樣，豐富的資源可以很方便地實(shí)現(xiàn)三段式充電控制功能及輸出過壓、過流保護(hù)、溫度補(bǔ)償、計(jì)時(shí)充電等功能。
為實(shí)現(xiàn)三段式充電，電路必須能夠改變充電電壓進(jìn)而改變充電電流。充電電壓的調(diào)整電路如圖3所示，單片機(jī)對(duì)電流、電壓和溫度信號(hào)檢測之后進(jìn)行判斷，再輸出一定大小占空比的PWM信號(hào)，送至與輸出電壓取樣電阻R6并聯(lián)的電阻R7，改變PWM信號(hào)的占空比即改變它的平均電平，再通過電阻R7來改變輸出電壓基準(zhǔn)值設(shè)定。
圖3 輸出電壓反饋調(diào)整電路
本方案中MCU電路供電電源不需要額外的輔助電源，只需從主電路的輸出端引出，利用精密穩(wěn)壓器件TL431和電阻、電容等少數(shù)元件即可得到較為精確的＋5V電平，其電路如下圖4所示。
圖4 MCU供電電路
3 控制過程介紹
上電之后，MCU先檢測電池有無反接、電池電壓、電池溫度等信息，然后進(jìn)行判斷是否讓繼電器導(dǎo)通對(duì)電池進(jìn)行充電。滿足條件之后，即開始充電。為保護(hù)由于過放電而造成電壓偏低的電池遭受進(jìn)一步損害，還設(shè)置了預(yù)充電階段，即檢測電池電壓偏低時(shí)，先給予一小電流充電直至電池電壓回復(fù)至正常水平再轉(zhuǎn)入快速充電階段。
快速充電階段：剛開始充電時(shí)電池電壓較低，初始充電電流會(huì)較大，利用UC3842的腳3實(shí)現(xiàn)限流功能，當(dāng)輸出電流變大，腳3檢測電壓超過1V時(shí)， UC3842輸出脈沖便會(huì)關(guān)斷直至下個(gè)周期腳3電平降為1V以下。經(jīng)簡單計(jì)算，設(shè)定原邊電流取樣電阻大小即可調(diào)整限流值。本方案中限制快速?zèng)_電電流不能超過4.5A。由圖3可知，當(dāng)充電電壓小于27.5V時(shí)，光耦為斷路，電壓環(huán)未參與調(diào)節(jié)，依靠原邊限流電路實(shí)現(xiàn)恒功率輸出。經(jīng)過快速充電階段以后，電池電壓會(huì)有所上升，充電電流會(huì)減小，當(dāng)單片機(jī)檢測到充電電流減小到一定值或達(dá)到一定時(shí)間之后即轉(zhuǎn)入補(bǔ)足沖電階段。
補(bǔ)足充電階段：當(dāng)輸出電壓上升至27.5V以上，光耦回路開通，電壓環(huán)開始起作用參與輸出電壓的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)恒壓功能，同時(shí)單片機(jī)PWM端口一定占空比的脈沖以調(diào)整輸出電壓，使充電電壓穩(wěn)定在28.8～29.8V的范圍之內(nèi)。當(dāng)單片機(jī)檢測充電電流減小到一定值之后或者達(dá)到一定時(shí)間之后即轉(zhuǎn)入涓流充電階段。
涓流充電階段：在此階段用不超過0.7A的電流對(duì)電池進(jìn)行充電，以補(bǔ)充電池由于自放電而損失的電量。單片機(jī)PWM端口輸出一定占空比的脈沖調(diào)整輸出電壓穩(wěn)定在26.8～27.4V之間。當(dāng)檢測到充電電流下降到0.3A或浮充時(shí)間結(jié)束時(shí)，停止充電。同時(shí)單片機(jī)不斷檢測電池端電壓，當(dāng)端電壓下降到一定程度，充電器自動(dòng)進(jìn)入大電流充電狀態(tài)。
4 保護(hù)功能簡介及程序流程圖
電池反接保護(hù)功能：當(dāng)MCU檢測到電池極性接反之后，繼電器不會(huì)開通充電。
過放電電池充電保護(hù)：電池過放電之后電壓會(huì)偏低，此時(shí)若進(jìn)行大電流充電很容易過充損壞電池，當(dāng)單片機(jī)檢測到電池電壓較低時(shí)就先轉(zhuǎn)入預(yù)充電階段。
輸出過壓保護(hù)：當(dāng)MCU檢測到電池電壓過高，充電器立刻轉(zhuǎn)入浮沖階段。
輸出過流保護(hù)：此項(xiàng)保護(hù)功能由UC3842完成。
過溫保護(hù)：通過附加在電池表面的熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度采樣，由MCU改變PWM占空比來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，防止電池溫度上升過高。
[page]
軟件基本流程如下圖5所示。實(shí)測的充電電壓、電流如圖6所示。
圖5 軟件基本流程
圖6 充電器充電曲線
5 結(jié)語
依據(jù)此設(shè)計(jì)方案制作的三段式蓄電池充電器，可適應(yīng)AC 100～240V寬范圍電壓輸入,可對(duì)24V/48A·h以下容量的蓄電池進(jìn)行高效率充電，經(jīng)實(shí)際測試，較好地實(shí)現(xiàn)了三段式充電,該產(chǎn)品現(xiàn)已順利實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
