一种单片机控制的铅酸蓄电池充电电源

摘要：为了有效地提升铅酸蓄电池的使用寿命，同时实现对充电过程的监控，设计出一种用单片机控制的36 V铅酸蓄电池充电电源。本电路采用反激式拓扑，连续电流工作模式，电源管理IC设计在电源的副边，由ELAN公司的EM78P258N单片机模拟，是用可编程器件模拟电源管理IC，实现智能电源低成本化的一次成功尝试，通过对单片机的软件设计实现了充电电源的状态显示、充电时间控制、报警、过温保护、过压保护、过流保护等功能。本充电器真正的实现了铅酸蓄电池的三段式充电过程，其最高输出功率可达90 W，效率约85％，成本不到20元，具有很高的市场竞争力。
关键词：铅酸蓄电池；充电电源；单片机；电源管理IC

    铅酸蓄电池由于其制造成本低，容量大，价格低廉而得到了广泛的使用。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。研究发现：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。
    目前比较被认可的充电曲线如图1所示。也即常说的三阶段充电法：在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，最大限度的保护蓄电池的寿命。

    传统的3842式充电器性能可靠，价格低廉，但却只能实现充电曲线的前两个阶段，无法实现浮充(涓流)阶段，而且无法实现智能控制。市场上的一些所谓的智能充电器，又无一例外的价格高昂，没有市场竞争力。本文介绍了一种采用单片机做电源管理IC的智能充电器，可以真正的实现三段式充电过程，并且具有状态显示、充电时间控制、报警等功能，而且整机成本不到20元，极具市场竞争力。

1 电源设计方案
1．1 总体方案简介
    采用单片机做电源管理IC，瓶颈问题是单片机的运算速度较慢，当负载出现突变时无法及时做出调节，而本例的负载是电池，给电池进行充电的过程恰好不会出现负载突变这个问题，这使得采用单片机作为电源管理IC成为可能。
    由于本电路的输出功率小于100 W，所以采用反激式拓扑形式，反激式拓扑最大的优点是不需要输出滤波电感，这使得反激式拓扑的成本较低，体积较小。电源管理IC设计在电路副边，由ELAN品牌的EM78P258N单片机模拟，单片机的运算频率设定为8 MHz。EM78P258N是一款具有很高性价比的单片机，其工作频率最高可达20 MHz(外接振荡器模式)，内部设置了4个12位精度的AD转换器、2Kx13位片内寄存器、3个八位、一个十六位计时器和一个PWM波形发生器，具有看门狗功能。电路的初级和次级由变压器进行隔离，变压器不仅结构简单，而且很容易实现初次级3 000VAC的抗电强度。该充电器最高输出约可为45 V／2 A，并可根据实际需要进行调节。本充电器的开关频率设为40 KHz，每个周期被等分为200个部分，PWM每次可以调节1／200个周期，即125 ns。
    本充电器的电路如图2所示。市电输入经桥式整流后，形成约300 V直流电压。本电路的整流滤波电路与通常有所不同，对蓄电池充电器来说，整流后的100 Hz脉动电流没必要滤除干净，100 Hz的脉动电流对蓄电池充电不仅无害，反而有利，在一定程度上可起到脉冲充电的效果，使充电过程中蓄电池的化学反应有缓冲的机会，防止连续大电流充电形成的极板硫化现象。

    单片机初始工作电压，是由负载电池提供的，当没有接上负载电池时，本充电器不会工作。由于单片机EM78P258N芯片的采样精度与它的供电的电源纹波有关，这里采用7805芯片给它供电。EM78P258N芯片输出的PWM脉冲的高电平为5V，而IRF840的开通电压为4V，但由于EM78P25 8N芯片的输出信号要先经过放大电路，再经过信号变压器的耦合，才去驱动开关管IRF840，PWM波形难免会出现畸变。为了降低损耗，这里将信号放大电路的电压设置为20 V，经测试，此举会大大提高电路的效率，此20 V电压由7820芯片提供。7805芯片和7820芯片的输入均接到本充电器的输出端(图2中未绘出)。EM78P258N芯片的6脚和7脚用来控制信号灯，通过观察两个信号灯的开灭状态就可以知道本电路工作在哪个阶段下。11脚被设定为警报控制信号端，当电池充电过程完成，或者充电器出现故障时，此脚控制警报器发出不同的报警声。4个AD转换器中，13脚用来采集电压信号，14脚用来采集电流信号，1脚用来采集温度信号，2脚闲置，可用于以后的功能升级。3脚用来监控220VAC市电，当充电器断电后，单片机进入休眠状态。电流采样电阻还可以完成假负载的功能。
    本电路在市电和蓄电池均联接上后，才开始工作，蓄电池和市电任一个断开，电路即停止工作，可靠性较好。
1．2 单片机软件的设计
    由于EM78P258N芯片并不是专用的电源管理IC，所以在程序设计时，一定要尽可能将所有可能出现的工作状态全部考虑到。由于单片机的运算速度的限制(在本例中，一个指令周期为125 ns)，不可能实现特别准确的电压或电流输出，但对于铅酸电池来说，适当的电压或电流纹波反而有利于消除极板硫化现象。
    软件控制流程如图3所示。当蓄电池接上后，单片机开始工作，初始化后，PWM缓慢打开，然后检测电流采样电阻上的电压，将电路的输出电流控制到1．8～2 A之间，同时检测输出电压并计时，如果电路输出电压到达42 V的时间小于10 s，就认为这个电池本身就满的，程序直接转到涓流状态。当电路的输出电压达到43 V后，程序转到恒压充电阶段，此阶段将电路的输出电压控制到43～45 V之间，同时检测输出电流并计时，当输出电流小于200 mA时，程序转到恒压转涓流阶段。由于在恒压阶段，电池已经被浮充到了44．6 V左右，而涓流阶段的电压要求为41．4 V左右，如果恒压阶段结束后直接转到涓流阶段，就会出现电池的电压高于充电器输出电压的情况，充电电流为零，强迫程序结柬。所以在恒压阶段结束后，程序先进入一个恒压转涓流阶段，在此阶段，将充电电流控制到80～100 mA之间，随着充电电流的下降，电池两端的电压也会下降，当电池两端的电压降至40 V以下时，程序转到涓流阶段继续对电池进行充电，从而真正实现了三段式的充电模式。涓流阶段持续半小时或者充电电流小于50 mA后，单片机在蜂鸣提示后，进行到睡眠状态，充电过程结束。

    在单片机的整个工作过程，充电器的输出电压和输出电流一直被监控，如果单片机的程序末完成，蓄电池即被取下，这时开关管开通时储存在变压器里的能量无法被充分释放，长时间后会导致变压器的磁饱和，继而烧毁充电器。所以在程序中，设定当充电电流为零，充电过程即强制结束。如果检测到充电器的输出电压过高或输出电流过大，充电程序也会强制结束，保护蓄电池不会损坏。
    在程序中，各阶段的执行时间均被记录，如果充电时间过长或充电时间过短，均会跳至对应的程序段，或点亮信号灯，或蜂鸣报警，或强制结束程序，这使得充电状态一目了然。
1．3 变压器设计简介
    由于电池的充电电流不可以为零，所以本充电器必须工作在连续工作模式下，反激变压器即使工作在电流连续模式，尽管总安匝不会停留在零，但是，对于反激变压器的每个线圈来说，线圈电流总是处于断续状态。当然电流(安匝)断续更是如此。这是因为开关期间，电流(安匝)在初级和次级之间来回转换，即初级安匝减少时，次级安匝等量增加，反之亦然。虽然总安匝是连续的，纹波很小，但每个线圈的电流交
替由零到最高峰值之间变化。无论什么工作模式，线圈交流损耗大。
    为了降低成本，本例中使用的开关器件是IRF840(500 V、8 A)，这使得变压器的匝数比不可能太大，因为市电经整流滤波后的电压约为300VDC，充电器的最高输出电压约为45VDC，设计时设定匝数比N1／N2为2，这样IRF840芯片约有100VDC的漏感尖峰裕度，降幅较为可靠。
    变压器的初级和次级的伏秒数要保持平衡，由此可推算出开关管的最大开通时间
   
    式中，为变压器原边的最低输入电压，T为开关周期，VO为输出电压，N1为初级匝数，N2为次级匝数，这里忽略了电路中开关管和二极管的导通压降。
    假设充电器的效率为80％，充电器的输出功率为100 W，由于开关管的最大导通时间出现在输入电压最低的时候，可推得变压器的初级电感量
   
    式中，PO为输出功率。
    为保证本充电器可以可靠的工作在连续电流模式下，经调试，变压器的实际参数如下：磁芯采用TDK的PC40EER40磁芯，磁芯芯柱的气隙设为1．58 mm，骨架采用排距25 mm、针距5 mm、6x6针的立式骨架。初级绕组用0．64mm高强度漆包线绕97匝，电感量780 μH；次级绕组用0．64 mm高强度漆包线三线并绕50匝，电感量为208 μH。初次级之间垫入3层聚脂薄膜，不浸漆。

2 总结
    经测试，本充电器的最高输出功率可达90 W，效率约85％，整机成本约20元人民币，具有很强的市场竞争力。
    由于单片机的运算速度的限制，使用单片机模拟电源管理IC无法做到使反馈环路非常稳定，这给电路的热设计增加了难度。如果要优化热设计，可采用给单片机外置振荡器，将其工作频率提高到20 MHz的方法，也可以将恒流充电阶段再分成若干个阶段，随着充电器输出电压的提高，逐渐的降低输出电流以降低输出功率，以延长充电时间为代价来降低充电器的发热量，可以大幅降低充电器的工作温度。
    本设计是采用单片机模拟电源管理IC，实现电源智能化的一次成功尝试，通过本次尝试，相信可以大大扩展智能化电源的设计思路。