基于PIC单片机的数字式智能铅酸电池充电器的设计

0 引言
铅酸蓄电池由于其成本低、容量大、安全可靠等特点，在通信、电动汽车、军事、航空航天等各个领域都有广泛的应用。电池的性能好坏、使用寿命的长短直接影响到电子产品的使用寿命和使用安全；而充电器的好坏又直接影响到电池的使用寿命。因此研究低成本又有智能管理功能的充电器是有实际应用价值的课题。

1 目前智能充电器的几种结构[1]

1.1 基于专用芯片的管理系统
现在，UNITRODE 公司已开发出系列电池管理专用芯片。因为电池管理中采用最多的就是控制充电电压及充放电电流，电池管理芯片正是抓住了这一点，为VRLA 电池研制了具有四状态管理的专用控制芯片，可以智能地实现带温度补偿的四状态管理方案：涓流充电模式、大功率充电模式、过充电模式和浮充电模式。不同的电池要有不同的芯片控制，因此，用专用芯片做管理系统其灵活性较差，

1.2 基于监控测量的蓄电池管理系统
在给电池充电的过程中，涉及到电池工作电压、工作电流、温度等参数，这些都是表征电池状态的重要参数。采用传感器提取这些参数，然后再配合故障诊断、遥控遥测、自动报警和事故现场处理等功能，就可以组成一个电池管理系统。如图1所示。

1.3 与电源设备一起构成的蓄电池充放电管理系统
在通讯、供电系统中，为了保证电网掉电时蓄电池组能及时补充电能，在规定时间内向负载供电，保证通信或电力合闸系统的正常运转，通常是将电池组直接挂接在电源模块输出端。当电网正常工作时，电池组工作在浮充状态，起到平滑滤波和保持容量（补充自放电的容量损失）的作用。一旦电网掉电，蓄电池组立即投入工作，当电网恢复，电源模块立即对电池进行充电。如图2 所示。

这样的一个系统由于和电源模块联系起来，所以，可以从充放电过程上来优化电池工作状态，电池充电成为可控的过程，建立在这样一个系统上的监控单元应该具有第一种监控系统中所有功能，并且可以和电源模块直接“对话”，根据要求对电池进行管理，并且可以实时监控电池的放电状态，对电池的工作进行优化[2]。因此，电池组的工作会更加可靠，可控性和智能化程度也会更高。但是这样一个系统存在的主要问题是：
（1）没有解决电池组串联运行过程中不均衡 现象的问题，这也是电池失效的重要原因之一；
（2）一般只完成了电池生产厂家提供的充电曲线，对于电池在使用过程中发生的其它问题控制不够全面，例如深度放电后的涓充问题等。

在将来，充电器的发展方向是智能化、数字化、集成化。智能化可以使电池的管理做到全自动，无需人员监管，真正做到免维护。数字化和集成化可以减少管理系统的体积和重量，减少系统的复杂度。

2 目前几种充电方式[3]
铅酸蓄电池的充电方法目前主要有恒流、恒压、恒压限流、脉冲充电、Reflex充电法。

2.1 恒流充电
恒流充电方式是一种简单的充电方法。但是，恒流充电有其局限性：对电池过充电就会造成电池寿命的缩短，而过小电流又会延长充电时间。

2.2 恒压充电
恒压充电用简单的控制方法很容易就能实现。在充电的初始阶段，由于电池的电压很低而造成充电电流很大，这对电池会造成损害。当电池电压达到一定值之后，电流就会随之减小。这种充电方法的缺点就是会造成温度上升和电池的寿命减少，并且在开始时电流很大，而后来快充满时电流又很小，就无法充分利用充电器的容量。

2.3 恒压限流法
恒压限流法实际上是将恒压充电和恒流充电相结合，又可称为混合充电法。在充电开始阶段，由于电池电压过低，为避免电流过大而损坏电池，就采用恒流充电法来限制充电电流。但电压达到预定值时，进入恒压充电方式。恒压限流方式是大多数电池厂商推荐的充电方式。由于蓄电池充电电压较低，充电后期电流很小，因此电解液中产生的气泡很少，可以节省电能、降低蓄电池的温升，避免损坏电池的极板。恒压限流方式是一种很有效的充电方式，加上过充判断、浮充控制、温度补偿等就可以形成一个简单的充电管理系统，蓄电池可以在这个系统下更好地工作。

2.4 脉冲充电[4]
在充电过程中，只要充电电流不超过蓄电池可接受的电流，蓄电池内部就不会产生大量的气泡。蓄电池中产生的极化现象会阻碍充电，并且使出气率和温升显著升高。因此，极化电压是影响充电速度的重要因素。用周期性的脉动电流给电池充电可以使电池有时间恢复其原来状态，减小极化现象的影响，解决快速充电面临的难题。但是目前这种充电方式还在研究阶段，对于采用多大的脉冲周期，占空比又是多少之类的具体问题还没有一个定论。

2.5 ReflexTM充电方式
Reflex 充电方法是脉冲电流法的改进：一个周期是由一个正脉冲后加一个负脉冲，然后才是空闲时段。这样就强制消除电池的极化现象，使得电池充电时可以更快而又不损害电池的使用寿命。这种充电方式与脉冲充电方式一样，仍然处于研究阶段。

3 数字式智能充电器的设计

3.1 系统结构和充电方案的设计
本文中设计的系统是一个针对12 V/（200～500Ah）的铅酸蓄电池智能充电系统。采用半桥作为主功率拓扑，开关频率取80kHz左右。
对于一个智能管理系统，控制模块无异于它的大脑。充电器的所有动作都是由它来决定和控制的，所以控制模块的选择关系到整个系统的优劣。由于系统需要多个A/D 转换器，但不需要扩展存储器也不需要通讯，根据以上特点我们选择了MICROCHIP 公司的PIC 系列PIC16C73 单片机。
图3 所示为智能充电器的系统框图。单片机是智能充电器的核心部件，它根据电流、电压采样以及温度采样做出温度补偿后的PWM波形输出，经过驱动电路提供给功率电路，并且决定了智能充电器的工作状态，可以在必要的情况下做出保护动作。意外故障保护电路可以在单片机失效的情况下对电路进行强制保护，起到双重保险的作用。报警显示部分用若干个LED表示系统的运行状态，简单有效。

充电方式采用恒压限流法。恒压限流充电模式分两个阶段，第一阶段是恒流阶段，即系统给定电流值，给电池以恒定电流充电，当电池的电压达到系统给定的转化值，就转为第二阶段———恒压阶段。恒压转化值会影响充入电量的多少。
由图4 可知，当恒压转化值（Vref）设置的较低时，充入的电量不足（图中阴影部分就是少充入的容量），没有充分利用电池的容量，长期工作，会引起电池容量丢失，这就要求把恒压转化值设高。但是恒压值较高，容易在充电末期引起过充电，这同样会导致电池容量丢失。

为了解决这个矛盾，系统引进了第三个阶段———浮充阶段，这样就可以把恒压转化值设置的比普通恒压限流模式高，这样可以保证充入足够的电量，在充电末期转入浮充阶段，用稍低的电压浮充充电，从而保证不会过充电。
三阶段充电方法保证了充电末期不过充，同时又能达到满充的目的，是一种成本较低的通用蓄电池充电解决方案。

3.2 软件系统的设计
图5 为系统软件的程序流程图。根据电池的端电压决定充电器工作在何种充电状态。

我们做的是全数字化的改良型PI 调节环，由于PI 调节的积分环在前期对误差进行积累，为了不让积累的误差影响系统的稳定性，所以我们在误差等于0 时，对原有积累的误差清零。当误差等于±1 时，只进行积分运算，减慢调整速度，避免产生振荡。
铅酸蓄电池的充电电压需要根据环境温度进行调整，以－4 mV/℃的补偿系数来调整。因此我们加入了温度补偿的功能。

4 实验结果
图6 为用电子负载模拟电池三阶段充电过程的波形图。从图6 中我们可以看出智能充电系统能够方便地实现各个充电状态的转换。

5 结语
用PIC 单片机可以实现全数字化的电池充电管理，结构简单，成本较低，并且具有很高的灵活性，通过改变软件内设置的恒流参考值和恒压参考值就可以改变系统的恒流电流和恒压电压值，使得系统在不改变系统硬件设计的情况下实现给多种不同容量的铅酸蓄电池充电。另外可以实现有效的电池充电管理和保护功能，达到智能化控制。

参考文献
[1] 罗光毅.蓄电池智能管理系统[D].浙江大学硕士论文，2003.
[2] Kiyokawa I, Niida K, Tsujikawa T, et al. Integrated VRLAbattery Management System [A]. Telecommunications Energy Conference, 2000. INTELEC. Twenty –second International Volume[C]. 2000, 703-706.
[3] Hua Chih-Chiang, Lin Meng-Yu. A Study of Charging Control of Lead-Acid Battery for Electric Vehicles [A].Industrial Electronics, ISIE 2000. Proceedings of the 2000 IEEE International Symposium Volume [C]. 2000,135-140.
[4] Cope R C, Podrazhansky Y.The Art of Battery Charging [A]. Battery Conference on Application and Advances,1999. The Fourteenth Annual[C]. 1999, 233-235.
[5] 窦振中. PIC 系列单片机原理和程序设计[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社，2003.

作者简介
周震宇(1982-)，男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术。
张军明，男，博士，研究方向为电力电子技术。
钱照明（1939-），男，教授，博士研究生，主要研究方向为电力电子应用技术，电力电子系统电磁兼容设计，电力电子系统集成。