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一种单片机控制的铅酸蓄电池充电电源

时间:04-02 来源:互联网 点击:

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。

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