基于PIC单片机的数字式智能铅酸电池充电器的设计

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.
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[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。