钜大LARGE | 点击量：961次 | 2021年12月24日
智能铅酸蓄电池充电器的设计与实现
引言
20世纪60年代末期，美国科学家马斯对蓄电池充电过程的析气问题做了大量的研究工作，提出了以最低析气率为前提的蓄电池可接受的充电电流曲线，如图1所示。其充电电流轨迹近似为一条呈指数规律下降的曲线。基于铅酸蓄电池的特性以及图1的充电曲线，本文采用了三阶段充电模式：预充、直充和浮充。通过检测蓄电池的电压，进入不同的充电阶段。
预充电：关于长期不用的电池、新电池或在充电初期已经处于深度放电的蓄电池，刚开始就采用大电流直接充电会突然新增蓄电池的析气量，缩短蓄电池的寿命。因此，必须先用小电流对蓄电池充电，当蓄电池电压上升到能接受大电流充电时再进行大电流直接充电。
直充电：此阶段充电器以恒定电压对蓄电池进行充电。充电开始时电流很大，随着电池端电压上升，充电电流按指数规律下降。因此电池的析气量小，耗水少，有利于延长电池使用寿命，不过充入电量约在90%左右，不能有效地给电池充足电。
浮充电：也叫涓流充电，重要用途是补充蓄电池自放电所消耗的能量，使电池能接近100%容量。充电电压仅略高于蓄电池组的断路电压且维持恒定，充电电流很小，并逐渐减小到0。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
方法设计
总体设计
如图2所示，系统重要硬件电路包括辅助电源、开关电源和MXT8051单片机控制部分。其中，辅助电源给单片机和运算放大器供应工作电压，由线性变压器、整流滤波和DC/DC转换电路等组成;开关电源输出充电电压和电流，由高频磁芯单端反激式变压器、整流滤波和DC/DC转换电路等组成;MXT8051单片机控制部分负责控制充电电压电流，检测电压电流并通过LCD和发光二极管实时显示充电信息，并驱动蜂鸣器报警和风扇转动，由充电电压电流控制、电压电流检测、充电阶段指示、液晶显示、蜂鸣器和风扇控制电路组成。
如图3所示，系统软件重要包括电压电流控制、电压电流检测、液晶显示、风扇和蜂鸣器控制模块。通过设置寄存器，控制MXT8051内建的10位pWM，出现不同占空比的pWM波，经放大、滤波后通过TL431及光耦隔离接至UC3842的反馈端，出现pWM波，以驱动功率MOSFET管，从而控制开关电源输出;由MXT8051供应的10位ADC对充电电压和负载电流进行检测;通过LCD显示充电电压和电流的采集值，以及电池型号、充电模式、充电时间等信息;由MXT8051的pWM控制风扇和蜂鸣器，实现散热和报警;由GpIO口控制充电阶段指示灯(发光二极管);通过UART连接上位机进行调试、诊断。[page]
详细设计说明
辅助电源：由工频变压器、整流元件、滤波元件和三端稳压集成电路L7812组成，为单片机供电部分和运算放大器供应工作电压。采用这种为单片机单独供电的方式，可防止负载(蓄电池)电压波动对单片机供电部分的影响，增强系统的抗干扰能力，提高可靠性。
开关电源：以电流控制型脉宽调制器UC3842为核心，由三端可调分流基准源TL431和光耦EL817构成反馈回路，实现稳定的电压输出。电路因为采用了光电耦合器，实现了输出和输入、弱电和强电的隔离，减少了电磁干扰，增强了抗干扰能力，而且是对输出电压采样，具有很好的稳压性能。
要注意的是，使用TL431和EL817时，必须注意外围参数的设计。关于TL431，要保证TL431工作的必要条件，即通过阴极的电流要大于1mA;关于EL817，要使其工作在比较宽的线性带内，否则电路对运行参数的敏感度太强，不利于电路的稳定工作。
MXT8051单片机控制部分。重要由单片机最小系统、充电电压电流控制、电压电流检测、液晶显示、风扇和蜂鸣器控制部分组成。
1.单片机最小系统。以MXT8051为核心，配合3.3V系统电源、2.5V数字核电压、11.0592MHz系统时钟晶振以及32.768kHzRTC晶振构建最小系统。
2.充电电压、电流控制。根据开关电源部分的实现原理，通过改变TL431参考端的电压可获得不同的电压输出，从而获得不同的充电电压。充电电流的控制也是通过控制充电电压来实现的。程序中，通过控制单片机内建的pWM0输出pWM波的占空比，即可控制充电电压和电流。
根据铅酸蓄电池三段式充电原理，每个阶段对应一种充电电压。对48V型号的蓄电池而言，预充、直充和浮充阶段的充电电压分别设定为47.5V、57.5V和54.5V。分别计算三种电压对应的pWM0H和pWM0L寄存器的值，存入数组中，作为三种充电电压的设定值。程序中，根据不同的充电阶段调用相应的设定值写入pWM*H和pWM*L寄存器，实现对充电电压和电流的控制。程序流程如图4所示。
3.风扇、蜂鸣器控制。单片机输出脉宽调制信号控制三极管的导通与关断，实现风扇和蜂鸣器的开关控制;同时，通过调整pWM波的占空比可以控制三极管集电极电流，从而实现对风扇风速和蜂鸣器鸣声大小的控制。蜂鸣器控制采用pWM1，风扇控制采用pWM2。
4.充电电压、电流检测。MXT8051内嵌一个五通道的10位逐次逼近型ADC，电压采样信号送入AIN0通道，电流采样信号送入AIN1通道。电压采样信号由开关电源电压输出经分压电阻获得，经AD转换后由程序换算处理得到充电电压;电流采样信号由与电池组串接的水泥电阻获得，AD转换后经过程序换算处理得到充电电流。
5.液晶显示。MXT8051内嵌36×4LCDDRIVER，可直接驱动液晶屏，因此只需将单片机的SEGMENT和COMMON引脚与LCD的相应管脚连接即可。本设计采用36×4段式LCD。程序中，通过设置LCD控制寄存器LCDCON来设定内部分压电阻的阻值和刷新频率;由LCD数据寄存器LCDDATA17~0来控制要显示的数据。
6.计时。重要功能是在充电器开始工作时启动计时，为用户判断充满剩余时间供应参考。最大计时时间为9小时59分59秒。程序实现重要由启动按时器T0、重载计数初值和软件计数变量控制三部分组成。
7.看门狗监控。重要功能是防止程序跑飞导致系统死机，发生不可预料的后果。由看门狗初始化和喂狗程序组成。初始化程序负责选择看门狗按时器时钟，设置按时时间;喂狗程序负责向看门狗按时器重载数据。
系统测试
系统测试重要是对输出电压准确度和稳定性以及电压电流检测精度的测试。经过反复多次测试，系统输出电压稳定可靠，电压检测能完全跟踪实际电压，误差很小。测试结果如表1所示。
结语
本设计基于北京时代民芯科技有限公司的MXT8051单片机构建，以开关电源和充电管理控制核心为主体，外围电路简单，电源调整率好、频率特性好、稳定幅度大，具有过流限制、过压保护和欠压锁定功能，能有效防止铅酸电池的硫化问题，大大延长蓄电池使用寿命。
