基于單片機控制的智能充電器的設(shè)計與實現(xiàn)

1 引言

鉛酸蓄電池是目前大容量電池的主要品種，其制造成本低、容量大、價格低廉，使用范圍非常廣泛。鉛酸蓄電池的基本充電方式有兩種：恒壓充電和恒流充電。如果單獨采用一種方法，比如恒流法，則在充電后期由于充電電流不變，容易使容量下降而提前報廢。單獨采用恒壓法，充電初期電流過大，可能致使電極活性物質(zhì)脫落，后期電流又過小，形成長期充電不足，影響蓄電池的使用壽命[1]。因此，充電器大部分都是綜合采用兩種方法的多階段充電方式。近年來，先恒流、再恒壓、最后恒壓浮充的三階段充電方式被逐漸接受。

目前，三階段充電方式主要采用模擬控制的方案。雖然具有實時性好、帶寬高的優(yōu)點，但其硬件電路復(fù)雜，控制不靈活。為此，本文設(shè)計了一種數(shù)字控制的充電器，采用單片機作為控制回路的核心，通過電壓、電流實時采樣，從而控制輸出電壓和輸出電流，實現(xiàn)了三階段充電策略，可智能靈活的控制蓄電池的充電，提高蓄電池的利用效率，并有助于提高蓄電池的使用壽命和性能。

2 充電器電源結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示。主要由3部分組成：第一部分為開關(guān)電源部分，采用反激DC/DC變換器；第二部分為電壓、電流采樣電路；第三部分為單片機核心的PWM輸出，再經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動反激電路。

圖1 充電器電路總體設(shè)計框圖

系統(tǒng)由電壓采樣電路、電流采樣電路實時分別采樣電壓、電流，將采樣的電壓、電流各自送單片機的RA0、RA1,經(jīng)過單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)值，然后根據(jù)編寫的軟件進行對應(yīng)操作，由PWM模塊得到相應(yīng)的占空比，再由RC2將占空比送到驅(qū)動電路，用于驅(qū)動反激電路的開關(guān)管，從而在輸出端得到相應(yīng)的電壓或電流對鉛酸蓄電池進行充電。

3 數(shù)字控制電路結(jié)構(gòu)

數(shù)字控制電路通過相應(yīng)信號的獲取和輸出，監(jiān)測和控制充電器對應(yīng)的工作過程，使其能自適應(yīng)工作。然而，主電路輸出是模擬信號，單片機能夠處理的卻是數(shù)字信號，因此在處理信號之前，必須先通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。假定ADC字長為N，則模數(shù)轉(zhuǎn)換精度為1/2N，N越大精度也越高，但價格越貴。數(shù)字控制器PWM單元的時間分辨率及模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，決定了充電器的輸出電壓、輸出電流、輸出功率的精度。為了同時滿足精度需求及降低成本的考量，需要選擇合適位數(shù)的ADC和PWM數(shù)字控制器。

ADC轉(zhuǎn)換器選定后，需要選擇PWM位數(shù)。如果PWM位數(shù)太小，將導(dǎo)致輸出電壓在某一電壓值附近上下波動，造成極限環(huán)現(xiàn)象，輸出電壓將發(fā)生周期性抖動，進而影響到采樣數(shù)據(jù)，最終影響到整個系統(tǒng)的處理精度。因此，PWM單元分辨率越高越好。

PWM位數(shù)N與頻率fPWM滿足下式：。式中，fclk表示單片機的時鐘頻率。PR2為單片機PWM周期寄存器，fPWM越高存入PR2的值越小。設(shè)存入PR2的值為M，則最大分辨率為分頻值f/M。由此可見，頻率不一定越高越好，過高的頻率會降低PWM分辨率。PWM輸出的頻率與分辨率之間的關(guān)系如表1所示。