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摘要：长期以来，由于传统的充电控制方法不当，铅酸蓄电池的使用寿命要短于其设计寿命。目前，对于蓄电池充电物理、化学过程的研究已经比较成熟，提出了很多合理的充电方法。同时，电子技术的发展，也为电池提供更智能、更复杂的充电装置，两者的结合，对提高铅酸蓄电池的使用寿命有现实意义。下面就一种蓄电池充电控制系统的设计进行论述。
关键词：蓄电池组；单片机；充电控制
一、充电电路拓扑结构
系统主要由DC/DC主电路、充电控制器、充电采样电路、驱动电路、充电保护电路等部分组成。充电系统功率主电路为DC/DC变换器，采用单片机PWM输出，实现对功率开关管的通断控制，利用单片机片内的片内A/D转换模块，实时采样蓄电池的输入电压，输出电压，输入电流和温度等参数，以完成对蓄电池充电过程的智能控制。本充电系统能对输入过压、输出过压、输出过流等实现硬件保护功能，还具有充电LED指示功能，便于对充电过程进行简单的识别和监控。
铅酸蓄电池的充电电路实际上就是DC-DC变换电路，共有6种基本拓扑结构，常用为Buck（降压）、Boost（升压）和Buck一Boost（降压一升压）3种。其它3种为SePIC、Zeta和Cuk，都是升降压变换。这类变换器适用于升降范围窄、输入输出间无须电气隔离的场合。本充电控制系统输入直流电压在250V左右，范围变化不大。需充电蓄电池以24V蓄电池为例，输出功率不大于200W。综上分析，本系统不需进行电气隔离。
二、硬件电路设计
1.主电路
图1主电路原理图
图1所示为充电系统的功率主电路原理图，功率主电路由功率开关管VT1和VT2、箝位二极管D1和D2等组成。Uin为蓄电池直流输入电压，Uout为蓄电池输出电压。本充电系统的直流输入电压不高，且输出功率较小，而MOSFET具有开关速度快，容易驱动的优点，适用于小功率电路。因此，本充电系统主电路的功率开关管采用MOSFET。
2.单片机控制电路
图2单片机控制电路结构图
系统的充电控制器采用数字控制的方式，以单片机PIC16F877为核心，该单片机芯片内部集成的外围模块，种类和数量较多。其中捕捉/比较/脉宽调制CCP1和CCP2模块，与可编程定时器模块TMR1和TMR2配合可实现输入捕捉、输出比较和PWM功能。
PWM（脉宽调制）用来产生周期和脉宽可调的周期性方波信号，常用于驱动MOSFET、继电器等。另外，PIC16F877片内的ADC模块具有8个通道和10位分辨率的数模转换器，用来进行数模转换。以上资源，完全能够实现蓄电池的充电控制。CCP1和CCP2输出PWM信号，驱动开关管的导通和关断。单片机的复用RA0端口和RE端口是A/D转换通道，用来进行数据采样。RB口和RC口作为普通I/O口，进行键盘输入和LED显示。片内的MSSP模块可以进行串口通信。为了保证系统工作的稳定性，本设计采用的是欠电压复位。一旦发现VDD跌落到某一门限值时，就令芯片复位以免系统失控。
3.采样电路
1）温度检测电路
图3温度采样电路
温度检测方法很多，如利用温度传感器和热敏电阻等。PIC16F877有8通道和10位分辨率的数模转换器。如图3，R12和R13为热敏电阻，其阻值随着温度的变化而变化。R12和R13串联接在单片机参考电压AREF和地之间，从两个电阻之间的分压点引出一路信号，接至A/D转换通道AN0。AREF引脚还要加上一个电容进行解耦，经验值在0.1μF到1μF之间。上述方法实现了蓄电池环境温度的检测和补偿。
2）充电电流检测电路
图4充电电流采样电路
系统在激活充电和快充模式状态下，需要对充电电流进行控制，使其恒定。设计中，采用霍尔电流传感器进行电流检测。闭环霍尔电流传感器的精度高、线性度较好，响应时间快（小于1uS），温漂小。根据蓄电池的参数，选择的霍尔传感器的额定测量电流Ipn为20A，线性范围Ip在0-±30A之间。电源电压为±15V，如图4所示，+VCC和-VCC分别接+15V和-15V电源。负载电阻R2的作用产生压降，将电流信号转为电压信号，其推荐值在50Ω-150Ω之间，设计采用中间值100Ω。图中RC电路的作用是对采样电压信号进行滤波，而后将信号送入PIC单片机的A/D转换通道AN5引脚进行数模转换。
三、充电模式软件设计
系统采用技术较成熟的阶段充电方法，分为四个阶段，即激活充电、快速充电、过充和浮充。其中激活充电是为了在电池过度放电的情况下，保护蓄电池的一种措施。在正常情况下，电池充电还是三个阶段。快速充电是指在充电初期，大电流恒定充电；当电池端电压上升到一定值时，进行恒压充电（过充）；当输入电流逐渐减小，到一定数值时，再进行小电流恒定充电（浮充）。根据系统蓄电池的参数（额定电压24V，额定容量20Ah）来确定各个充电阶段切换的临界值。1）过放状态：当蓄电池端电压小于21V时，则处于过度放电状态，需要先进行激活充电。充电电流推荐值为充电流设定为0.2C10，为0.4A。2）快速充电：如果蓄电池端电压大于21V，则进行大电流恒流充电，推荐值为2C10，4A。此过程可使蓄电池端电压迅速上升。3）过充：当蓄电池电压升至27.8V时，进入恒压阶段。4）浮充：在上一阶段过程中，充电电流逐渐减小，到0.8A时，开始进行小电流恒流浮充，一直到充电结束。软件流程见图5。
在需要直接快速充电的情况下，使用按键切换到脉冲充电方式。首先用脉冲电流对电池充电，而后停止充电，一段时间后再开始充电，周而复始。
图5充电软件流程图
结束语：
设计的蓄电池充电控制系统，具有过充过放保护和温度补偿。经过测试，系统显示出良好的控制效果，不仅提高了充电的工作效率，同时也保护了所使用的蓄电池，有效地延长了蓄电池的使用寿命。在低碳环保方面，具有一定的社会效益和广泛的推广价值。
参考文献：
[1]DL/T 724—2000.电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程[S].
[2]GB/T 7260.3—2003.不间断电源设备（UPS）第三部分[S].
论文作者:段惠琴
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/5
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