引言

免維護(hù)蓄電池(簡(jiǎn)稱(chēng)蓄電池)以易用、價(jià)廉和儲(chǔ)能比高等優(yōu)良性能在電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)游覽車(chē)及不間斷電源系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，成為普及率最高的電能儲(chǔ)能設(shè)備。目前的蓄電池充電器絕大多數(shù)以恒流恒壓方式充電，沒(méi)有考慮環(huán)境溫度變化對(duì)蓄電池充電過(guò)程的影響，影響了蓄電池性能的充分發(fā)揮和使用壽命。本文結(jié)合蓄電池的充電特性，以p89V51RD2型微處理器為控制核心，開(kāi)發(fā)了多功能數(shù)字式蓄電池充電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)36V以下、100Ah以?xún)?nèi)的蓄電池的初充、激活、快充和正常充電等功能，同時(shí)根據(jù)環(huán)境溫度變化，自動(dòng)調(diào)整充電終止電壓，實(shí)現(xiàn)了充電過(guò)程的智能化。

蓄電池充電特性

蓄電池的充電是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)過(guò)程。影響充電效果的因素很多，溫度即是其中之一。圖1所示是以新的12V/100Ah蓄電池為對(duì)象，以0.1CA(CA為蓄電池的標(biāo)定容量，單位為A·h)的標(biāo)準(zhǔn)恒定電流在不同環(huán)境溫度下的充電特性曲線。由圖1可以看出，在充電過(guò)程中，溫度的改變會(huì)對(duì)充電電壓出現(xiàn)重要影響。溫度在O℃~5℃時(shí)，其充電端電壓會(huì)上升約2%，在10℃～25℃時(shí)充電端電壓上升約1.5%，而在35℃～40℃時(shí)充電端電壓下降約1%；當(dāng)溫度高于55℃時(shí)充電端電壓下降5%。由此可見(jiàn)，采用恒壓充電模式，在冬季充電可能不足，而在夏季蓄電池可能過(guò)充電。實(shí)踐也證明，蓄電池在充電過(guò)程中電壓隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降，即使是相同型號(hào)、相同容量的蓄電池，因放電狀態(tài)、使用和保存期的不同，其充電性能也大不相同。因此，不可能按恒流或恒壓進(jìn)行充電。

重要元器件

TLC2543是11通道高速A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率達(dá)200kHz，其輸入命令格式如表1所示，工作時(shí)序如圖2所示。

OCM2X8C是：128x32點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)漢字(16x16點(diǎn)陣)、128個(gè)字符(8x16點(diǎn)陣)。可與CpU直接接口，供應(yīng)8位并行及串行連接方式，具有多種功能光標(biāo)顯示、畫(huà)面移位、睡眠模式等功能。因微處理器引腳數(shù)量限制，在系統(tǒng)中采用串行通信模式。各引腳功能如表2所列。

p89V51RD2是一款與80C51單片機(jī)完全兼容的高性能微控制器，內(nèi)部集成了64KBFlash和1024字節(jié)RAM，可供應(yīng)6個(gè)機(jī)器周期和12個(gè)機(jī)器周期，最高時(shí)鐘為40MHz。支持ISp編程、pWM輸出、pCA可編程計(jì)數(shù)陣列和可編程看門(mén)狗按時(shí)器等。

系統(tǒng)工作原理及接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)重要由微處理器控制系統(tǒng)、中文液晶顯示、pWM充電輸出、A/D轉(zhuǎn)換器和鍵盤(pán)掃描等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

微處理器是系統(tǒng)的控制核心，模擬TLC2543的工作時(shí)序，控制TLC2543分別對(duì)蓄電池的端電壓、充電電流及溫度進(jìn)行采樣，完成A/D轉(zhuǎn)換，對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算和分析判斷，然后控制pWM輸出電路，改變充電電流和調(diào)整充電端電壓。接口電路如圖4所示。

鍵盤(pán)系統(tǒng)有4個(gè)按鍵：ON/OFF鍵是充電過(guò)程啟停控制鍵；S鍵是循回功能選擇鍵，重要有工作模式、蓄電池電壓、容量、充電模式、時(shí)間限定等;“+”鍵和“-”鍵是工作參數(shù)調(diào)整鍵，工作模式分為自動(dòng)和手動(dòng)，蓄電池電壓有6V、12V、18V、24V、30V、36V，容量項(xiàng)從2Ah至120Ah，共26項(xiàng)，充電模式為正常、初充、激活、快充，時(shí)間限定功能可以設(shè)定充電開(kāi)始的時(shí)間和充電結(jié)束時(shí)間等。

由微處理器模擬TLC2543的工作時(shí)序，通過(guò)p20、p21、p22、p23和p24與TLC2543相連，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行控制。TLC2543的AIN0監(jiān)控第一pWM輸出通道的充電電流，AINl監(jiān)控第一pWM輸出通道的充電端電壓。AIN2和AIN3、AIN4和AIN5、AIN6和AIN7分別用于第二、三、四pWM輸出通道。AIN8、AIN9、AINl0分別通過(guò)T_IN端子連接AD590型溫度傳感器，AIN8、AIN9測(cè)量蓄電池充電溫度，AINl0測(cè)量環(huán)境溫度。

pWM充電電路的pINl為ACl6V/30A、AC33V/25A和AC50V/20A電源輸入端，由微處理器根據(jù)不同的輸入蓄電池的端電壓，通過(guò)繼電器J2和J3自動(dòng)選擇合適的交流電源。pWM脈沖由CEX0輸出，通過(guò)TLp250型光電耦合器驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET輸出。R6為充電電流采樣電阻器，阻值為O.1Ω。IC2A構(gòu)成增益為3.3的放大器，對(duì)充電電流流經(jīng)采樣電阻器的電壓進(jìn)行放大，并輸出到TLC2543的AINO端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)檢測(cè)到充電電流過(guò)大時(shí)，增大pWM占空比，反之減小占空比。當(dāng)充電電流大于15A時(shí)，若pWM控制電路還沒(méi)有及時(shí)調(diào)整到正常范圍，IC2A輸出電平高于5.4V時(shí)，會(huì)擊穿4.7V穩(wěn)壓管V7，經(jīng)V2使三極管N4導(dǎo)通，通過(guò)TLp250和p1關(guān)斷輸出電源，保護(hù)供電系統(tǒng)。

充電端電壓由R2和R9分壓后，輸送到AINl端。充電端電壓是判斷充電過(guò)程的重要依據(jù)，低于蓄電池標(biāo)稱(chēng)電壓的13%一般是因?yàn)檫^(guò)放電或存放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，采用0.1CA的平均脈沖電流充電；充電端電壓在標(biāo)稱(chēng)值±13%內(nèi)時(shí)，則采用0.35CA的充電電流執(zhí)行快速充電；當(dāng)充電端電壓接近或高于標(biāo)稱(chēng)+13%時(shí)，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電端電壓達(dá)到進(jìn)行溫度修正后上限值時(shí)，通過(guò)改變pWM的占空比，使用極小的電流充電。采用分段式脈沖充電方式，能夠改善蓄電池性能和提高蓄電池的充電接受率。

第二路pWM、第三路pWM和第四路pWM與此相同。

微處理器p89V51RD2的CEX4引腳、p3、N1及Bl組成獨(dú)立電源，為T(mén)Lp250供電，驅(qū)動(dòng)N-MOSFET輸出。電壓由軟件調(diào)整。

軟件設(shè)計(jì)

5通道pWM輸出公用1個(gè)pCA計(jì)數(shù)器，輸出頻率相同，占空比各自獨(dú)立。與pWM輸出相關(guān)的特殊計(jì)數(shù)器有pCA計(jì)數(shù)方式寄存器CMOD、計(jì)數(shù)控制寄存器CCON、pCA計(jì)數(shù)器CH、CL，5個(gè)模塊工作模式寄存器CCApMO_4和5個(gè)捕獲計(jì)數(shù)器CCAp0_4H、CCAp0_4L。在pWM模式時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)器CLCCAp0L時(shí)，CEXO=1，CL=CCApOL時(shí)CEX0翻轉(zhuǎn)。計(jì)數(shù)器CL由255變到O時(shí)，CCApOL的值由CCApOH重裝。改變CCApOH的值即可改變pWM輸出的占空比，因此，由A/D轉(zhuǎn)換器反饋的充電電流、充電端電壓及環(huán)境溫度不斷按最優(yōu)化方法調(diào)整CCApOH的值，改變充電電流。

程序用KEILC51Ver6.12編譯調(diào)試。主程序邏輯框圖如圖5所示。

結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)證明，采用分段定電流充電法及pWM脈沖充電技術(shù)，結(jié)合蓄電池的溫度特性，以p89V51RD2型微處理器為控制核心的智能化多功能蓄電池充電系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，能有效提升蓄電池的充電接受率，改善蓄電池性能，縮短充電時(shí)間。