基于P89LPC933的大功率智能充电器的设计

   铅酸蓄电池因为其维护简单、价格低廉、供电可靠、使用寿命长而被广泛用作汽车、飞机、轮船等机动车辆或发电机组的启动电源,同时也在各类需要不间断供电的电子设备和便携式仪器仪表中被用作一些电器及控制回路的工作电源。然而，由于充电方法的不正确，存在严重的过充、欠充现象，直接影响了蓄电池的技术状态和循环使用寿命。Power Smart公司根据多次试验结果得出结论：若采用合适的充电方式，电池的使用寿命大约可提高30%。基于此，本文提出一款基于P89LPC933单片机的智能充电器的设计方案，采用先进的四阶段充电控制方法。该充电器可以实时采集电池的电压、电流，对充电过程进行智能控制和全面管理，使充电过程按理想的充电曲线进行，解决了普通充电器对蓄电池充电的技术难题，并且充电电流可在0～50A范围内任意设定，具有完善的过压、过流、过热保护功能，并以声光形式进行提示，既能快速充电又能对蓄电池进行有效的保护。
1 智能充电器的充电技术
    国内外铅酸蓄电池的充电方法目前主要有恒流、恒压、恒压限流充电法。恒流充电方法随着充电的进行，电压会慢慢上升，到充电后期电压上升到13.8V时，如果不对充电电压进行限制，容易使电池处于过充电状态，导致电池有大量的水发生分解以及活性物质容易脱落，缩短电池寿命。恒压充电法存在的缺点主要是：由于电压恒定，在充电初期电池电动势小，所以充电电流很大，容易造成极板的弯曲和活性物质的脱落，而且设备必须适应充电初期的大电流；充电末期电流过小，使充电时间延长，且容易充电不足。
    恒压限流充电法则避免了以上两种充电方法的不足，充电初期为避免电流过大，采用限流充电，后期为避免电压过大而采用恒压充电。因此恒压限流充电是一种比较有效的充电方式，再加上采用智能化的过充判断、浮充控制、温度补偿等措施，形成一个简单的充电管理系统，蓄电池可以在这个系统下更好地工作。恒压限流充电方式是目前大多数电池厂商推荐的充电方式。
    目前，大多数充电器采用的恒压限流充电方式都是三阶段充电^[1-2]，即恒流充电、恒压充电和涓流浮充电。事实上，在实际的使用过程中，闲置的蓄电池常常会过度放电，如果一开始就采用较大的电流恒流充电，容易造成热失控，不利于激活电池内的化学物质以最大优化电池的性能。所以在开始的时候采用较小电流激活充电，能使极板表层充分激活而不过量脱粉，深层各处也能得到充分激活，经过激活修复后的蓄电池更能经久耐用。根据充电电池的原理，同种工艺的电池理想的充电曲线大致相似，只是具体的电压数值有所差别。针对这些特点，应用信息技术进行控制，能有效地使实际充电曲线拟合铅酸蓄电池的最佳充电曲线，控制电池在正常温升范围之内，提高充电的效率，达到最佳充电效果。综合经典的充电理论和前人的成果以及大量实验数据，笔者在对铅酸蓄电池的充电控制中设计了四阶段充电曲线，如图1所示(以12V/200Ah电池组的充电过程为例)。             
1.1 激活充电
    充电器开始工作后，通过单片机采集蓄电池的端电压进行检测，若电池电压低于9.5V，充电器不工作。若电池电压高于9.5V而低于10.5V，说明蓄电池曾经过度放电。为避免对蓄电池充电电流过大,造成热失控,对蓄电池实行稳定小电流激活充电，激活蓄电池，随着激活充电的进行,电池电压开始上升,当电池电压上升到能接受大电流充电的阀值电压10.5V时,则转入恒流充电阶段。反之视为激活充电失败，重复3次激活充电后，电池端电压依然不能升到指定值，则认为电池失效。
1.2 恒流充电
    大电流恒流充电,这里电流值为50A,因蓄电池容量而异,一般为0.4c(c为蓄电池组的容量)。在恒流充电状态下，电池电压不断上升，单片机不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压14.7V时，恒流充电状态终止并转为恒压充电。 [p]
1.3 恒压充电
    恒压充电电压值为14.7V,它是蓄电池节数与蓄电池温度的函数。恒压充电时，通过PWM调制器调节，使充电电压保持不变，充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10时，即5A时，终止恒压充电并转为涓流浮充。
1.4 涓流浮充电
    涓流浮充时蓄电池的充电电压必须保持一恒定值，这里选择充电电压恒为13.8V。在该电压下，充入的电量应足以补偿蓄电池由于自放电而损失的能量。
2 智能充电器的硬件设计
    基于P89LPC933的大功率智能充电器的系统组成如图2所示，市电经EMI滤波、全桥整流后变为直流高压，然后通过PFC电路进行功率因数校正，再经半桥DC-DC隔离变换器降压和整流滤波后即可获得电池充电所需的低压直流。         

        
    主控单元选用的是NXP公司的P89LPC933单片机，该芯片采用增强型8051内核，速度是标准8051的6倍，内置4KB Flash程序存储器、256B片内RAM，2个16bit定时／计数器，1个8位4通道逐步逼近式模数转换模块(ADC1)和1个DAC 模块(DAC0)，高达26个I/O口，几乎所有输入引脚均具有抗干扰滤波功能，并内置了硬件看门狗，在软件配合下，抗干扰能力很强^[3]。P89LPC933单片机的主要任务是通过采样电路实时采集电池的端电压和充电电流，经内部计算决定下一阶段的充电电压和电流，然后送出控制信号给脉宽调制器控制充电电流和电压的大小，并协调好其他各外围电路模块工作。P89LPC933单片机的各个I/O口分配如图3所示，P0.1、P0.2、P0.3通过内部寄存器设置成A/D转换输入端，P0.1脚输入的是电流采样电路输出的电流转换成的电压信号，P0.2脚输入的是电压采样电路输出的电压信号，P0.3脚输入的是温度采样电路实时检测的电池温度和充电器功率管温度转换的电压信号。采样进来的相关信号经单片机内部存储、处理、计算，然后从P2.0/DAC0脚送出控制信号去控制脉宽调制器。            

电压采样、电流采样及PWM控制电路如图4所示，电压采样直接从电池正端（图中V1）采集，经过图中相关电路送入P89LPC933的P0.2脚；电流采样通过电流互感器TF603和相关电路转换为电压值后经R635和R636分压，送入P89LPC933的P0.1脚，它们都由单片机读取，并进行存储和处理。另外,电流采样和电压采样的另一路信号也要送至下面要介绍的脉宽调制器作为比较信号。                 
    脉宽调制器SG3525A在这个闭环控制中起到一个至关重要的作用^[4]，脉宽调制器SG3525A的2脚和1脚分别输入的是P89LPC933的P2.0/DAC0脚送出的控制信号和采样电路送出的电压和电流信号，经内部的比较电路比较，得出脉宽可以改变的PWM调制信号，再经11脚和14脚输出,去驱动主回路的MOSFET管Q603和Q604工作，从而达到调节和稳定充电电压和电流的作用。SG3525A的10脚送入的是电流取样电路输出的过流保护信号PWH，当充电电路发生故障出现过流过载情况时，则及时关闭脉宽调制器SG3525A，使充电电路的主电路停止工作。
    显示模块用来显示电池当前的电压与充电器的电流，显示状态由面板上按钮启动。由于设计的是一款大功率充电器，所以还要实时采集电池温度和功率管温度，一旦温度过高单片机马上启动风冷电路。从而使铅酸蓄电池在适当的温度范围内工作，起到保护作用，得以延长使用寿命。 [p]
3 智能充电器的软件设计
    智能充电器的软件设计采用模块化设计，各个模块之间做到低耦合、高内聚。软件设计主要有四个模块：主程序、A/D转换、比较、判断及控制中断服务程序。主程序主要负责各个模块之间的数据传输和协调工作。根据上面设计的铅酸蓄电池四阶段充电曲线，软件设计的充电控制策略流程图如图5所示。          

           
    由于实际使用环境的复杂性及各种各样干扰因素的存在，因此系统的可靠性需要使用抗干扰技术来维持。除了必须在硬件上采用了必要的抗干扰电路外（如EMI滤波、RC吸收电路、PCB工艺等），在软件设计上也采取了一些必要的抗干扰措施，诸如用计数方式对人机交互界面的按钮消抖，使用P89LPC933内嵌的硬件看门狗（WDT）结合软件陷阱捕获“跑飞”的PC指针，随时复位处于失控状态下的CPU等^[3]。
4 充电器系统测试与总结
4.1充电性能测试
    为了检测充电性能，用基于P89LPC933的大功率智能充电器对12V/200Ah的铅酸蓄电池组进行充电试验。电池充满时电压为13.8V,充电时间为405分钟，电池最高温度为37°C, 充电过程正常。具体充电测试数据如表1所示。    

      
4.2 充电器横向产品的调查比较
4.2.1 与无单片机控制的恒压充电器的比较
    某厂恒压充电器只是采用了TL494脉宽调制器为核心的硬件电路，无单片机控制，与基于P89LPC933的大功率智能充电器的比较结果如表2所示。             
4.2．2 与较典型的KYD-DDCC-12V型智能充电器的比较
    经市场调查发现，智能充电器充电电流普遍比较小，甚至很少有能达到30A以上的智能充电器。KYD-DDCC-12V型智能充电器在市场上是比较常见的。其典型参数如下：
    (1)充电电流：0～2.0A；(2)输出电压：14.3V；(3)浮充电压：13.5V；(4)转换电流：0.3A；(5)待机功耗：≤2W；(6)外型尺寸：160mm×90mm×55mm。
    可见基于P89LPC933的大功率智能充电器在充电电流和外型尺寸上都有比较明显的优势。
    因此，在充电器系统中应用先进的开关电源芯片、单片微控制器及信号检测技术等，能使传统的充电技术与信息处理和智能控制技术融合在一起，可以改变充电器行业技术含量低的状况，而且实现全数字化的电池智能充电管理能极大地提高传统产品的核心竞争力。该充电器已在广东省某企业投入使用。实验数据和实际使用都证明，采用以P89LPC933和SG3525A为核心的控制电路设计的智能充电器，能够对铅酸蓄电池实现大电流充电,并能够根据充电过程自动调整控制参数，同时还可进行故障自诊断，可以实现充电过程中无人值守,延长电池的使用寿命。