基于PIC单片机的智能充电器的设计与实现

1 引言

铅酸蓄电池是目前大容量电池的主要品种，其制造成本低、容量大、价格低廉，使用范围非常广泛。铅酸蓄电池的基本充电方式有两种：恒压充电和恒流充电。如果单独采用一种方法，比如恒流法，则在充电后期由于充电电流不变，容易使容量下降而提前报废。单独采用恒压法，充电初期电流过大，可能致使电极活性物质脱落，后期电流又过小，形成长期充电不足，影响蓄电池的使用寿命[1]。因此，充电器大部分都是综合采用两种方法的多阶段充电方式。近年来，先恒流、再恒压、最后恒压浮充的三阶段充电方式被逐渐接受。

目前，三阶段充电方式主要采用模拟控制的方案。虽然具有实时性好、带宽高的优点，但其硬件电路复杂，控制不灵活。为此，本文设计了一种数字控制的充电器，采用单片机作为控制回路的核心，通过电压、电流实时采样，从而控制输出电压和输出电流，实现了三阶段充电策略，可智能灵活的控制蓄电池的充电，提高蓄电池的利用效率，并有助于提高蓄电池的使用寿命和性能。

2 充电器电源结构

系统的总体设计框图如图1所示。主要由3部分组成：第一部分为开关电源部分，采用反激DC/DC变换器；第二部分为电压、电流采样电路；第三部分为单片机核心的PWM输出，再经驱动电路驱动反激电路。

图1  充电器电路总体设计框图

系统由电压采样电路、电流采样电路实时分别采样电压、电流，将采样的电压、电流各自送单片机的RA0、RA1,经过单片机内部的A/D转换模块转化为数值，然后根据编写的软件进行对应操作，由PWM模块得到相应的占空比，再由RC2将占空比送到驱动电路，用于驱动反激电路的开关管，从而在输出端得到相应的电压或电流对铅酸蓄电池进行充电。

3 数字控制电路结构

数字控制电路通过相应信号的获取和输出，监测和控制充电器对应的工作过程，使其能自适应工作。然而，主电路输出是模拟信号，单片机能够处理的却是数字信号，因此在处理信号之前，必须先通过模数转换器(ADC)将模拟信号转变为数字信号。假定ADC字长为N，则模数转换精度为1/2N，N越大精度也越高，但价格越贵。数字控制器PWM单元的时间分辨率及模数转换精度，决定了充电器的输出电压、输出电流、输出功率的精度。为了同时满足精度需求及降低成本的考量，需要选择合适位数的ADC和PWM数字控制器。

ADC转换器选定后，需要选择PWM位数。如果PWM位数太小，将导致输出电压在某一电压值附近上下波动，造成极限环现象，输出电压将发生周期性抖动，进而影响到采样数据，最终影响到整个系统的处理精度。因此，PWM单元分辨率越高越好。

PWM位数N与频率fPWM满足下式：。式中，fclk表示单片机的时钟频率。PR2为单片机PWM周期寄存器，fPWM越高存入PR2的值越小。设存入PR2的值为M，则最大分辨率为分频值f/M。由此可见，频率不一定越高越好，过高的频率会降低PWM分辨率。PWM输出的频率与分辨率之间的关系如表1所示。

表1 PWM频率与分辨率的关系（fclk=40MHz）

为了保证足够高的分辨率，保证输出电压纹波受PWM分辨率的影响小于输出滤波电容的影响，本设计选用10位PWM。

同时，考虑到其它需求，本系统对数字控制器的具体要求主要包括：（1）内置ADC模块，至少2个ADC信道，精度在10位以上；（2）至少内置1个PWM单元，PWM精度在10位以上；（3）至少两个定时器；（4）有中断优先级设置；（5）至少5个I/O口；（6）价格低于50元人民币。

综合考虑以上因素，选择microchip公司的PIC18F2620作为数字控制芯片。PIC18F2620的主要性能有：10个10位的ADC信道；最高外接时钟频率可达到40M：1024字节的数据EEPROM，用于储存可变数据；可延长电池寿命的低功耗强化设计，睡眠模式下耗电仅为100nA等等，其性能满足系统需要。

4 系统软件设计

4.1 主程序设计

三阶段充电，开始时采用恒流充电，中间为恒压充电，最后采用浮充充电。该充电法减少了充电出气量，充电比较彻底，延长了蓄电池使用寿命。三阶段充电法充电电流和充电电压变化曲线如图2所示。

图2 三阶段充电特性图

根据三阶段充电的原理，画出系统的主程序流程图，如图3所示。(其中Um为蓄电池的最大电压上限，Ubat为恒压充电门限，Ibat为恒流充电门限，其值一般取蓄电池容量的1/10。)

单片机系统的主程序，主要用于A/D采样初始化、PWM初始化、定时和中断系统、定时器的初值设定，然后一直检测充电器的电压与电流，进行三阶段的自适应充电。

程序中需要注意一下问题。

（１）因为需要同时采样电压和电流２个变量，此时可根据PIC18F2620的采样单元特点，可通过直接改变A/D控制寄存器ADCON0.2~3位进行更换通道，其速度快、花费时间少。

（2）中断系统是程序的重点部分。由于采样单元不可能一直工作，这样既浪费单片机的运算能力又影响其它部分的工作，使系统的工作效率低下。为了使单片机更有效率的工作，系统采用定时中断的工作方式：利用TMR0定时器进行定时，固定一定的时间后进入中断。目前，市面上的单片机一般都存在中断优先级，比如系统采用的PIC18F2620有2个优先级，可以通过设置不同的中断向量进行不同优先级的操作。对应的高优先级中断服务子程序，使TMR0复位，并载入相应的初值，进入下一次的定时状态。低优先级中断服务子程序，则是复位A/D模块使能位，读取并存储A/D转换结果，然后判别相应的电压、电流采样值所处的阶段，最后经过各个阶段对应的PI调节修改占空比。

图3 主程序流程图

4.2 采样子程序

采样处理后的电压、电流信号，不可避免的存在系统所带来的噪声和干扰，为了准确的测量和控制，必须滤除这些噪声和干扰。除了在硬件电路上进行滤波，还可采用软件滤波或称为数字滤波。常用的数字滤波方法有很多，本系统采用了平均值法：多次采样后排序，再去掉最大和最小值之后求平均值的方法，提高了采样精度。

4.3  PI子程序

为了消除积分饱和的影响，本系统采用增量式PI控制算法，并利用遇限削弱的方法。

遇限削弱积分PI算法，实际上是一旦控制量进入饱和区范围，则停止增大积分项的运算而只执行削弱积分项的运算[5]。PI程序流程图如图4所示。

图4  PI控制算法流程图

5 实验结果与分析

采用以上介绍的方法制作样机，对YTX7A-BS/12V-7AH的铅酸蓄电池充电。

主电路参数如下：输入电压Uin=24V，电路工作频率f=50kHz，采用EI33磁芯，原边电感Lp=212μH，副边电感Ls＝112μH，开关管采用IRF840，输出电容采用1000μF/25V的电解电容。

图5为样机给铅酸蓄电池充电变化曲线图，横轴为充电时间，左边Y轴为蓄电池电压，右边Y轴为充电电流。

图5 蓄电池充电变化曲线

从图5可知，根据程序设计要求，在充电的初始阶段，充电器先进行恒流充电，蓄电池电流保持为0.7A左右。此后，当蓄电池电压超过恒压充电门限14.4V，转为恒压充电，充电电压保持为14.4V，充电电流不断下降。同时，通过RA1不断检测充电电流，当充电电流降到0.1A以下时，表明蓄电池已充满电。这时，为了补充蓄电池的自放电，转为浮充充电，充电电压保持于13.7V。根据以上结果分析表明：本文所提出的铅酸蓄电池三阶段自适应数字控制方案是有效的，充电器能够根据蓄电池所处的实际状态来选择对应的充电方式（恒流，恒压充电和浮充）进行充电。

6 结语

相对于传统的模拟控制的铅酸蓄电池充电器，采用数字控制的充电器大大提高了控制系统的灵活性、可靠性、稳定性等。随着控制方案与功能整合的不断完善以及单片机价格的逐渐降低，采用单片机的数字控制充电器将成为今后一个重要的研究方向。

参考文献

[1] 胡恒生，王慧，赵徐成，吕瑞强. 蓄电池充电方法的分析和探讨[J]. 电源技术应用，2009,12（8）：1-4.

[2] 陈坚. 电力电子学――电力电子变换和控制技术[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[3] 孟建辉,刘文生. 反激式变换器 DCM与CCM模式的分析与比较[J]. 通讯电源技术，2010，27（6）：33－38.

[4] 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，2001.

[5] Cook,B. New Developments and Future Trends in High-Efficiency Lighting. IEEEngineering Science and Education Journal,2000,9:207-217.■