一種單片機(jī)控制的大功率鉛酸電池充電器設(shè)計(jì)

隨著全球環(huán)保意識的增強(qiáng)，使用鉛酸電池的各種車輛不斷進(jìn)入人們的視野，然而目前世界上用于鉛酸電池的充電器卻是五花八門。這些充電器造成鉛酸電池過充或充電不足的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，后果是鉛酸電池的使用壽命降低。在大功率鉛酸電池充電器的設(shè)計(jì)中，減小功率損失，按照經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)化曲線實(shí)現(xiàn)充電，是保障鉛酸電池使用壽命的理想方法。為此,筆者設(shè)計(jì)一種單片機(jī)控制的實(shí)用大功率鉛酸電池充電器。

1 充電器的硬件結(jié)構(gòu)

在充電器初級回路的主電源設(shè)計(jì)中，采用了PFC＋移相全橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在充電器次級回路設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)對電池狀態(tài)的監(jiān)控，并能按照經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)化曲線對電池進(jìn)行充電，加入了單片機(jī)控制。這種充電器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。


在充電器的輸入回路中，加入了功率因數(shù)校正(PFC)電路，控制芯片IC選用ST公司的L4981，該IC芯片采用連續(xù)功率因數(shù)修正(CCM)的控制方式，即平均電流控制模式。在實(shí)際應(yīng)用中，這種控制方式在輸出大于250W的升壓電路中有明顯的優(yōu)勢，因此在設(shè)計(jì)大功率鉛酸電池充電器的輸入電路中常采用這種控制模式。其控制模式電路示意圖如圖2所示。圖中，V_in為市電經(jīng)整流后的直流電壓，V_s為控制芯片IC內(nèi)部振蕩器輸出信號，I_p是控制芯片IC內(nèi)部的精密電流源提供的功率限制電流，電流放大器的輸出Vc取決于取樣電阻R_p的大小即V_p的大小，所以PFC的功率輸出也就取決于R_p的大小。電路中電流放大器輸出信號Vc、振蕩器鋸齒波信號Vs和流過升壓電感的電流信號IL的關(guān)系如圖3所示。




從圖中可以看出：在時(shí)間區(qū)間ab段或cd段等奇數(shù)時(shí)間段，Vc的電壓波形在和Vs交錯(cuò)前必須是負(fù)的斜率，而V_s必須是正斜率，并且必須交錯(cuò)，否則PFC輸出信號無法得到控制。而在bc段或da段等偶數(shù)時(shí)間段，電壓Vc和Vs都是正斜率，但是Vc的斜率必須比Vs要小，這樣二者才能交錯(cuò)，否則PFC輸出信號也無法得到控制。因此在設(shè)計(jì)控制電路時(shí)，必須按照這些要求來選擇外圍電路，否則電路將不動(dòng)作或失去控制。這種控制方式的實(shí)際應(yīng)用電路圖如圖4所示。


圖中，V_in為市電經(jīng)整流后的直流輸出電壓。實(shí)踐證明，上述應(yīng)用線路可以做到上千瓦的功率輸出，并且轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到92%以上。在輸出功率為360W左右時(shí)測量的PF值和THD值如表1所示。

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在大功率的充電器設(shè)計(jì)中，功率損失也是衡量充電器性能的一項(xiàng)指標(biāo)，而功率損失的大部分消耗在開關(guān)回路中。為了減少主電路的功率損失，開關(guān)回路采用了移相全橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了以零電壓狀態(tài)打開開關(guān)管，大大減少了開關(guān)管的開關(guān)損耗。移相全橋的原理框圖如圖5所示。圖中，DA～DD為四個(gè)MOS開關(guān)的體二極管，CA～CD為四個(gè)MOS開關(guān)管的寄生輸出電容，L_R為諧振補(bǔ)償電感。此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作原理與全橋拓?fù)涞牟煌谟趹?yīng)用于對角線橋臂的驅(qū)動(dòng)信號并不是同時(shí)施加。以將要打開Q_C和Q_B的次序?yàn)槔合刃嘘P(guān)閉Q_D，此時(shí)CD被充電至+V_IN，同時(shí)CC被放電至近似0，Q_C源漏極間幾乎不存在壓差。此時(shí)以零電壓狀態(tài)打開Q_C，這時(shí)通過變壓器初級線圈的電流由DC和QC共同分擔(dān)。然后再關(guān)閉QA，此后CA被充電至+V_IN，這樣Q_B的源漏極間幾乎不存在壓差，此時(shí)再以零電壓狀態(tài)打開Q_B。利用控制打開開關(guān)管的時(shí)間差來控制輸出電壓的幅度。開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)芯片可以選取TI公司的UCCx895或UC387x。四個(gè)開關(guān)管的示意驅(qū)動(dòng)波形如圖6所示。圖中，OUTA～OUTD分別為四個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號，DLY A/B和DLY C/D分別為關(guān)閉和打開兩只串聯(lián)開關(guān)管的間隔時(shí)間。PWM A/D和PWM B/C則分別為對角線開關(guān)管的共同導(dǎo)通時(shí)間，此時(shí)間的長短決定輸出功率的大小。

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在充電器的次級輸出回路設(shè)計(jì)中加入了集成PWM和A/D轉(zhuǎn)換功能的智能單片機(jī)控制。例如PHILPS半導(dǎo)體公司的P89LPC93X系列單片機(jī)，它內(nèi)部集成了振蕩器、看門狗、PWM、A/D轉(zhuǎn)換等系統(tǒng)級功能，大大減小了外部元器件的數(shù)目，節(jié)約了電路板的面積。同時(shí)單片機(jī)內(nèi)部配置了FLASH存儲(chǔ)器，并且具備在電路編程(ICP)的功能，只需在硬件設(shè)計(jì)中設(shè)置一個(gè)ICP連接器，就可以在線更改程序數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)調(diào)試過程中，也無需將單片機(jī)從系統(tǒng)中取出即可更改PWM輸出值，使充電曲線更逼近經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)化曲線。

2 充電器的軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，應(yīng)用P89LPC93X單片機(jī)的PWM輸出控制充電器的輸出電壓值和電流值，利用A/D轉(zhuǎn)換功能實(shí)時(shí)檢測鉛酸電池的充電深度、電池溫度等參數(shù)，并根據(jù)電池狀態(tài)對充電曲線進(jìn)行調(diào)整，使充電過程能夠按照經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)化曲線進(jìn)行。對于不同類型的電池，對其充電的優(yōu)化曲線也不盡相同，可以在程序中設(shè)置不同的充電曲線子程序，在硬件上設(shè)置不同類型電池的控制開關(guān)作為對充電曲線的選擇。對于充電曲線的軟件設(shè)計(jì)，基本的程序流程如圖7所示。

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對程序軟件的編制，最好采用C語言進(jìn)行開發(fā)。C語言支持多種數(shù)據(jù)類型，可以方便地更改單片機(jī)PWM的輸出值，更精確地對充電器的輸出進(jìn)行控制。另外C語言對于處理子程序的選擇和跳轉(zhuǎn)非常靈活，可移植性也非常好，為以后添加更多的功能提供了方便。

實(shí)際充電器產(chǎn)品按照經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化曲線對Trojan 公司的36V 335AH電池的充電過程的實(shí)測曲線圖如圖8所示。

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在大功率鉛酸電池的充電器設(shè)計(jì)中，主電路采用功率因數(shù)校正(PFC)+移相全橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，充電器的輸出采用單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的狀態(tài)，使充電過程按照理想的優(yōu)化曲線進(jìn)行，一方面提高了充電器的效率，保證了足夠的功率輸出，另一方面又保護(hù)了電池，延長了電池壽命。這種設(shè)計(jì)方法具有很強(qiáng)的參考性和實(shí)用性。