0 引言

　　由于鉛酸蓄電池維護(hù)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉,、供電可靠,、使用壽命長(zhǎng)，廣泛作為汽車(chē),、飛機(jī),、輪船等機(jī)動(dòng)車(chē)輛或發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)電源，也在各類(lèi)需要不間斷供電的電子設(shè)備和便攜式儀器儀表中用作一些電器及控制回路的工作電源,。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,，大容量蓄電池的應(yīng)用迅速增加，人們希望能快捷,、安全地對(duì)蓄電池進(jìn)行充電,，而現(xiàn)有市場(chǎng)銷(xiāo)售的充電器充電電流多為20A。為了滿足人們對(duì)大功率充電器的需求,，設(shè)計(jì)了一款基于LPC933 充電電流50A,、充電功率740W、功能完善,、可擴(kuò)充的智能充電器,。

　　1 充電器原理與設(shè)計(jì)

　　1.1 總體硬件設(shè)計(jì)

　　由于充電對(duì)象是鉛酸蓄電池，設(shè)計(jì)中采用電流,、電壓負(fù)反饋的方法來(lái)達(dá)到恒流,、恒壓充電的目的，并對(duì)充電過(guò)程各種工作參量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及智能多段式充電策略的精確控制,，應(yīng)用了LPC933單片機(jī)及相應(yīng)的控制電路,。充電器硬件原理圖如圖1 所示。

　　
圖1 充電器原理圖

　　充電器電路主要包括主電路,、信號(hào)控制兩部分,。主電路部分由橋式整流,、PWM波形產(chǎn)生和直流濾波等組成。單相電源為220 V交流電時(shí),，開(kāi)關(guān)K1閉和,，單相電源為110 V時(shí)，開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi),，經(jīng)全橋整流為300 V左

右的直流電,，由大電容進(jìn)行低頻濾波穩(wěn)壓，圓只MOS 器件S1,、S2 組成半橋逆變器,。PWM波形產(chǎn)生部分由SG3525根據(jù)反饋電壓產(chǎn)生，通過(guò)給MOS 管S1,、S2 加高頻方波控制信號(hào),，使S1和S2 周期性地導(dǎo)通，可得到脈寬可調(diào)的高頻交流電,，經(jīng)高頻變壓器耦合到副邊,，再經(jīng)整流管D2和D3整流，L1 和C4濾波,，在輸出側(cè)得到低紋波直流電壓,。顯示模塊是用來(lái)顯示電池的當(dāng)前電壓與充電電流，顯示狀態(tài)由面板上實(shí)現(xiàn)按鈕啟動(dòng),。

　　1.2 電路功能設(shè)計(jì)與分析

　　1.2.1 PWM 寬度設(shè)置

　　脈寬調(diào)制控制電路采用開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用集成芯片SG3525,，SG3525有兩路驅(qū)動(dòng)輸出，OUT-A 與OUT-B 反向輸出,，可設(shè)置死區(qū)時(shí)間,。控制過(guò)程主要是移動(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)通的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率,。移相PWM的相移控制是通過(guò)誤差放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,，誤差放大器的同相端E/A+（腳2）接由單片機(jī)控制輸出的電壓信號(hào)。反相端E/A-（腳1）接主電路輸出電流或電壓的反饋信號(hào),，電流和電壓負(fù)反饋信號(hào)之間的切換由肖特基二極管D1 的導(dǎo)通截止實(shí)現(xiàn),。反饋信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)電位比較，差值經(jīng)放大輸出,，送至移相脈寬控制器,，控制OUT-A與OUT-B 之間的相位，最終調(diào)整波形占空比,，使電壓和充電電流穩(wěn)定在預(yù)定值上,。

　　1.2.2 電流采樣

　　電流采樣是大電流充電器的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常采用電阻采樣,，但在50A 以上的大電流電路中是難于適用的,。為此,，設(shè)計(jì)了在高頻變壓器的初級(jí)線圈處增加環(huán)形電流互感器，匝數(shù)比為1：50,，不僅達(dá)到精確電流采樣的作用,，還使采樣功耗控制在0.5W以內(nèi)。

　　1.2.3 限流保護(hù)措施

　　正常情況下,，開(kāi)關(guān)電源應(yīng)工作在額定輸出功率范圍之內(nèi),，避免電源工作在超出正常輸出狀態(tài)，但在實(shí)際工作中很難預(yù)測(cè),，故電路將高頻變壓器輸出的電流經(jīng)電流互感器耦合輸出,，再經(jīng)二極管整流，電容濾波及電阻分壓后,，與比較器的同相端電壓進(jìn)行比較,，當(dāng)輸出電壓過(guò)高時(shí)，SG3525停止輸出方波驅(qū)動(dòng)信號(hào),，從而保護(hù)電路,。

　　1.2.4 散熱問(wèn)題

　　研發(fā)初期發(fā)現(xiàn)，逆變器主要部件兩個(gè)大功率開(kāi)關(guān)管S1 和S2 及直流輸出部分的全波整流管D2和D3,，在充電電流大于30粵時(shí)出現(xiàn)過(guò)熱問(wèn)題，無(wú)法滿足老化要求,。經(jīng)過(guò)硬件反復(fù)調(diào)試發(fā)現(xiàn),，從以下幾個(gè)方面可以有效解決過(guò)熱的問(wèn)題。

　?。?）增加交流共模濾波電感,，調(diào)試發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的高頻干擾信號(hào)是造成逆變器開(kāi)關(guān)管溫升異常的重要原因；

　?。?）在直流輸出端,，增加濾波電感后，發(fā)現(xiàn)有效地減輕了開(kāi)關(guān)管和全波整流管的負(fù)荷,；

　?。?）增加散熱面積。使開(kāi)關(guān)管金屬面通過(guò)導(dǎo)熱膠片壓在金屬外殼上,；

　?。?）風(fēng)冷。

　　經(jīng)過(guò)以上4 個(gè)方面的改進(jìn),，測(cè)試證明充電電流達(dá)到60粵時(shí)能持續(xù)工作4h 以上,，完全滿足老化的設(shè)計(jì)要求。

　　2 充電控制技術(shù)

　　2.1 充電算法

　　充電控制技術(shù)是智能充電器系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)的核心部分,。根據(jù)充電電池的原理,，同種工藝的電池理想的充電曲線大致相似,，而具體的電壓數(shù)值有所差別的特點(diǎn)，應(yīng)用信息技術(shù)進(jìn)行控制,，可達(dá)到最佳充電效果,。為實(shí)現(xiàn)大電流充電，又要保護(hù)電池,，蓄電池采用圖2 所示的充電方式,，充電階段可以分成4 個(gè)階段。

　　
圖2 充電曲線圖

       2.1.1 涓流短時(shí)充電

　　充電器開(kāi)始工作后,，首先檢測(cè)蓄電池的電池電壓,，若電池電壓低于9.5V，充電器不工作,。若電池電壓大于怨.5V而小于10.5V,，說(shuō)明蓄電池曾經(jīng)過(guò)度放電，為避免對(duì)蓄電池充電電流過(guò)大,，造成熱失控,，微處理器通過(guò)監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓，對(duì)蓄電池實(shí)行穩(wěn)定小電流涓流充電,，激活蓄電池,。在涓流充電階段，電池電壓開(kāi)始上升,，當(dāng)電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時(shí),，則轉(zhuǎn)入恒流充電階段。

　　2.1.2 恒流充電

　　該階段為大電流恒流充電,，電流值為I2 ,，因蓄電池容量而異，一般為I2 越0.1C（C 為蓄電池組的容量）,，持續(xù)時(shí)間為T(mén)2,，在恒流充電狀態(tài)下，不斷檢測(cè)電池端電壓,，當(dāng)電池電壓達(dá)到飽和電壓時(shí),，恒流充電狀態(tài)終止。

　　2.1.3 恒壓充電

　　該階段為恒壓充電,，電壓值為14.7V,，它是蓄電池節(jié)數(shù)與蓄電池溫度的函數(shù)，這時(shí)充電電流逐漸減小,，恒壓充電時(shí),，保持充電電壓不變。充電電流不斷下降，當(dāng)充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10 時(shí),，終止恒壓充電,。

　　2.1.4浮充電

　　該階段主要用來(lái)補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量，電池電壓達(dá)到13.8V時(shí),，此時(shí)標(biāo)志著充電過(guò)程結(jié)束,。

　　2.2 充電終止控制

　　電池在充滿電后，如果不及時(shí)停止充電,，電池的溫度將迅速上升,。溫度的升高將加速蓄電池板柵腐蝕速度及電解液的分解，從而縮短電池壽命,、容量下降,。為了保證電池充足電又不過(guò)充電，采用具有定時(shí)控制,、溫度控制和電池電壓,、電流控制功能的綜合控制法。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　因?yàn)椴煌N類(lèi)的電池有不同的充電特性,，所以充電器要能根據(jù)具體電池的類(lèi)型,，控制不同的充電狀態(tài)。在充電的關(guān)鍵階段采用了模糊控制方法,，這些通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn),。充電主程序流程圖如圖猿所示。程序具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)首先進(jìn)行初始化,，然后對(duì)蓄電池的電壓進(jìn)行測(cè)量,，產(chǎn)生電壓偏差和變化率信號(hào)，偏差及變化率信號(hào)進(jìn)入模糊控制器后,，經(jīng)過(guò)模糊處理，輸出電流信息,，從而適時(shí)和正確地控制充電方式和過(guò)程,。參照充電曲線圖（圖2），在充電過(guò)程中不斷檢測(cè)電池是否充滿,，當(dāng)檢測(cè)己經(jīng)充滿時(shí),，提示用戶電池已充足，充電器自動(dòng)進(jìn)入浮充維護(hù)狀態(tài),。若在充/供電過(guò)程時(shí)出現(xiàn)故障,，LPC933 微控制器會(huì)及時(shí)停止輸出并報(bào)故障。模糊處理和終止條件的判決為整個(gè)智能充電器的關(guān)鍵,，關(guān)系著充電器性能的好壞,。

　　
圖3 充電主程序流程圖

　　4 充電器的硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)

　　根據(jù)生產(chǎn)商的銷(xiāo)售市場(chǎng)主要面對(duì)歐美市場(chǎng)同時(shí)兼顧國(guó)內(nèi)的特點(diǎn)，硬件設(shè)計(jì)采用跳線的方式使產(chǎn)品可以適應(yīng)110~220災(zāi)的電源和12~36V的電池。110/220V的交換開(kāi)關(guān)K1（如圖1所示）,，可以實(shí)現(xiàn)110V的倍壓整流和220V的全波整流的切換,。

　　直流輸出電路有可擴(kuò)展端口，可以通過(guò)串,、并聯(lián)的方式,，生產(chǎn)出不同規(guī)格的充電器?？煽氐某潆婋娏?，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RW1（如圖1 所示），調(diào)高或降低負(fù)反饋的電壓值,，可以實(shí)現(xiàn)充電電流在園耀50 A范圍內(nèi)的任意設(shè)定,。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展以及移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī),、電動(dòng)自行車(chē)等高附加值產(chǎn)品的普及,，越來(lái)越多的產(chǎn)品需要充電的同時(shí)，也要求盡可能地延長(zhǎng)電池的壽命,。Power Smart公司根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論：若采用合適的充電方式,，電池的使用壽命大約可提高30%。大量的實(shí)驗(yàn)表明：采用以LPC933 和SG3525 為核心的控制電路設(shè)計(jì)的智能充電器,，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鉛酸電池進(jìn)行大電流的充電,，并能夠根據(jù)充電過(guò)程自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)以及故障自診斷，可以實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程的無(wú)人值守,，延長(zhǎng)電池的使用壽命,。這種技術(shù)推廣到市場(chǎng)，必將占有一定的市場(chǎng)份額,，從而帶來(lái)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,。

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