一種單片機控制的大功率鉛酸電池充電器設計

隨著全球環保意識的增強，使用鉛酸電池的各種車輛不斷進入人們的視野，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象時有發生，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計中，減小功率損失，按照經驗的優化曲線實現充電，是保障鉛酸電池使用壽命的理想方法。為此,筆者設計一種單片機控制的實用大功率鉛酸電池充電器。

1 充電器的硬件結構

在充電器初級回路的主電源設計中，采用了PFC＋移相全橋的拓撲結構，在充電器次級回路設計中，為了實現對電池狀態的監控，并能按照經驗的優化曲線對電池進行充電，加入了單片機控制。這種充電器的硬件結構框圖如圖1所示。


在充電器的輸入回路中，加入了功率因數校正(PFC)電路，控制芯片IC選用ST公司的L4981，該IC芯片采用連續功率因數修正(CCM)的控制方式，即平均電流控制模式。在實際應用中，這種控制方式在輸出大于250W的升壓電路中有明顯的優勢，因此在設計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為市電經整流后的直流電壓，V_s為控制芯片IC內部振蕩器輸出信號，I_p是控制芯片IC內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的關系如圖3所示。




從圖中可以看出：在時間區間ab段或cd段等奇數時間段，Vc的電壓波形在和Vs交錯前必須是負的斜率，而V_s必須是正斜率，并且必須交錯，否則PFC輸出信號無法得到控制。而在bc段或da段等偶數時間段，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，否則PFC輸出信號也無法得到控制。因此在設計控制電路時，必須按照這些要求來選擇外圍電路，否則電路將不動作或失去控制。這種控制方式的實際應用電路圖如圖4所示。


圖中，V_in為市電經整流后的直流輸出電壓。實踐證明，上述應用線路可以做到上千瓦的功率輸出，并且轉換效率可達到92%以上。在輸出功率為360W左右時測量的PF值和THD值如表1所示。

????????????????????


在大功率的充電器設計中，功率損失也是衡量充電器性能的一項指標，而功率損失的大部分消耗在開關回路中。為了減少主電路的功率損失，開關回路采用了移相全橋的拓撲結構。此種拓撲結構實現了以零電壓狀態打開開關管，大大減少了開關管的開關損耗。移相全橋的原理框圖如圖5所示。圖中，DA～DD為四個MOS開關的體二極管，CA～CD為四個MOS開關管的寄生輸出電容，L_R為諧振補償電感。此種拓撲結構工作原理與全橋拓撲的不同在于應用于對角線橋臂的驅動信號并不是同時施加。以將要打開Q_C和Q_B的次序為例：先行關閉Q_D，此時CD被充電至+V_IN，同時CC被放電至近似0，Q_C源漏極間幾乎不存在壓差。此時以零電壓狀態打開Q_C，這時通過變壓器初級線圈的電流由DC和QC共同分擔。然后再關閉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，此時再以零電壓狀態打開Q_B。利用控制打開開關管的時間差來控制輸出電壓的幅度。開關管的驅動芯片可以選取TI公司的UCCx895或UC387x。四個開關管的示意驅動波形如圖6所示。圖中，OUTA～OUTD分別為四個開關管的驅動信號，DLY A/B和DLY C/D分別為關閉和打開兩只串聯開關管的間隔時間。PWM A/D和PWM B/C則分別為對角線開關管的共同導通時間，此時間的長短決定輸出功率的大小。

??????????????????????



在充電器的次級輸出回路設計中加入了集成PWM和A/D轉換功能的智能單片機控制。例如PHILPS半導體公司的P89LPC93X系列單片機，它內部集成了振蕩器、看門狗、PWM、A/D轉換等系統級功能，大大減小了外部元器件的數目，節約了電路板的面積。同時單片機內部配置了FLASH存儲器，并且具備在電路編程(ICP)的功能，只需在硬件設計中設置一個ICP連接器，就可以在線更改程序數據，在生產調試過程中，也無需將單片機從系統中取出即可更改PWM輸出值，使充電曲線更逼近經驗的優化曲線。

2 充電器的軟件設計

在軟件設計中，應用P89LPC93X單片機的PWM輸出控制充電器的輸出電壓值和電流值，利用A/D轉換功能實時檢測鉛酸電池的充電深度、電池溫度等參數，并根據電池狀態對充電曲線進行調整，使充電過程能夠按照經驗的優化曲線進行。對于不同類型的電池，對其充電的優化曲線也不盡相同，可以在程序中設置不同的充電曲線子程序，在硬件上設置不同類型電池的控制開關作為對充電曲線的選擇。對于充電曲線的軟件設計，基本的程序流程如圖7所示。

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

實際充電器產品按照經驗優化曲線對Trojan 公司的36V 335AH電池的充電過程的實測曲線圖如圖8所示。

??????????????????
在大功率鉛酸電池的充電器設計中，主電路采用功率因數校正(PFC)+移相全橋的拓撲結構，充電器的輸出采用單片機控制，實現了實時監控電池的狀態，使充電過程按照理想的優化曲線進行，一方面提高了充電器的效率，保證了足夠的功率輸出，另一方面又保護了電池，延長了電池壽命。這種設計方法具有很強的參考性和實用性。