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铅酸蓄电池的智能充电电路

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Answer 1

为延长蓄电池的使用寿命，综合浮充和循环充两种充电方式的优点，提出和分析了快充、慢充和涓流充三个阶段的充电过程，并据此设计了应用单片机PIC16C54进行PWM控制的智能型铅酸蓄电池充电器。经多种试验，充电效果良好。
1、常规充电方式
铅酸蓄电池的常规充电方式有两种：浮充（ 又称恒压充电）和循环充电。
1、浮充时要严格掌握充电电压， 如额定电压为12V的蓄电池，其充电电压应在13.5～13.8V之间。浮充电压过低，蓄电池会充不满，过高则会造成过量充电。电压的调定，应以初期充电电流不超过0.3C（C为蓄电池的额定容量）为原则。
2、循环充电，其初期充电电流也不宜超过0.3C，充电的安培小时数要略大于放电安培小时数。也可先以0.1C的充电速率恒流充电数小时，当充电安培小时数达到放电安培小时数的90%时， 再改用浮充电压充电，直至充满。

2、智能型充电器的充电过程分析
充电器采用单片机控制，充电过程分为快充、慢充及涓流充三个阶段，充电效果更佳。

从图1 可以看出：在快充阶段（0～t1），充电器以恒定电流 1C 对蓄电池充电， 由单片机控制快充时间，避免过量充电；在慢充阶段（t1～t2），单片机输出PWM控制信号，控制斩波开关通断，以恒定电压对蓄电池进行充电，此时充电电流按指数规律下降，当电池电压上升到规定值时，结束慢充，进入涓流充阶段；在涓流充阶段（ t2～t3）， 单片机输出的PWM控制信号， 使充电器以约0.09C的充电电流对蓄电池充电，在这种状态下，可长时间对蓄电池充电，从而能最大限度地延长蓄电池寿命。

3、智能型充电器的工作原理
根据上述分析而设计的智能型铅酸蓄电池充电器，主要由开关稳压电源、斩波开关、控制器和辅助电源等四个部分组成，并具有过流保护、过压保护和超温保护功能。图2 为充电器原理框图，图3为充电器电路原理图。

3.1开关稳压电源
图3 所示电路中，开关稳压电源采用半桥式PWM变换电路。其工作原理是：由IC1（TL494）开关电源集成控制器的8脚和11脚输出反相的PWM信号，经三极管Q3、Q4互补放大，通过驱动变压器T2，为三极管Q1和Q2基极提供驱动信号。使Q1和Q2交替通断， 高频变压器T1的初级绕组N1就会产生约320V峰峰值方波，在T1的次级绕组N2、N3中就有感应电压产生，这个电压经D9(MUR1620)整流，C22滤波后，变为直流电压，通过斩波开关对蓄电池充电。T1次级绕组N4、N5为辅助绕组，其感应电压经D10、D11整流，C21滤波后，接至IC1的12脚，作为其工作电压(?)。
图3中， 电阻R28串接在T1次级绕组N2和N3的中间抽头与输出地之间，作用是监控快充充电电流和过流保护。恒流控制过程为：当充电电流超过恒定值1C时，R28上的压降增大， 该压降经并联电阻R24 、R25 反馈到IC1的15 脚（ 内部电流误差放大器反相输入端），使其电位变负，低于IC1的16脚（ 内部电流误差放大器同相输入端）， 则内部电流误差放大
器输出电压升高， 使IC1的 8脚和11 脚输出的PWM信号的脉冲变窄，从而缩短Q1 和Q2 的导通时间，使输出电压下降，维持充电电流恒定；随着充电时间的延长，电池电压逐渐升高，充电电流按指数规律下降，IC1 的15 脚电位按指数规律上升， 则IC1 的8 脚和11 脚输出的PWM 信号脉冲变宽，从而延长Q1 和Q2的导通时间，使输出电压升高，充电电流保持恒定。
在慢充阶段， 通过电阻R15 、R16 、R17 、R18 、C16 、C17组成电压取样电路和IC1内部电压误差放大器，使输出电压恒定。其恒压控制过程为： 取样电压输入到IC1 的1 脚（ 内部电压误差放大器同相输入端），与IC1 的2 脚（ 内部电压误差放大器反相输入端）的基
准电压比较，其误差信号放大后，经内部电路处理，使IC1的8 脚和11 脚输出的PWM 信号的脉宽改变，从而使Q1 、Q2 的导通时间改变，维持输出电压恒定。
图3 中交流220 进线端， 电容C1 、C2 、C3 、C4和电感LF组成一个LC 滤波器，用于差模——— 共模方式的RFI（ 无线频率干扰）的抑制，防止电源产生的噪声泄漏到电网，造成电网污染。
3.2斩波开关
斩波开关电路由三极管Q5 、Q6 、Q7 和电阻R29 、R30 、R31 、R32 等组成。工作过程为：IC3（PIC16C54）的6 脚输出的PWM控制信号经电阻R32 接至Q7 的基极，控制Q7 通断，从而使Q5 和Q6 亦导通或截止，充电电流流过Q6 对蓄电池（BAT）充电。改变PWM 控制信号的脉宽，使得充电电压可调。
3.3控制器
如图3 所示，控制器是由IC2（LM358 ）和IC3（PIC16C54）以及电阻电容等组成。其中IC3 采用Microchip公司生产的PIC16C54单片机。它是18 引脚封装的8 位单片机，有12 条I/O（输入= 输出）线，每条I/O 线吸收电流为25mA，驱动电流为20mA，内部EPROM 为512×12，RAM为25×8， 有可编程代码保护。
控制过程为： 快充阶段，IC3 的6 脚输出高电平，经电阻R32 接至Q7 的基极，使斩波开关导通，通过电流监控电路，以恒定电流对蓄电池充电。到达快充时间时，IC3 的6 脚输出低电平，关断斩波开关，停止充电，快充阶段结束。
慢充阶段，IC3 的6 脚输出PWM控制信号，使斩波开关以固定的占空比导通，充电器以恒定电压对蓄电池充电，此时充电电流随着蓄电池电压的上升，按指数规律下降。当蓄电池电压上升到规定值时， 由电阻R33 、R34 、R35 对蓄电池电压取样后， 送至比较器IC2 的3 脚（ 同相输入端）， 与2 脚（ 反相输入端）的基准电压比较，则1 脚输出高电平，
IC3 的17 脚输入高电平，经软件滤波和延时，判断检测无误后， 结束慢充。
涓流充阶段，IC3 的6 脚输出PWM 控制信号，使斩波开关以较小的占空比导通，将充电电流维持在0.09C 左右，对蓄电池充电。
超温保护是通过附加在蓄电池上的正温度特性热敏电阻RT2 、R36 、R37 实现的。当电池温度升高时，热敏电阻RT2 的阻值增大，则IC2 的5 脚（ 同相输入端）电位上升；若电池温度升高到规定值时，5 脚电位高于6 脚（ 反相输入端）电位，则7 脚输出高电平，IC3 的18 脚输入高电平，则IC3 的6 脚输出PWM 信号，使充电器以浮充电压对蓄电池充电，有效地保护了蓄电池。
本充电器用发光二极管表示充电状态。即快充和慢充阶段， 绿色发光二极管G 点亮； 涓流充阶段，黄色发光二极管Y 点亮。图4 所示为程序流程。
3.4 辅助电源
辅助电源由工频变压器T3 、整流元件B2 、滤波元件C27 、C28 和三端稳压集成电路IC4（ 7805 ）组成，为单片机提供（+5V ）电源电压。采用这种为单片机单独供电方式，可以增强抗干扰能力，提高可靠性。同时为单片机提供50Hz 计时脉冲信号。
4 综合实验
图2 所示电路可给12V/4Ah 的铅酸蓄电池充电，最大充电电流限制为4A ，最大输出电压为18V 。充电开始时，充电器以4A 电流对蓄电池快速充电约25 分钟；然后以14.7 V 的恒定电压对蓄电池进行慢充，直至蓄电池电压上升到12.8V，结束慢充; 最后充电器以14.1V电压对蓄电池涓流充电。温度保护点为45℃ ；当蓄电池温度升高到45℃ 时， 单片机控制充电电压下降到14.1V，随着温度的回落，充电电压恢复到保护前的状态继续充电。该充电器对上述蓄电池充电比普通充电器缩短了约2/5 的时间。
铅酸蓄电池的型号不同， 充电要求不完全相同，在设定快充时间和最大充电电流等参数时，要经过反复试验，才能达到最佳充电效果，使电池寿命得到延长。本充电器经过多种综合试验，充电效果良好，适用于对多种蓄电池充电。