一种单片机控制的铅酸蓄电池充电电源

1、一种单片机控制的铅酸蓄电池充电电源摘要：为了有效地提升铅酸蓄电池的使用寿命，同时实现对充电过程的监控，设计出 一种用单片机控制的36 V铅酸蓄电池充电电源。本电路采用反激式拓扑，连续电流工作模 式，电源管理IC设计在电源的副边，由ELAN公司的EM78P258N单片机模拟，是用可编 程器件模拟电源管理IC，实现智能电源低成本化的一次成功尝试，通过对单片机的软件设 计实现了充电电源的状态显示、充电时间控制、报警、过温保护、过压保护、过流保护等功 能。本充电器真正的实现了铅酸蓄电池的三段式充电过程，其最高输出功率可达90 W，效 率约85%，成本不到20元，具有很高的市场竞争力。关键词：铅酸蓄电池

2、；充电电源；单片机；电源管理IC铅酸蓄电池由于其制造成本低，容量大，价格低廉而得到了广泛的使用。但是，若使用 不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有 效延长蓄电池的使用寿命。研究发现：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响 较少。也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是充坏”的。由此可见，一个好的充电 器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。目前比较被认可的充电曲线如图1所示。也即常说的三阶段充电法：在充电开始和结束 时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶 段。这种方法可以将出气量减到最少，最大限度的

3、保护蓄电池的寿命。VI-2时4A恒恒压44.6tO.2V, T -S J1 - -S,-/漕充妇一4槌40 -L 0-1拧 -wnu r -，七L，1 2 3 4 5 6 7 B 9 ID i/iiK1扬V爵酸蓄联摘的熊慈充电曲践传统的3842式充电器性能可靠，价格低廉，但却只能实现充电曲线的前两个阶段，无法 实现浮充（涓流）阶段，而且无法实现智能控制。市场上的一些所谓的智能充电器，又无一例 外的价格高昂，没有市场竞争力。本文介绍了一种采用单片机做电源管理IC的智能充电器， 可以真正的实现三段式充电过程，并且具有状态显示、充电时间控制、报警等功能，而且整 机成本不到20元，极具市场竞争力。1电

4、源设计方案1. 1总体方案简介采用单片机做电源管理IC，瓶颈问题是单片机的运算速度较慢，当负载出现突变时无法 及时做出调节，而本例的负载是电池，给电池进行充电的过程恰好不会出现负载突变这个问 题，这使得采用单片机作为电源管理IC成为可能。由于本电路的输出功率小于100 W，所以采用反激式拓扑形式，反激式拓扑最大的优点 是不需要输出滤波电感，这使得反激式拓扑的成本较低，体积较小。电源管理IC设计在电路副边，由ELAN品牌的EM78P258N单片机模拟，单片机的运算频率设定为8 MHz。 EM78P258N是一款具有很高性价比的单片机，其工作频率最高可达20 MHz（外接振荡器 模式），内部设置了

5、 4个12位精度的AD转换器、2KX13位片内寄存器、3个八位、一个十 六位计时器和一个PWM波形发生器，具有看门狗功能。电路的初级和次级由变压器进行隔 离，变压器不仅结构简单，而且很容易实现初次级3 000VAC的抗电强度。该充电器最高 输出约可为45 V/2 A，并可根据实际需要进行调节。本充电器的开关频率设为40 KHz， 每个周期被等分为200个部分，PWM每次可以调节1/200个周期，即125 ns。本充电器的电路如图2所示。市电输入经桥式整流后，形成约300 V直流电压。本电 路的整流滤波电路与通常有所不同，对蓄电池充电器来说，整流后的100 Hz脉动电流没必 要滤除干净，100

6、Hz的脉动电流对蓄电池充电不仅无害，反而有利，在一定程度上可起到 脉冲充电的效果，使充电过程中蓄电池的化学反应有缓冲的机会，防止连续大电流充电形成 的极板硫化现象。捆2充也器地蛹邕单片机初始工作电压，是由负载电池提供的，当没有接上负载电池时，本充电器不会工 作。由于单片机EM78P258N芯片的采样精度与它的供电的电源纹波有关，这里采用7805 芯片给它供电。EM78P258N芯片输出的PWM脉冲的高电平为5V，而IRF840的开通电 压为4V，但由于EM78P25 8N芯片的输出信号要先经过放大电路，再经过信号变压器的耦 合，才去驱动开关管IRF840，PWM波形难免会出现畸变。为了降低损耗

7、，这里将信号放 大电路的电压设置为20 V，经测试，此举会大大提高电路的效率，此20 V电压由7820芯 片提供。7805芯片和7820芯片的输入均接到本充电器的输出端（图2中未绘出）。 EM78P258N芯片的6脚和7脚用来控制信号灯，通过观察两个信号灯的开灭状态就可以 知道本电路工作在哪个阶段下。11脚被设定为警报控制信号端，当电池充电过程完成，或 者充电器出现故障时，此脚控制警报器发出不同的报警声。4个AD转换器中，13脚用来采 集电压信号，14脚用来采集电流信号，1脚用来采集温度信号，2脚闲置，可用于以后的功 能升级。3脚用来监控220VAC市电，当充电器断电后，单片机进入休眠状态。电

8、流采样电 阻还可以完成假负载的功能。本电路在市电和蓄电池均联接上后，才开始工作，蓄电池和市电任一个断开，电路即停 止工作，可靠性较好。1. 2单片机软件的设计由于EM78P258N芯片并不是专用的电源管理IC，所以在程序设计时，一定要尽可能将 所有可能出现的工作状态全部考虑到。由于单片机的运算速度的限制（在本例中，一个指令 周期为125 ns），不可能实现特别准确的电压或电流输出，但对于铅酸电池来说，适当的电 压或电流纹波反而有利于消除极板硫化现象。软件控制流程如图3所示。当蓄电池接上后，单片机开始工作，初始化后，PWM缓慢打 开，然后检测电流采样电阻上的电压，将电路的输出电流控制到1. 82

9、 A之间，同时检测 输出电压并计时，如果电路输出电压到达42 V的时间小于10 s，就认为这个电池本身就满 的，程序直接转到涓流状态。当电路的输出电压达到43 V后，程序转到恒压充电阶段，此 阶段将电路的输出电压控制到4345 V之间，同时检测输出电流并计时，当输出电流小于 200 mA时，程序转到恒压转涓流阶段。由于在恒压阶段，电池已经被浮充到了44.6 V左 右，而涓流阶段的电压要求为41. 4 V左右，如果恒压阶段结束后直接转到涓流阶段，就会 出现电池的电压高于充电器输出电压的情况，充电电流为零，强迫程序结柬。所以在恒压阶 段结束后，程序先进入一个恒压转涓流阶段，在此阶段，将充电电流控制

10、到80100 mA 之间，随着充电电流的下降，电池两端的电压也会下降，当电池两端的电压降至40 V以下 时，程序转到涓流阶段继续对电池进行充电，从而真正实现了三段式的充电模式。涓流阶段 持续半小时或者充电电流小于50 mA后，单片机在蜂鸣提示后，进行到睡眠状态，充电过 程结束。在单片机的整个工作过程，充电器的输出电压和输出电流一直被监控，如果单片机的程 序末完成，蓄电池即被取下，这时开关管开通时储存在变压器里的能量无法被充分释放，长 时间后会导致变压器的磁饱和，继而烧毁充电器。所以在程序中，设定当充电电流为零，充 电过程即强制结束。如果检测到充电器的输出电压过高或输出电流过大，充电程序也会强制

11、 结束，保护蓄电池不会损坏。在程序中，各阶段的执行时间均被记录，如果充电时间过长或充电时间过短，均会跳至 对应的程序段，或点亮信号灯，或蜂鸣报警，或强制结束程序，这使得充电状态一目了然。 1. 3变压器设计简介由于电池的充电电流不可以为零，所以本充电器必须工作在连续工作模式下，反激变压 器即使工作在电流连续模式，尽管总安匝不会停留在零，但是，对于反激变压器的每个线圈 来说，线圈电流总是处于断续状态。当然电流安匝）断续更是如此。这是因为开关期间，电 流（安匝）在初级和次级之间来回转换，即初级安匝减少时，次级安匝等量增加，反之亦然。 虽然总安匝是连续的，纹波很小，但每个线圈的电流交替由零到最高峰值

12、之间变化。无论什么工作模式，线圈交流损耗大。为了降低成本，本例中使用的开关器件是IRF840（500 V、8 A），这使得变压器的匝数比 不可能太大，因为市电经整流滤波后的电压约为300VDC，充电器的最高输出电压约为 45VDC，设计时设定匝数比N1/N2为2，这样IRF840芯片约有100VDC的漏感尖峰裕 度，降幅较为可靠。变压器的初级和次级的伏秒数要保持平衡，由此可推算出开关管的最大开通时间F A.57 us式中，匕k为变压器原边的最低输入电压，T为开关周期，VO为输出电压，N1为初级匝数，N2为次级匝数，这里忽略了电路中开关管和二极管的导通压降。假设充电器的效率为8。，充电器的输出功

13、率为100 W，由于开关管的最大导通时间出 现在输入电压最低的时候，可推得变压器的初级电感量（女篇尸m 1式中，PO为输出功率。为保证本充电器可以可靠的工作在连续电流模式下，经调试，变压器的实际参数如下： 磁芯采用TDK的PC40EER40磁芯，磁芯芯柱的气隙设为1.58 mm，骨架采用排距25 mm、 针距5 mm、6x6针的立式骨架。初级绕组用0. 64mm高强度漆包线绕97匝，电感量780 H；次级绕组用0. 64 mm高强度漆包线三线并绕50匝，电感量为208 口H。初次级之间 垫入3层聚脂薄膜，不浸漆。2总结经测试，本充电器的最高输出功率可达90 W，效率约85%，整机成本约20元人民币， 具有很强的市场竞争力。由于单片机的运算速度的限制，使用单片机模拟电源管理IC无法做到使反馈环路非