智能型铅酸蓄电池充电器的设计与实现

2006-05-07 15:49:49来源: 电子技术应用

铅酸蓄电池的造价成本低,容量大,价格低廉,使用十分广泛,由于其固有的特性 若使用不当,寿命将会大大地缩短,影响铅蓄电池寿命的因素很多,采用正确的充电方式,能有效延长蓄电池的使用寿命,因此,设计一种智能型的铅酸蓄电池充电器是十分必要的。

1 常规充电方式

铅酸蓄电池的常规充电方式有以下两种,浮充(又称恒压充电)和循环充电。

浮充时要严格掌握充电的电压,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,应初期充电电流不超过0.3C(C为蓄电池的额定容量)为原则。

循环充电,其初期充电电流不宜超过0.3C.充电的安培小时数的90%时,再改用浮充电压充电,直至充满。

以上为目前常用的铅酸蓄电池充电方式。但是这两种方法存在一些不足之处,在充电过程中,电池的电压逐渐提高,充电电池逐渐下降,由于恒电充电不管电池电压的实际状态,充电电压总是恒定的,易导致电池损坏。对于循环充电而言,采用较小的电流充电,充电效果较好。但对于大容量的蓄电池,充电时间会拖的很长,时效低,造成诸多不便。

2 智能型充电器的充电过程分析

通过对这述两种充电方式的充电比较,综合其优点设计出具有快充电和慢充的智能型铅酸电池充电器。该充电器采用单片机控制,充电过程分为快主以、慢充及涓流充三个阶段,充电效果更加佳,图1所示为该充电器的充电电流,电压曲线。

众图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,可长时间对蓄电池进行充电,从而能最大限度地延长蓄电池的寿命。

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充电池充电器,主要是由开关稳压电源、斩波开关、控制器和辅助电源等四部分组成,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,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源充电。T1次级绕组N4、N5为辅助组,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220V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,阻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的铅酸蓄电池电流,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14.7V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℃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变通充电器缩短了约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。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2176.html
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