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智能型鉛酸蓄電池充電器的設計與實現

鉛酸蓄電池的制造成本低、容量大、價格低廉,使用十分廣泛。由于其固有的特性,若使用不當,壽命將大大縮短。影響鉛酸蓄電池壽命的因素很多,采用正確的充電方式,能有效延長蓄電池的使用壽命。因此,設計一種全新的智能型鉛酸蓄電池充電器是十分必要的。

1 常規充電方式

鉛酸蓄電池的常規充電方式有兩種:浮充(又稱恒壓充電)和循環充電。

浮充時要嚴格掌握充電電壓,如額定電壓為12V的蓄電池,其充電電壓應在13.5~13.8V之間。浮充電壓過低,蓄電池會充不滿,過高則會造成過量充電。電壓的調定,應以初期充電電流不超過0.3C(C為蓄電池的額定容量)為原則。

循環充電,其初期充電電流也不宜超過0.3C,充電的安培小時數要略大于放電安培小時數。也可先以0.1C的充電速率恒流充電數小時,當充電安培小時數達到放電安培小時數的90%時,再改用浮充電壓充電,直至充滿。

以上為目前常用的鉛酸蓄電池充電方式,但這兩種方式存在著一些不足之處。在充電過程中,電池電壓逐漸增高,充電電流逐漸降低。由于恒壓充電不管電池電壓的實際狀態,充電電壓總是恒定的,充電電流剛開始比較大,然后按指數規律下降;采用快速充電可能使蓄電池過量充電,易導致電池損壞。對于循環充電而言,采用較小電流充電,充電效果較好。但對于大容量的蓄電池,充電時間就會拖得很長,時效低,造成諸多不便。

2 智能型充電器的充電過程分析

通過對上述兩種充電方式的分析比較,綜合其優點設計出具有快充和慢充的智能型鉛酸蓄電池充電器。該充電器采用單片機控制,充電過程分為快充、慢充及涓流充三個階段,充電效果更佳。圖1所示為該充電器的充電電流、電壓曲線。

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從圖1可以看出:在快充階段(0~t1),充電器以恒定電流1C對蓄電池充電,由單片機控制快充時間,避免過量充電;在慢充階段(t1~t2),單片機輸出PWM控制信號,控制斬波開關通斷,以恒定電壓對蓄電池進行充電,此時充電電流按指數規律下降,當電池電壓上升到規定值時,結束慢充,進入涓流充階段;在涓流充階段(t2~t3),單片機輸出的PWM控制信號,使充電器以約0.09C的充電電流對蓄電池充電,在這種狀態下,可長時間對蓄電池充電,從而能最大限度地延長蓄電池壽命。

3 智能型充電器的工作原理

根據上述分析而設計的智能型鉛酸蓄電池充電器,主要由開關穩壓電源、斬波開關、控制器和輔助電源等四個部分組成,并具有過流保護、過壓保護和超溫保護功能。圖2為充電器原理框圖,圖3為充電器電路原理圖。

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3.1 開關穩壓電源

圖3所示電路中,開關穩壓電源采用半橋式PWM變換電路。其工作原理是:由IC1(TL494)開關電源集成控制器的8腳和11腳輸出反相的PWM信號,經三極管Q3、Q4互補放大,通過驅動變壓器T2,為三極管Q1和Q2基極提供驅動信號。使Q1和Q2交替通斷,高頻變壓器T1的初級繞組N1就會產生約320V峰峰值方波,在T1的次級繞組N2、N3中就有感應電壓產生,這個電壓經D9(MUR1620)整流,C22濾波后,變為直流電壓,通過斬波開關對蓄電池充電。T1次級繞組N4、N5為輔助繞組,其感應電壓經D10、D11整流,C21濾波后,接至IC1的12腳,作為其工作電壓。

圖3中,電阻R28串接在T1次級繞組N2和N3的中間抽頭與輸出地之間,作用是監控快充充電電流和過流保護。恒流控制過程為:當充電電流超過恒定值1C時,R28上的壓降增大,該壓降經并聯電阻R24、R25反饋到IC1的15腳(內部電流誤差放大器反相輸入端),使其電位變負,低于IC1的16腳(內部電流誤差放大器同相輸入端),則內部電流誤差放大器輸出電壓升高,使IC1的8腳和11腳輸出的PWM信號的脈沖變窄,從而縮短Q1和Q2的導通時間,使輸出電壓下降,維持充電電流恒定;隨著充電時間的延長,電池電壓逐漸升高,充電電流按指數規律下降,IC1的15腳電位按指數規律上升,則 IC1的8腳和11腳輸出的PWM信號脈沖變寬,從而延長Q1和Q2的導通時間,使輸出電壓升高,充電電流保持恒定。在慢充階段,通過電阻R15、R16、R17、R18、C16、C17組成電壓取樣電路和IC1內部電壓誤差放大器,使輸出電壓恒定。其恒壓控制過程為:取樣電壓輸入到IC1的1腳(內部電壓誤差放大器同相輸入端),與IC1的2腳(內部電壓誤差放大器反相輸入端)的基準電壓比較,其誤差信號放大后,經內部電路處理,使IC1的8腳和11腳輸出的PWM信號的脈寬改變,從而使Q1、Q2的導通時間改變,維持輸出電壓恒定。

圖3中交流220V進線端,電容C1、C2、C3、C4和電感LF組成一個LC濾波器,用于差!材7绞降腞FI(無線頻率干擾)的抑制,防止電源產生的噪聲泄漏到電網,造成電網污染。

3.2 斬波開關

斬波開關電路由三極管Q5、Q6、Q7和電阻R29、R30、R31、R32等組成。工作過程為:IC3(PIC16C54)的6腳輸出的PWM控制信號經電阻R32接至Q7的基極,控制Q7通斷,從而使Q5和Q6亦導通或截止,充電電流流過Q6對蓄電池(BAT)充電。改變PWM控制信號的脈寬,使得充電電壓可調。

3.3 控制器

如圖3所示,控制器是由IC2(LM358)和IC3(PIC16C54)以及電阻電容等組成。其中IC3采用Microchip公司生產的PIC16C54單片機。它是18引腳封裝的8位單片機,有12條I/O(輸入/輸出)線,每條I/O線吸收電流為25mA,驅動電流為20mA,內部EPROM為512×12,RAM為25×8,有可編程代碼保護。

控制過程為:快充階段,IC3的6腳輸出高電平,經電阻R32接至Q7的基極,使斬波開關導通,通過電流監控電路,以恒定電流對蓄電池充電。到達快充時間時,IC3的6腳輸出低電平,關斷斬波開關,停止充電,快充階段結束。慢充階段,IC3的6腳輸出PWM控制信號,使斬波開關以固定的占空比導通,充電器以恒定電壓對蓄電池充電,此時充電電流隨著蓄電池電壓的上升,按指數規律下降。當蓄電池電壓上升到規定值時,由電阻R33、R34、R35對蓄電池電壓取樣后,送至比較器IC2的3腳(同相輸入端),與2腳(反相輸入端)的基準電壓比較,則1腳輸出高電平,IC3的17腳輸入高電平,經軟件濾波和延時,判斷檢測無誤后,結束慢充。涓流充階段,IC3的6腳輸出PWM控制信號,使斬波開關以較小的占空比導通,將充電電流維持在0.09C左右,對蓄電池充電。

超溫保護是通過附加在蓄電池上的正溫度特性熱敏電阻RT2、R36、R37實現的。當電池溫度升高時,熱敏電阻RT2的阻值增大,則IC2的5腳(同相輸入端)電位上升;若電池溫度升高到規定值時,5腳電位高于6腳(反相輸入端)電位,則7腳輸出高電平,IC3的18腳輸入高電平,則IC3的6腳輸出PWM信號,使充電器以浮充電壓對蓄電池充電,有效地保護了蓄電池。

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本充電器用發光二極管表示充電狀態。即快充和慢充階段,綠色發光二極管G點亮;涓流充階段,黃色發光二極管Y點亮。圖4所示為程序流程。

3.4 輔助電源

輔助電源由工頻變壓器T3、整流元件B2、濾波元件C27、C28和三端穩壓集成電路IC4(7805)組成,為單片機提供(+5V)電源電壓。采用這種為單片機單獨供電方式,可以增強抗干擾能力,提高可靠性。同時為單片機提供50Hz計時脈沖信號。

4 綜合實驗

圖2所示電路可給12V/4Ah的鉛酸蓄電池充電,最大充電電流限制為4A,最大輸出電壓為18V。充電開始時,充電器以4A電流對蓄電池快速充電約25分鐘;然后以14.7V的恒定電壓對蓄電池進行慢充,直至蓄電池電壓上升到12.8V,結束慢充;最后充電器以14.1V電壓對蓄電池涓流充電。溫度保護點為45C°;當蓄電池溫度升高到45C°時,單片機控制充電電壓下降到14.1V,隨著溫度的回落,充電電壓恢復到保護前的狀態繼續充電。該充電器對上述蓄電池充電比普通充電器縮短了約2/5的時間。

鉛酸蓄電池的型號不同,充電要求不完全相同,在設定快充時間和最大充電電流等參數時,要經過反復試驗,才能達到最佳充電效果,使電池壽命得到延長。本充電器經過多種綜合試驗,充電效果良好,適用于對多種蓄電池充電。

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