一种单片机控制的大功率铅酸电池充电器设计

随着全球环保意识的增强，使用铅酸电池的各种车辆不断进入人们的视野，然而目前世界上用于铅酸电池的充电器却是五花八门。这些充电器造成铅酸电池过充或充电不足的现象时有发生，后果是铅酸电池的使用寿命降低。在大功率铅酸电池充电器的设计中，减小功率损失，按照经验的优化曲线实现充电，是保障铅酸电池使用寿命的理想方法。为此,笔者设计一种单片机控制的实用大功率铅酸电池充电器。

1 充电器的硬件结构

在充电器初级回路的主电源设计中，采用了PFC＋移相全桥的拓扑结构，在充电器次级回路设计中，为了实现对电池状态的监控，并能按照经验的优化曲线对电池进行充电，加入了单片机控制。这种充电器的硬件结构框图如图1所示。


在充电器的输入回路中，加入了功率因数校正(PFC)电路，控制芯片IC选用ST公司的L4981，该IC芯片采用连续功率因数修正(CCM)的控制方式，即平均电流控制模式。在实际应用中，这种控制方式在输出大于250W的升压电路中有明显的优势，因此在设计大功率铅酸电池充电器的输入电路中常采用这种控制模式。其控制模式电路示意图如图2所示。图中，V_in为市电经整流后的直流电压，V_s为控制芯片IC内部振荡器输出信号，I_p是控制芯片IC内部的精密电流源提供的功率限制电流，电流放大器的输出Vc取决于取样电阻R_p的大小即V_p的大小，所以PFC的功率输出也就取决于R_p的大小。电路中电流放大器输出信号Vc、振荡器锯齿波信号Vs和流过升压电感的电流信号IL的关系如图3所示。




从图中可以看出：在时间区间ab段或cd段等奇数时间段，Vc的电压波形在和Vs交错前必须是负的斜率，而V_s必须是正斜率，并且必须交错，否则PFC输出信号无法得到控制。而在bc段或da段等偶数时间段，电压Vc和Vs都是正斜率，但是Vc的斜率必须比Vs要小，这样二者才能交错，否则PFC输出信号也无法得到控制。因此在设计控制电路时，必须按照这些要求来选择外围电路，否则电路将不动作或失去控制。这种控制方式的实际应用电路图如图4所示。


图中，V_in为市电经整流后的直流输出电压。实践证明，上述应用线路可以做到上千瓦的功率输出，并且转换效率可达到92%以上。在输出功率为360W左右时测量的PF值和THD值如表1所示。

                    


在大功率的充电器设计中，功率损失也是衡量充电器性能的一项指标，而功率损失的大部分消耗在开关回路中。为了减少主电路的功率损失，开关回路采用了移相全桥的拓扑结构。此种拓扑结构实现了以零电压状态打开开关管，大大减少了开关管的开关损耗。移相全桥的原理框图如图5所示。图中，DA～DD为四个MOS开关的体二极管，CA～CD为四个MOS开关管的寄生输出电容，L_R为谐振补偿电感。此种拓扑结构工作原理与全桥拓扑的不同在于应用于对角线桥臂的驱动信号并不是同时施加。以将要打开Q_C和Q_B的次序为例：先行关闭Q_D，此时CD被充电至+V_IN，同时CC被放电至近似0，Q_C源漏极间几乎不存在压差。此时以零电压状态打开Q_C，这时通过变压器初级线圈的电流由DC和QC共同分担。然后再关闭QA，此后CA被充电至+V_IN，这样Q_B的源漏极间几乎不存在压差，此时再以零电压状态打开Q_B。利用控制打开开关管的时间差来控制输出电压的幅度。开关管的驱动芯片可以选取TI公司的UCCx895或UC387x。四个开关管的示意驱动波形如图6所示。图中，OUTA～OUTD分别为四个开关管的驱动信号，DLY A/B和DLY C/D分别为关闭和打开两只串联开关管的间隔时间。PWM A/D和PWM B/C则分别为对角线开关管的共同导通时间，此时间的长短决定输出功率的大小。

                      



在充电器的次级输出回路设计中加入了集成PWM和A/D转换功能的智能单片机控制。例如PHILPS半导体公司的P89LPC93X系列单片机，它内部集成了振荡器、看门狗、PWM、A/D转换等系统级功能，大大减小了外部元器件的数目，节约了电路板的面积。同时单片机内部配置了FLASH存储器，并且具备在电路编程(ICP)的功能，只需在硬件设计中设置一个ICP连接器，就可以在线更改程序数据，在生产调试过程中，也无需将单片机从系统中取出即可更改PWM输出值，使充电曲线更逼近经验的优化曲线。

2 充电器的软件设计

在软件设计中，应用P89LPC93X单片机的PWM输出控制充电器的输出电压值和电流值，利用A/D转换功能实时检测铅酸电池的充电深度、电池温度等参数，并根据电池状态对充电曲线进行调整，使充电过程能够按照经验的优化曲线进行。对于不同类型的电池，对其充电的优化曲线也不尽相同，可以在程序中设置不同的充电曲线子程序，在硬件上设置不同类型电池的控制开关作为对充电曲线的选择。对于充电曲线的软件设计，基本的程序流程如图7所示。

              
对程序软件的编制，最好采用C语言进行开发。C语言支持多种数据类型，可以方便地更改单片机PWM的输出值，更精确地对充电器的输出进行控制。另外C语言对于处理子程序的选择和跳转非常灵活，可移植性也非常好，为以后添加更多的功能提供了方便。

实际充电器产品按照经验优化曲线对Trojan 公司的36V 335AH电池的充电过程的实测曲线图如图8所示。

                  
在大功率铅酸电池的充电器设计中，主电路采用功率因数校正(PFC)+移相全桥的拓扑结构，充电器的输出采用单片机控制，实现了实时监控电池的状态，使充电过程按照理想的优化曲线进行，一方面提高了充电器的效率，保证了足够的功率输出，另一方面又保护了电池，延长了电池寿命。这种设计方法具有很强的参考性和实用性。