基于PIC單片機(jī)的數(shù)字式智能鉛酸電池充電器的設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　鉛酸蓄電池由于其成本低、容量大、安全可靠等特點(diǎn)，在通信、電動汽車、軍事、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。電池的性能好壞、使用壽命的長短直接影響到電子產(chǎn)品的使用壽命和使用安全；而充電器的好壞又直接影響到電池的使用壽命。因此研究低成本又有智能管理功能的充電器是有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的課題。

　　1 目前智能充電器的幾種結(jié)構(gòu)［1］

　　1.1 基于專用芯片的管理系統(tǒng)

　　現(xiàn)在，UNITRODE 公司已開發(fā)出系列電池管理專用芯片。因?yàn)殡姵毓芾碇胁捎米疃嗟木褪强刂瞥潆婋妷杭俺浞烹婋娏?，電池管理芯片正是抓住了這一點(diǎn)，為VRLA 電池研制了具有四狀態(tài)管理的專用控制芯片，可以智能地實(shí)現(xiàn)帶溫度補(bǔ)償?shù)乃臓顟B(tài)管理方案：涓流充電模式、大功率充電模式、過充電模式和浮充電模式。不同的電池要有不同的芯片控制，因此，用專用芯片做管理系統(tǒng)其靈活性較差，

　　1.2 基于監(jiān)控測量的蓄電池管理系統(tǒng)

　　在給電池充電的過程中，涉及到電池工作電壓、工作電流、溫度等參數(shù)，這些都是表征電池狀態(tài)的重要參數(shù)。采用傳感器提取這些參數(shù)，然后再配合故障診斷、遙控遙測、自動報(bào)警和事故現(xiàn)場處理等功能，就可以組成一個(gè)電池管理系統(tǒng)。如圖1所示。

　　1.3 與電源設(shè)備一起構(gòu)成的蓄電池充放電管理系統(tǒng)

　　在通訊、供電系統(tǒng)中，為了保證電網(wǎng)掉電時(shí)蓄電池組能及時(shí)補(bǔ)充電能，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)向負(fù)載供電，保證通信或電力合閘系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通常是將電池組直接掛接在電源模塊輸出端。當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，電池組工作在浮充狀態(tài)，起到平滑濾波和保持容量（補(bǔ)充自放電的容量損失）的作用。一旦電網(wǎng)掉電，蓄電池組立即投入工作，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)，電源模塊立即對電池進(jìn)行充電。如圖2 所示。

　　這樣的一個(gè)系統(tǒng)由于和電源模塊聯(lián)系起來，所以，可以從充放電過程上來優(yōu)化電池工作狀態(tài)，電池充電成為可控的過程，建立在這樣一個(gè)系統(tǒng)上的監(jiān)控單元應(yīng)該具有第一種監(jiān)控系統(tǒng)中所有功能，并且可以和電源模塊直接“對話”，根據(jù)要求對電池進(jìn)行管理，并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的放電狀態(tài)，對電池的工作進(jìn)行優(yōu)化［2］。因此，電池組的工作會更加可靠，可控性和智能化程度也會更高。但是這樣一個(gè)系統(tǒng)存在的主要問題是：

　?。?）沒有解決電池組串聯(lián)運(yùn)行過程中不均衡 現(xiàn)象的問題，這也是電池失效的重要原因之一；

　?。?）一般只完成了電池生產(chǎn)廠家提供的充電曲線，對于電池在使用過程中發(fā)生的其它問題控制不夠全面，例如深度放電后的涓充問題等。

　　在將來，充電器的發(fā)展方向是智能化、數(shù)字化、集成化。智能化可以使電池的管理做到全自動，無需人員監(jiān)管，真正做到免維護(hù)。數(shù)字化和集成化可以減少管理系統(tǒng)的體積和重量，減少系統(tǒng)的復(fù)雜度。

　　2 目前幾種充電方式［3］

　　鉛酸蓄電池的充電方法目前主要有恒流、恒壓、恒壓限流、脈沖充電、Reflex充電法。

　　2.1 恒流充電

　　恒流充電方式是一種簡單的充電方法。但是，恒流充電有其局限性：對電池過充電就會造成電池壽命的縮短，而過小電流又會延長充電時(shí)間。

　　2.2 恒壓充電

　　恒壓充電用簡單的控制方法很容易就能實(shí)現(xiàn)。在充電的初始階段，由于電池的電壓很低而造成充電電流很大，這對電池會造成損害。當(dāng)電池電壓達(dá)到一定值之后，電流就會隨之減小。這種充電方法的缺點(diǎn)就是會造成溫度上升和電池的壽命減少，并且在開始時(shí)電流很大，而后來快充滿時(shí)電流又很小，就無法充分利用充電器的容量。

　　2.3 恒壓限流法

　　恒壓限流法實(shí)際上是將恒壓充電和恒流充電相結(jié)合，又可稱為混合充電法。在充電開始階段，由于電池電壓過低，為避免電流過大而損壞電池，就采用恒流充電法來限制充電電流。但電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，進(jìn)入恒壓充電方式。恒壓限流方式是大多數(shù)電池廠商推薦的充電方式。由于蓄電池充電電壓較低，充電后期電流很小，因此電解液中產(chǎn)生的氣泡很少，可以節(jié)省電能、降低蓄電池的溫升，避免損壞電池的極板。恒壓限流方式是一種很有效的充電方式，加上過充判斷、浮充控制、溫度補(bǔ)償?shù)染涂梢孕纬梢粋€(gè)簡單的充電管理系統(tǒng)，蓄電池可以在這個(gè)系統(tǒng)下更好地工作。

　　2.4 脈沖充電［4］

　　在充電過程中，只要充電電流不超過蓄電池可接受的電流，蓄電池內(nèi)部就不會產(chǎn)生大量的氣泡。蓄電池中產(chǎn)生的極化現(xiàn)象會阻礙充電，并且使出氣率和溫升顯著升高。因此，極化電壓是影響充電速度的重要因素。用周期性的脈動電流給電池充電可以使電池有時(shí)間恢復(fù)其原來狀態(tài)，減小極化現(xiàn)象的影響，解決快速充電面臨的難題。但是目前這種充電方式還在研究階段，對于采用多大的脈沖周期，占空比又是多少之類的具體問題還沒有一個(gè)定論。

　　2.5 ReflexTM充電方式

　　Reflex 充電方法是脈沖電流法的改進(jìn)：一個(gè)周期是由一個(gè)正脈沖后加一個(gè)負(fù)脈沖，然后才是空閑時(shí)段。這樣就強(qiáng)制消除電池的極化現(xiàn)象，使得電池充電時(shí)可以更快而又不損害電池的使用壽命。這種充電方式與脈沖充電方式一樣，仍然處于研究階段。