【正文】 charging and discharging curve, and displayed. 關(guān)鍵字 ：開關(guān)電源， 鉛酸蓄 電池，智能充電器 Key word: switch power, lead acid battery, smart battery chargers 25 背景 “ 鉛酸蓄電池 ” 是 現(xiàn)今為止 世界上廣泛使用的一種 無機(jī) 化學(xué)電源，該產(chǎn)品具有良好的可逆性，電壓特性平穩(wěn)，使用壽命長，適用范圍廣，原材料豐富（且可再生使用）及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的使用 ，同時(shí)也 是社會(huì)生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)中不可缺少的產(chǎn)品。但是，若使用不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致 其壽命大大 的 縮短。影響鉛酸蓄電池壽命的因素很多，而采用正確的充電方式，能有效延長蓄電池的使用壽命。研究發(fā)現(xiàn)：電池充電過程對(duì)電池壽命影響最大 ， 小電流充電 過程的影響較少。也就是說，絕大多數(shù)的蓄電池不是用壞的，而是 “充壞 ”的 ！ 由此可見，一個(gè)好的充電器對(duì)蓄電池的使用壽命具有 無以言重 的作用 ！ 而且，傳統(tǒng)充電器的充電策略比較單一 ：只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的恒壓或者恒流充電 —— 以致充電時(shí)間很長，充電效率降低。 除此之 外，充電即將結(jié)束時(shí)， 人們往往忘記將充電器拔下，繼續(xù)充電，時(shí)間太長久， 電池發(fā)熱量很大，從而造成電池極化，影響電池壽命 ，很可能導(dǎo)致電池?zé)o法再次使用，沖的鼓包，還有流水等現(xiàn)象 。針對(duì)上述問題， 我們 設(shè)計(jì)了一種 ：“ 智能 ” 充電器，盡量 充電時(shí)沖的適合，然后再轉(zhuǎn)以小電流慢充其電 池，是家用蓄電池被沖壞的程度降到最低 。 一、 方案比較與論證 1． 1 電源模塊 （ 1）方案一 普通電源：市電經(jīng)過電源變壓器將高壓交流電轉(zhuǎn)化成低壓交流電，再通過整流濾波，將 220V 左右的 交流電轉(zhuǎn)化為 用電器適合的 直流電，濾除整流輸出的剩余交流成分，最后輸出穩(wěn)定的直流電壓。它具有輸出電壓穩(wěn)定、波紋 震蕩 小等優(yōu)點(diǎn)，但是電壓 可供選擇的 范圍 窄 ，效率低 等缺點(diǎn) 。 （ 2）方案二 開關(guān)電源： 所謂開關(guān)電源，顧名思義，就是這里有一扇門，一開門電源就通過，一關(guān)門電源就停止通過。開關(guān)電源里有的采用可控硅，有的采用開關(guān)管，這兩個(gè)元器件性能 差不多，都是靠基極、（開關(guān)管）控制極（可控硅）上加上脈沖信號(hào)來完成導(dǎo)通和截止的。 市電進(jìn)入電源，首先要經(jīng)過扼流圈和 大 電容，濾除高頻雜波和同相干擾信號(hào)。然后再經(jīng)過電感線圈和電容，進(jìn)一步濾除高頻雜波。接下來再經(jīng)過由 4 個(gè)二極管組成的全橋電路整流（也有半橋等其他電路），和大容量的濾波電容濾波后，電流才由高壓交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電。經(jīng)過了交直轉(zhuǎn)換后，電流就進(jìn)入了整個(gè)電源最核心的部分：開關(guān)電路。開關(guān)電路主要由兩個(gè)開關(guān)管組成，通過它們的輪流導(dǎo)通和截止，便將直流電轉(zhuǎn)換為高頻率的脈動(dòng)直流電。接下來，再送到高頻開關(guān)變壓器上進(jìn)行降 壓。經(jīng)過高頻開關(guān)變壓器降壓后的脈動(dòng)電壓，同樣要使用二極管和濾波電容進(jìn)行整流和濾波，此外還會(huì)有 26 2 個(gè)電感線圈與濾波電容一起濾除高頻交流成分。最后成為設(shè)備所需要的較為純凈的低壓直流電。它是近代普遍推廣的穩(wěn)壓電源，具有電壓 可調(diào) 范圍寬、效率高，輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。 所以， 該 設(shè)計(jì)選取方案二。 1． 2 充電方法 （ 1）方案一 恒流充電法：恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強(qiáng)度不變的充電方法，如圖 1 所示?？刂品椒ê?jiǎn)單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的 ，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過甚。 （ 2）方案二 恒壓充電法：充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電，如圖 2 所示。由于充電初期蓄電池電動(dòng)勢(shì)較低，充電電流很大，隨著充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少，因此，只需簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)。這種充電方法電解水很少，避免了蓄電池過充。但在充電初期電流過大，對(duì)蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，造成電池報(bào)廢。鑒于這種缺點(diǎn)，恒壓充電很少 使用，只有在充電電源電壓低而電流大時(shí)采用。 （ 3）方案三 定時(shí)延時(shí)開關(guān)充電法 ： 該 充電法充電電路的控制一般有 以上兩種，但都未達(dá)到無人看守情況下自動(dòng)完成作業(yè)，以及自動(dòng)停止工作的智能化處理 。 方案三中應(yīng)用了單片機(jī)的智能控制，在可控條件下完成蓄電池的大電流快速充電和小電流飽和充電。 所以選擇方案三 。 二、 工作原理 智能充電器系統(tǒng)工作原理如下所示。主要包括電源變換電路、 PWM控制器、電圖（ 1） 恒流充電法 曲線 圖（ 2） 恒壓 充電法曲線 27 容電感儲(chǔ)能電路、充電電路、電池組、放電電路、采樣電路、上位機(jī)等，形成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。 電源 充電 電路 該 設(shè)計(jì)中脈 寬調(diào)制器（ PWM） UC3842是開關(guān)電源的核心。它能產(chǎn)生固定頻率而占空比可調(diào)的控制電壓 ,通過改變開關(guān)功率管的通斷狀態(tài) ， 來調(diào)節(jié)輸出電壓的高低 ， 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。例如由于某種原因 V0升高時(shí) ， 就改變控制電壓占空比 ， 使斬波后的電壓平均值下降 ， 導(dǎo)致 V0下降 ， 使 V0趨于穩(wěn)定 ， 反之亦然。 UC3842的工作溫度是 0~+70℃ ， 最高輸人電壓為 30V， 最大輸出電流為 1A， 能驅(qū)動(dòng)雙極型功率管或 VMOS管。 （ 1） UC3842的結(jié)構(gòu)、功能及工作原理 UC3842 采用 DIP—8 封裝 ， 管腳排列如圖（ 4）所示。第腳 1是補(bǔ)償腳。外接阻容元件 以補(bǔ)償誤差放大器的頻率特性。第2 腳是反饋端 ， 將取樣電壓加至誤差放大器的反相輸人端 ，再與同相輸人端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較 ， 產(chǎn)生誤差電壓。第 3腳接過流檢測(cè)電阻 ， 構(gòu)成過流保護(hù)電路。第 4 腳 RT/CT為鋸齒波振蕩器外部定時(shí)電阻與定時(shí)電容公共端。引腳 8 為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓 VRET=。引腳 7 為輸入電壓。引腳 6 為輸出電壓 v0則取決于高頻變壓器的變壓比。引腳 5 為接地端。 （ 2）主要參數(shù)的確定 由 UC3842 構(gòu)成的開關(guān)電源屬于單端反激變換器式。其工作頻率盡管可達(dá)500KHZ， 但受制作工藝、開關(guān)功率管頻率特性等因素的限制 ， 通常將 f0 設(shè)計(jì)在幾十千赫以下。使 VMOS 管時(shí) ， f0 約等于 40KHZ， 用雙極型開關(guān)功率管時(shí) ， f0采樣電路 電源變換電路 繼電器控制器 電流電感儲(chǔ)能電路 達(dá)盛科技單片機(jī)控制核心 數(shù)碼管顯示 充電電路 放電電路 反饋 電池組 28 約等于 20KHZ為宜 ， 當(dāng)電路起振后 ， 用示波器從 UC3842 的第 4 腳可觀察到幅度約為 ， 周期為 25us 的鋸齒波。 ① 計(jì)算脈沖信號(hào)最大占空比 DMAX 當(dāng)電網(wǎng)電壓在 220V 土 20%范圍內(nèi)變化時(shí) ， 對(duì)應(yīng)于 176~264V。經(jīng)全波整流后的直流輸人電壓 VImin ≈240V， VImix≈360V。單端反激式開關(guān)電源中所產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì) e≈170v。線圈漏感造成的尖峰電壓 VL≈100V， 因?yàn)?VImix+e+VL≈630V。故開關(guān) 功率管應(yīng)能承受 630v 以上的高壓。計(jì)算脈沖信號(hào)最大占空比 : Im1701 0 0 % 1 0 0 % 4 1 . 5 %1 7 0 2 4 0M A XineD eV? ? ? ? ??? ② 計(jì)算初級(jí)線圈的電感量 L1： 高頻變壓器初級(jí)線圈的電感量 ， 由下式確定： Im100()2 in MAXVDL Pf?? 將開關(guān)電源效率 ? =70%， VImin=240V， MAXD =%， 0P =35W， 0f =40 ZKH 一并代人式 ， 則 1L =。設(shè)滿載時(shí)峰值電流為 pI ， 在進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)的過載電流為 sI ， 有公式： 0min2PMAXPI VD?? ? 不難求出 PI? ； SI = 在初級(jí)線圈儲(chǔ)存的電能為： 211 SW L I mJ?? ③ 確定初級(jí)線圈的匝數(shù) 1N ： 在初級(jí)線圈的安匝數(shù) ， 與所儲(chǔ)存的電能甲之間存在下述關(guān)系式： 71 2 jWNI BS?? ④ 確定自饋線圈的匝數(shù) N2，次級(jí)線圈的匝數(shù) N N N5： 確定 N1 后，利用下式可以計(jì)算出 N N N和 N5 29 1 0 m a x2345I m m a x( ) (1 )FinN V V DN VD??? 由上面的公式可以計(jì)算出 N1 為 55 匝，采用單股 ? ； N2 為7 匝，采用單股 ? 高強(qiáng)度漆包線； N3 為 8 匝，采用雙股 ? 高強(qiáng)度漆包線并聯(lián)后繞制而成，其輸出電壓為 22V。 N4 為 6 匝，采用五股 ? 強(qiáng)度漆包線并聯(lián)后繞制而成，其輸出電壓為 16V。 N5 為 4 匝，采用單 股 ? 高強(qiáng)度漆包線，其輸出電壓為 9V，經(jīng) 7805 穩(wěn)壓后輸出 5V電壓。 由 UC3842 構(gòu)成的開關(guān)電源電路如圖 (5)所示。其基本工作原理是：交流輸人電壓經(jīng)過整流濾波電路變成直流電壓 V1， 再被開關(guān)功率管斬波和高頻變壓器降壓 ， 得到高頻矩形波電壓最后經(jīng)過整流、濾波獲得所需要的直流輸出電壓。圖中 C1和 L1為電源噪聲濾波器 ， T 為高頻變壓器 ， 開關(guān)功率管選用 IRFPG50 型 VMOS 管。剛開機(jī)時(shí) ， 220V 交流電壓首先經(jīng)過 C1 和 L1 濾掉射頻干擾 ， 再經(jīng)過橋式整流和濾波 ，產(chǎn)生 約 +300V 的直流電壓 ， 然后經(jīng) R1降壓后向 UC3842 提供 16V 的啟動(dòng)電壓。C2是濾波電容。進(jìn)人正常狀態(tài)后 ， 自饋線圈 N2上的高頻電壓經(jīng)過 D C4 整流濾波 ， 就作為 UC3842 的正常工作電壓。 R14 是斜坡補(bǔ)償電阻。取 R15=10u、C15=4700PF 時(shí) ， 開關(guān)頻率 50? 、 C14 是消噪電容 ， R18 為過流檢測(cè)電阻。 R16 是 VMOS 管的柵極限流電阻。由 D C R2 構(gòu)成吸收回路 ，用以吸收尖峰電壓。 D2， D3 選用快恢復(fù)二極管。 D4， D5， D8 為輸出級(jí)的整流管 ， 采用肖特基二極管 ， 以滿足高頻、大電流整流之需要。 延時(shí)與電路 當(dāng)單片機(jī)開始工作的一瞬間，各端口均輸出高電平，此時(shí)充放電路中的場(chǎng)效應(yīng)管Q2 和 Q4 同時(shí)導(dǎo)通，此電路的電流將瞬間很大，容易使電路中的器件損壞 ， 故添加如圖（ 6）所示的延時(shí)電路 ， PWIN1 由單片機(jī)的 端口控制 ， 當(dāng)其輸出 30 為高電平時(shí) ， Q9 導(dǎo)通。 PWIN2 由單片機(jī)的 端口控制 ， 當(dāng)其輸出為高電平時(shí) ，Q10 導(dǎo)通。 PWIN3 由單片機(jī)的 端口控制 ， 當(dāng)其輸出為高電平時(shí) ， Q12 導(dǎo)通。 充、放電與維護(hù)電路 如圖（ 7）所示，單片機(jī) AT89S52 的 ， ， 口經(jīng)過延時(shí)電路后控制充電電池的 3 個(gè)階段。電路上電后，由軟件控制檢測(cè)電池內(nèi)阻，并判斷其在電池的哪個(gè)階段。確定后，例如在維護(hù)階段，通過控制 P3_4，來調(diào)節(jié) R26 的變化，來調(diào)節(jié) TL431 電流的變化。通過光藕合器來反饋到芯片 UC3842，如圖（ 5）所示。調(diào)節(jié)后，來控制輸出的變化，由電壓器來調(diào)節(jié)輸出電壓 的變化，以此來調(diào)節(jié)電壓的變化。從而達(dá)到三個(gè)階段的轉(zhuǎn)換。 數(shù)據(jù)采樣與 反饋 電路 圖 （ 7） 充、放電與維護(hù)電路 Q59 01 3R61 0kR91kQ3S F P 9 6 40D71 N 54 0 8D6M U R 8 60R41kQ19 01 3Q2S F P 9 6 40R31 0kR70 .2 /2 WR 2 75 /1 0 WB T 1B A T T E R YQ4S F P 9 6 40Q79 01 3R 1 01 0kR 2 81kP W M 3IN 1IN 3PWM1P W M 2IN 0IN 2R 2 91kR85 .1 kR51kL3C1R 4 41kQ 1 39 0 1 3Q 1 49 0 1 3Q 1 59 0 1 3R 4 61kR 4 81kP 3 _ 2 P 3 _ 3 P 3 _ 4R 4 31 0 kR 4 51 0 kR 4 71 0 k12J 1 0C O N 212J 1 1C O N 212J 1 2C O N 2接 TL431的 1腳 圖 （ 6） 延時(shí)與報(bào)警電路 31 XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/A