基于P89LPC933的大功率智能充电器的设计

铅酸蓄电池因为其维护简单、价格低廉、供电可靠、使用寿命长而被广泛用作汽车、飞机、轮船等机动车辆或发电机组的启动电源,同时也在各类需要不间断供电的电子设备和便携式仪器仪表中被用作一些电器及控制回路的工作电源。然而，由于充电方法的不正确，存在严重的过充、欠充现象，直接影响了蓄电池的技术状态和循环使用寿命。Power Smart公司根据多次试验结果得出结论：若采用合适的充电方式，电池的使用寿命大约可提高30%。基于此，本文提出一款基于P89LPC933单片机的智能充电器的设计方案，采用先进的四阶段充电控制方法。该充电器可以实时采集电池的电压、电流，对充电过程进行智能控制和全面管理，使充电过程按理想的充电曲线进行，解决了普通充电器对蓄电池充电的技术难题，并且充电电流可在0～50A范围内任意设定，具有完善的过压、过流、过热保护功能，并以声光形式进行提示，既能快速充电又能对蓄电池进行有效的保护。
1 智能充电器的充电技术
国内外铅酸蓄电池的充电方法目前主要有恒流、恒压、恒压限流充电法。恒流充电方法随着充电的进行，电压会慢慢上升，到充电后期电压上升到13.8V时，如果不对充电电压进行限制，容易使电池处于过充电状态，导致电池有大量的水发生分解以及活性物质容易脱落，缩短电池寿命。恒压充电法存在的缺点主要是：由于电压恒定，在充电初期电池电动势小，所以充电电流很大，容易造成极板的弯曲和活性物质的脱落，而且设备必须适应充电初期的大电流；充电末期电流过小，使充电时间延长，且容易充电不足。
恒压限流充电法则避免了以上两种充电方法的不足，充电初期为避免电流过大，采用限流充电，后期为避免电压过大而采用恒压充电。因此恒压限流充电是一种比较有效的充电方式，再加上采用智能化的过充判断、浮充控制、温度补偿等措施，形成一个简单的充电管理系统，蓄电池可以在这个系统下更好地工作。恒压限流充电方式是目前大多数电池厂商推荐的充电方式。
目前，大多数充电器采用的恒压限流充电方式都是三阶段充电^[1-2]，即恒流充电、恒压充电和涓流浮充电。事实上，在实际的使用过程中，闲置的蓄电池常常会过度放电，如果一开始就采用较大的电流恒流充电，容易造成热失控，不利于激活电池内的化学物质以最大优化电池的性能。所以在开始的时候采用较小电流激活充电，能使极板表层充分激活而不过量脱粉，深层各处也能得到充分激活，经过激活修复后的蓄电池更能经久耐用。根据充电电池的原理，同种工艺的电池理想的充电曲线大致相似，只是具体的电压数值有所差别。针对这些特点，应用信息技术进行控制，能有效地使实际充电曲线拟合铅酸蓄电池的最佳充电曲线，控制电池在正常温升范围之内，提高充电的效率，达到最佳充电效果。综合经典的充电理论和前人的成果以及大量实验数据，笔者在对铅酸蓄电池的充电控制中设计了四阶段充电曲线，如图1所示(以12V/200Ah电池组的充电过程为例)。
1.1 激活充电
充电器开始工作后，通过单片机采集蓄电池的端电压进行检测，若电池电压低于9.5V，充电器不工作。若电池电压高于9.5V而低于10.5V，说明蓄电池曾经过度放电。为避免对蓄电池充电电流过大,造成热失控,对蓄电池实行稳定小电流激活充电，激活蓄电池，随着激活充电的进行,电池电压开始上升,当电池电压上升到能接受大电流充电的阀值电压10.5V时,则转入恒流充电阶段。反之视为激活充电失败，重复3次激活充电后，电池端电压依然不能升到指定值，则认为电池失效。
1.2 恒流充电
大电流恒流充电,这里电流值为50A,因蓄电池容量而异,一般为0.4c(c为蓄电池组的容量)。在恒流充电状态下，电池电压不断上升，单片机不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压14.7V时，恒流充电状态终止并转为恒压充电。