基于单片机的铅酸蓄电池充电系统设计

基于单片机的铅酸蓄电池充电系统设计

宋化鲁   赵祖玉

山东协和学院 山东济南 250109

摘  要：本文针对充电系统的设计与控制进行了研究和探索。首先，对铅酸蓄电池的充电方法进行了分析和比较，并提出了采用恒压限流充电和脉冲充电相结合的充电方式，以提高充电效率。其次，采用80C196KB单片机作为控制电路的核心，实现了充电方式的切换控制和充电过程的监测与保护。同时，采用高频开关电源技术，设计了移相控制的零电压PWM变换电路，为充电系统提供了稳定、高效的电源供应。此外，还设计了硬件执行电路和各种保护措施，确保充电系统的安全运行。最后，通过硬件工作测试和实际验证，证明了设计方案的可行性和有效性。本研究为充电系统的设计与控制提供了一种可行的解决方案，具有一定的实际应用价值和推广意义。

1.1  课题研究的背景

随着社会经济的发展和科技的进步，电动汽车等电池驱动设备的应用越来越广泛。其中，铅酸蓄电池作为一种常用的能量存储装置，被广泛应用于各个领域。然而，铅酸蓄电池的充电过程涉及到电压控制、充电模式选择和保护等复杂问题，如何实现高效、稳定、安全的充电控制成为一个重要的课题。

本课题旨在通过深入研究和探索，针对铅酸蓄电池充电系统的设计与控制问题，提出一种高效、稳定、安全的充电方案。通过对不同充电方法的分析和比较，结合先进的控制技术和电源设计，设计出一种能够实现恒压限流充电和脉冲充电相结合的充电系统，并利用单片机进行充电方式的切换控制和充电过程的监测与保护。同时，通过硬件工作测试和实际验证，验证设计方案的可行性和有效性。

1.2系统的设计要求

1．快速充电功能：该系统能够在系统控制下快速完成充电过程，以提高充电效率和时间。通过采用高效率的充电算法和控制策略，系统可以有效地传输电能到电池中，缩短充电时间。

2．实时监测功能：在充电过程中，系统能够实时监测电池的充电状态，并随时显示在显示屏上。通过监测电池的电压、电流和温度等参数，系统可以提供准确的充电状态信息，以帮助用户了解电池的当前状态。[2]

1.3系统的理想技术指标

根据本课题面向的对象，对本充电系统的充电电源提出下面的理想技术指标:

1．输出电压范围：充电电源应具备广泛的输出电压范围，能够在0V-180V之间进行调整。这是为了满足不同类型的铅酸蓄电池组的充电需求，特别是在工业和农业生产中使用的电机车等应用场景。

2．输出电流范围：充电电源应具备可调的输出电流范围，能够在0-60A之间进行调整。充电系统需要根据使用者的需求来灵活调整充电电流的大小，以适应不同容量和类型的蓄电池的充电要求。

1.4充放电方法的控制与实现

在本充电系统中，采用以80C196KB单片机控制为主的控制方法来实现充电和放电功能的控制。该单片机具有高度集成的特点，能够进行数据采集、处理和控制指令生成。通过监测电池参数、进行分析和计算，单片机能够实时控制充电电压、充电电流和放电电流等关键参数，以达到恒压限流充电和脉冲充电的控制目标。这种基于单片机的控制方法可以实现精确的充放电控制，提高充电效率和充电质量，并确保充电过程的安全性和可靠性。

1.5充电系统的主电路

本充电系统采用了全桥移相控制的零电压脉宽调制（PWM）变换电路，旨在提供高效的能量转换和稳定的输出电压。全桥变换电路由四个功率开关器件组成，通过控制这四个开关器件的开关时间和相位，实现对输出电压的调节。采用全桥移相控制能够减小开关过程中的功率损耗和电压浪涌，提高能量转换的效率。同时，零电压脉宽调制技术通过合理的脉宽调制方式，实现零电压切换，减小开关器件的损耗和干扰，提高系统的稳定性和可靠性。

图3-2  改进型全桥移相控制的零电压PWM变换电路

1.6充电系统的控制回路原理与设计

该充电系统的控制回路框图如图3-7所示。它由以下几个主要部分组成：80C196KB单片机最小系统、模拟量检测电路、键盘电路、显示电路和执行电路。下面将详细介绍每个部分电路的原理和功能。

图3-7  充电机控制系统硬件框图

1.7过流保护

过流保护是充电系统中一项重要的安全保护措施，旨在防止电路中的电流超过设定的安全范围，避免损坏系统和设备，并保护用户的安全。本系统采用了过流保护功能，以确保系统在异常情况下能够及时做出反应并采取相应的措施。

在过流保护方面，我们采用了电流传感器和保护电路的组合。电流传感器用于实时监测电路中的电流值，将电流信号转换为电压信号，并输入到保护电路中进行处理。保护电路则根据预设的电流阈值进行比较和判断，一旦检测到电流超过安全范围，立即触发保护机制。

1.8仿真调试结果

在Proteus仿真平台上，建立了充电控制系统的仿真原理图，并将程序加载到虚拟芯片上进行调试和运行。通过测试结果可以得知，在仿真环境下，充电过程表现出可靠且有效的特性。充电结果显示电压达到了要求的4.68V，并且充电过程在达到设定电压后能够自动终止。此外，警报器在充电完成后正常工作。这些测试结果表明，控制系统的设计和程序运行是正确的，能够实现预期的充电功能并具备必要的保护措施。

1.9总结

在设计过程中，对铅酸蓄电池的充电方法进行了详细的分析和比较，并提出了采用恒压限流充电和脉冲充电相结合的充电方法，以提高充电效率。选择了80C196KB单片机作为控制电路核心，实现了充电方式的切换控制，并对其进行了理论探讨。另外，应用高频开关电源技术，以移相控制的零电压PWM变换电路为核心，进行了充电电源的总体设计。能够实现高效、稳定的充电。

参考文献

[1]张智星．Matlab程序设计与应用.北京：清华大学出出版社,2018.

[2]戴佳、戴卫恒: 51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].电子工业出版社.2019.4

[3]王新颖：单片机原理及应用[M].北京大学出版社.2018.8

[4]卢治功、贾治国：基于MAX1898的智能充电器设计[j].电子与电脑.2018年第11期