便携式12V铅酸蓄电池充电器的研制-通信界-中国通信门户

　　　摘要：该充电器采用开关电源模块，由微控制器控制，要实现符合电池充电规律的两阶段充电方式，并考虑了电池故障状态时充电方式。

　　关键词：铅酸蓄电池充电器；微控制器；两阶段充电方式

　　目前一部分变电站的直流后备电源采用了12V阀控式铅酸蓄电池，由于个体差异，有的电池在运行中会发生电池电压落后现象，在整组电池均衡充电不能解决这个问题时，则需要单独对这些落后电池进行处理。原先由于没有适用的充电器对其进行补充充电，而造成现场维护困难，为了解决这一问题，我们研制了智能化便携式充电器，经过现场工作人员长期使用，证明该充电器使用方便，充电性能及可靠性均满足要求。铅酸电池充电一般采用两阶段充电方式，即大电流补充充电阶段，均衡充电阶段和浮充电阶段。在大电流补充充电阶段，硫酸铅转化为负极板上的金属铅和正极板上的二氧化铅，当绝大部分硫酸铅完成转化以后，电池开始产生过充电反应，此时应大大降低充电电流以避免电池失水或阀控式铅酸蓄电池密封阀动作，在均衡充电结束时，充电器应自动转入浮充电状态。为了获得铅酸蓄电池的最大容量和延长其使用寿命，充电器的输出特性应该与电池的特性很好地配合。本充电器仅考虑了对电池的补充充电和短时间浮充电，因而未配置测量电池温度的传感元件。但变电站的充电机应考虑阀控式铅酸蓄电池的温度特性。

1　充电器的硬件结构
　　由于现场使用的12V铅酸蓄电池的容量大多为100AH，为了满足一般现场需要，我们设计的充电器最大输出电流为10A，最高输出电压为15V。为了减轻充电器的重量，我们采用美国Vicor DC/DC变换器模块作为充电电源。该模块工作效率高，体积小，具有过流和过热保护，平均无故障时间(MTBF) 高达几十万小时以上，通过调整模块上Trim 端与V_out(-) 之间的电压即可调整输出电压，是制作充电电源的理想元件；为了精确控制充电器输出的电流、电压，设置和显示充电参数，以及实现其它附加功能，我们采用了微控制器测控方案。微控制器选用51系列中的增强型器件W 78E52B，其内部有8k 字节的flash ROM ，256字节RAM，WDT电路等，性能价格比高。充电器电流测量前端电路采用15A分流器和仪表放大器，蓄电池电压测量前端电路采用电阻分压方式，充电电流和电池电压信号经模拟开关送A/D转换器变换为数字信号，A/D 转换器采用抗干扰能力强的双积分型7135，其分辨率为41/2 位，转换精度达13位，能够满足本装置的测量精度。Vicor DC/DC变换器模块的输出控制采用了具有数字接口的数字电位器。微控制器按规定的时序控制UP/DN，INC和/CS端即可调整数字电位器滑动端V_w的位置，从而改变DC/DC模块上Trim端与V_out(-) 之间的电压。为了贮存充电参数、向微控制器提供RTC时钟信号，我们选用DS12887，该器件由内置锂电池、实时时钟及114个不挥发RAM单元组成。显示及显示驱动部分采用0.5寸LED和显示驱动电路MAX7219，用于显示充电电流、电压值和充电器的状态，除此之外，还配置了微控制器电压监视复位电路和散热风扇控制驱动电路。为了防止因电池极性反接或电源模块造成模块和电池的损坏，电源输出部分安装了自恢复保险元件，过流时自恢复保险元件关断，故障消失后该元件恢复导通。测控部分的电路框图如图1所示。

图1　测控部分的电路框图

2　充电器的软件计
　　该充电器的软件设计考虑了以下几点：
　　①充电器按两阶段充电方式工作；②可设置恒流充电的电流值和转入均衡充电的电压值； ③可对电流、电压两个通道的A/D转换值进行数字修正和标定;；④统计本次充电过程中充入的电量;；⑤自检和自检出错时揭示故障信息； ⑥充电参数设置错误时的提示； ⑦操作不当时的提示； ⑧根据电源模块的输出电流控制散热风扇启停； ⑨充电器状态显示；⑩开始充电时，若电池电压值低于10V，应先以小电流充电至11V，然后再进入设定的恒定电流充电阶段，以避免6个单体电池中有1个电池短路时，导致电池一直处于大电流恒流充电状态； ⑾采用C51编程、模块化设计。

　　充电器的部分软件框图见：图2为两阶段充电控制，图3为电压、电流A/D转换及显示，图4为散热风扇控制。

图2　两阶段充电控制

图3　电压、电流A/D转换及显示

图4　风扇控制程序框图

3　结束语
　　采用高效、高功率密度的DC/DC变换器模块与微控制器结合控制并优化了铅酸电池的充电过程、实现了充电的灵活性。该充电器体积小、效率高、可靠性高，使用该充电器对电池充电可以保证被充电池的容量和寿命。本文介绍的虽然是12V，100AH及以下容量的电池充电器，只要选用适当的DC/DC变换器模块，简单修改一下充电器程序中的参数，就可以适应不同电压，不同容量的电池。长治供电分公司屯留变电站的1组12V密封阀控式铅酸蓄电池中有2只电池电压落后，其电池电压低于均电压0.7V左右，如果不进行处理，将影响整组电池的可靠性，我们使用自行研制的便携式充电器对其进行了补充充电和活化处理，使其电压恢复到正常水平。本便携式充电器经山西省内临汾、长治等供电部门使用，效果良好。