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摘要:针对当前蓄电池充电器充电速度慢、效率低等问题，设计了基于STC12C5A60S2单片机控制的蓄电池快速充电器。详细分析了快速充电器硬件电路各个模块的工作原理，并对Buck主电路、驱动电路、单片机最小系统、电流电压采集电路、辅助电源等主要电路进行设计。同时还设计了基于PI控制的电压、电流闭环控制系统，并制作出了实物。通过对充电器恒流、恒压充电模式进行测试，测试结果表明所制作的蓄电池充电器对蓄电池进行恒流、恒压充电方案的可行性与有效性。
关键词:蓄电池;单片机;充电器;恒流充电;恒压充电
0引言
蓄电池是一种化学电源，是通过能量转换而获得电能的设备，具有容量大、性价比高、原材料丰富等优点［1］。当蓄电池充电时，电能转化为化学能，供电时，化学能转化为电能。近几年，在国家政策的支持下，蓄电池作为一种新能源广泛应用在电力电子系统中，特别是在工业上的全自动小车、电动汽车等方面发展最快。蓄电池技术的进步带动了信息、通信、电动汽车等相关产业的发展［2］。随着蓄电池使用量的不断增加，传统的充电模式造成蓄电池的循环使用寿命变短和储存容量下降，使蓄电池过早的废弃，产生了严重的资源浪费和环境污染。因此，高效、快速并且安全可靠的蓄电池充电方法就显得很重要。本文以应用于微电网中储能蓄电池为研究对象，设计以STC12C5A60S2单片机为主控电路的蓄电池快速充电器，给出了详细的硬件和软件设计过程，并提供了控制器的测试结果，测试结果表明所制作的蓄电池充电器对蓄电池进行恒流、恒压充电方案的可行性与有效性。
1系统总体方案设计
系统总体设计方案包括硬件设计和程序设计。硬件设计主要对Buck的拓扑电路、驱动电路、单片机最小系统、电压电流采集电路、辅助电源电路、显示与按键电路的设计，并对各电路的工作原理进行分析;程序设计主要是对系统控制方法和恒压恒流程序的设计。系统的整体结构框图如图1所示。蓄电池快速充电器由单片机主控系统、电流电压采集电路、辅助电源电路、按键电路、Buck电路、驱动电路、显示电路构成。单片机主控系统是由单片机和外围的复位电路、晶振电路、ISP1下载电路组成，通过调节脉冲占空比的大小，达到输出恒流或者恒压的目的。Buck电路的主要组成器件是MOS开关管。辅助电源为驱动电路和单片机提供可靠直流电压，其电路是把接入的高电压转换为所需的电压。驱动电路的作用是把单片机发出的PWM波进行放大和隔离。电流电压采集电路是对输出端电压电流的实时采集，反馈给单片机系统进行处理。
2系统硬件设计
2．1蓄电池快速充电器主电路设计
系统采用同步Buck电路作为充电主电路，主要由全控器件MOSFET、电感元件L、电容C等元件构成［5］，主要功能是把原直流电压转化为所需求的直流电压，电路如图2所示。同步Buck拓扑电路工作在电感电流连续模式，即CCM模式。对于同步Buck拓扑电路，元件参数的计算主要对电感、电容进行计算。(1)电感参数的计算当处于最大输入电压时，占空比公式为:根据设计参数可以知道最大输入电压为36V，输出电压为12V，所以占空比为0．33，考虑此时的输出电流为2A，一般选择输出滤波电流脉动为额定电流的20%，即0．4A。于是对于最小电感值为:其中f为Buck电路中开关管的开关频率，通过计算可得电感值最小为860μH。开关频率是由ST-CRC5A60S2单片机的内部PWM模块决定的，不受其他因素的影响，当单片机外部晶振电路使用外置12MHz的晶振时，PWM输出频率为23kHz。对于上式的最小电感的计算结果，需要考虑一定的裕量，不能直接取上式计算结果大小的电感，故使用1mH的滤波电感。(2)电容参数的计算设恒流输出的时候，最大输出电压24V，即恒流值为2A、24V，然后开始计算输出电容值。令纹波电压的输出为:事实上，电解电容上电阻R(ESR)的大小能够决定输出电压的峰峰值。滤波电感电流的脉动为0．4A，为了让电解电容上R的电压脉动不大于24mV，那么R的值需要小于0．06Ω。根据电解电容的特点，其容量与R满足的关系如下:得到最小的滤波电容C=1000μF，在实际的电路中使用两个1000μF/50V的电容并联。
2．2驱动电路设计
驱动电路是主控电路和主电路连接的桥梁，因为单片机的I/O口不具备直接驱动主电路的MOS管的能力，所以由驱动电路间接控制主电路MOS管的通与断。驱动电路正常工作是整个系统可以稳定运行的关键。IR2104S芯片不仅拥有双通道的输入输出信号，还有栅极驱动及高压高速功率驱动器。该芯片采用电平转换技术，满足了逻辑电路对功率器件的控制要求，提高了驱动电路的可靠性。由IR2104S组成的驱动电路稳定性很好，能够保证MOS管的可靠通断。驱动电路如图3所示。
2．3辅助电源电路设计
辅助电源是为单片机、显示器和驱动电路供电的，在辅助电源中用到了LM2596和L7805T两个芯片。考虑到MOS管驱动器IR2104S供电需要12V的电压，但是单片机、INA282、液晶显示LCD1602这些部分需要5V的供电。而整流后输入的电压是18V，压差比较大，所以本设计中先采用LM2596将电源电压降到12V，然后再采用低压差线性稳压源L7805T将12V的电压通过稳压后得到5V的直流电压输出，具体电路如图4所示。
3系统软件设计
3．1主程序设计
主程序设计主要包括两个部分，分别是输出恒压程序、输出恒流程序的设计。输出恒压、恒流的程序设计是通过单片机采集电路上电压电流，看输出电压是否等于给定值的大小，然后通过单片机内部的PWM模块改变占空比的大小来调节，使输出电压、输出电流为恒定的给定值，系统主程序流程图如图5所示。
3．2恒压恒流控制技术
当电路切换到恒压模式时，此时恒压子程序开始运行，在程序中设置好给定电压为12V，将从主电路中采集回来的电压和此给定值相比较，如果等于此值，直接输出，如果不等于此给定值，通过系统相应调节后再输出恒定电压。其控制框图如6所示。当电路切换到恒流模式时，这时恒流子程序起作用，先在程序中设置好电流给定值为2A，把从主电路中采集回来的电流同这个给定值比较，如果等于此值，直接输出，如果不等于此给定值，通过系统相应调节后再输出恒定电流。其控制框图如7所示。
4测试与分析
4．1测试方案
本设计采用滑动变阻器来代替蓄电池进行充电测试，需对输出的电压电流性能指标进行测试。充电器的测试框图如图8所示，充电器和滑动变阻器、稳压电源连接，用数字万用表记录输出的电流电压，通过示波器检测两种模式下的输出波形。具体方案如下:(1)恒压输出测试:切换到恒压输出模式，保持输入电压不变，通过滑动变阻器改变阻值大小，测试出输出电压并记录在表格中，并通过示波器观察输出波形。(2)恒流输出测试:切换到恒流输出模式，保持输入电压不变，通过滑动变阻器改变阻值大小，测试出输出电流的数据并记录在表格中，并通过示波器观察输出波形。
4．2测试与结果分析
(1)切换到恒压模式时，当输入电压保持24V不变，负载电阻分别为6Ω、8Ω、10Ω时，测试的输出电压Vo的结果如表1(参考电压的误差V=Vout±0．1V)。(2)当切换到恒流模式时，输入电压Vs为24V，输出电阻分别为6Ω、8Ω、10Ω时，测试输出电流Io的结果如表2(参考电流的误差I=Iout±0．1A)。通过对以上测试结果分析可得，恒压、恒流两种模式下的输出与各自给定值基本相等(允许的误差范围之内)，表明本次设计能够实现对蓄电池的恒流、恒压充电。
5结论
本文基于STC12C5A60S2单片机设计出蓄电池快速充电器，选用Buck拓扑电路作为充电器的主电路，通过制作出的实物进行测试，测试结果表明:系统给定输入电压在24～36V范围内，在恒流模式下恒定输出电流为2A，误差为±0．1A，在恒压模式下恒定输出电压为12V，误差为±0．1V，该充电器有着广泛的应用前景。
参考文献:
［1］李成谦，周克，董芳针．基于AVR单片机的蓄电池充电器设计［J］．工业控制计算机，2016，29(9):132－133．
［2］何志强，崔新会，郑艳娟，等．基于51单片机的铅酸蓄电池充电器的实现［J］．福建电脑，2006(12):148－149．
［3］吕志方．开关电源的原理与维修［J］．山东工业技术，2018(8):159．
［4］王红，许加建，张于贤，等．Buck变换器在射流清洗设备电源中的应用［J］．电子技术应用，2018，44(3):135－138．
［5］齐鑫．大功率UPS电源蓄电池管理的研究［D］．大连:大连理工大学，2011.
作者:唐梦娴 鄢笠 单位:国网长沙供电公司 国网株洲供电公司
