基于P89V51RD2的多功能蓄电池充电系统设计

1 引言
    免维护蓄电池(简称蓄电池)以易用、价廉和储能比高等优良性能在电动自行车、电动游览车及不间断电源系统中得到广泛的应用，成为普及率最高的电能储能设备。目前的蓄电池充电器绝大多数以恒流恒压方式充电，没有考虑环境温度变化对蓄电池充电过程的影响，影响了蓄电池性能的充分发挥和使用寿命。笔者结合蓄电池的充电特性，以P89V51RD2型微处理器为控制核心，开发了多功能数字式蓄电池充电机，实现了对36 V以下、100 Ah以内的蓄电池的初充、激活、快充和正常充电等功能，同时根据环境温度变化，自动调整充电终止电压，实现了充电过程的智能化。

2 蓄电池充电特性
    蓄电池的充电是一个复杂的电化学过程。影响充电效果的因素很多，温度即是其中之一。图1所示是以新的12 V/100 Ah蓄电池为对象，以0.1 CA(CA为蓄电池的标定容量，单位为A·h)的标准恒定电流在不同环境温度下的充电特性曲线。由图1可以看出，在充电过程中，温度的改变会对充电电压产生重要影响。温度在O℃~5℃时，其充电端电压会上升约2％，在10℃～25℃时充电端电压上升约1.5％，而在35℃～40℃时充电端电压下降约1％；当温度高于55℃时充电端电压下降5％。由此可见，采用恒压充电模式，在冬季充电可能不足，而在夏季蓄电池可能过充电。实践也证明，蓄电池在充电过程中电压随时间呈指数规律下降，即使是相同型号、相同容量的蓄电池，因放电状态、使用和保存期的不同，其充电性能也大不一样。因此，不可能按恒流或恒压进行充电。

3 主要元器件
    TLC2543是11通道高速A/D转换器，采样速率达200 kHz，其输入命令格式如表1所示，工作时序如图2所示。

    OCM2X8C是：128x32点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8 192个汉字(16x16点阵)、128个字符(8x16点阵)。可与CPU直接接口，提供8位并行及串行连接方式，具有多种功能光标显示、画面移位、睡眠模式等功能。因微处理器引脚数量限制，在系统中采用串行通信模式。各引脚功能如表2所列。

    P89V51RD2是一款与80C51单片机完全兼容的高性能微控制器，内部集成了64 KB Flash和1024字节RAM，可提供6个机器周期和12个机器周期，最高时钟为40 MHz。支持ISP编程、PWM输出、PCA可编程计数阵列和可编程看门狗定时器等。

4 系统工作原理及接口电路设计
    本系统主要由微处理器控制系统、中文液晶显示、PWM充电输出、A/D转换器和键盘扫描等组成，其结构框图如图3所示。

    微处理器是系统的控制核心，模拟TLC2543的工作时序，控制TLC2543分别对蓄电池的端电压、充电电流及温度进行采样，完成A/D转换，对采样结果进行运算和分析判断，然后控制PWM输出电路，改变充电电流和调整充电端电压。接口电路如图4所示。

    键盘系统有4个按键：ON/OFF键是充电过程启停控制键；S键是循回功能选择键，主要有工作模式、蓄电池电压、容量、充电模式、时间限定等；“+”键和“-”键是工作参数调整键，工作模式分为自动和手动，蓄电池电压有6 V、12 V、18 V、24 V、30 V、36 V，容量项从2Ah至120Ah，共26项，充电模式为正常、初充、激活、快充，时间限定功能可以设定充电开始的时间和充电结束时间等。
    由微处理器模拟TLC2543的工作时序，通过P20、P21、P22、P23和P24与TLC2543相连，对A/D转换过程进行控制。TLC2543的AIN0监控第一PWM输出通道的充电电流，AINl监控第一PWM输出通道的充电端电压。AIN2和AIN3、AIN4和AIN5、AIN6和AIN7分别用于第二、三、四PWM输出通道。AIN8、AIN9、AINl0分别通过T_IN端子连接AD590型温度传感器，AIN8、AIN9测量蓄电池充电温度，AINl0测量环境温度。
    PWM充电电路的PINl为ACl6 V/30 A、AC33V/25 A和AC50 V/20 A电源输入端，由微处理器根据不同的输入蓄电池的端电压，通过继电器J2和J3自动选择合适的交流电源。PWM脉冲由CEX0输出，通过TLP250型光电耦合器驱动N沟道功率MOSFET输出。R6为充电电流采样电阻器，阻值为O.1 Ω。IC2A构成增益为3.3的放大器，对充电电流流经采样电阻器的电压进行放大，并输出到TLC2543的AINO端进行A/D转换。当检测到充电电流过大时，增大PWM占空比，反之减小占空比。当充电电流大于15 A时，若PWM控制电路还没有及时调整到正常范围，IC2A输出电平高于5.4 V时，会击穿4.7V稳压管V7，经V2使三极管N4导通，通过TLP250和P1关断输出电源，保护供电系统。

    充电端电压由R2和R9分压后，输送到AINl端。充电端电压是判断充电过程的主要依据，低于蓄电池标称电压的13％一般是因为过放电或存放时间过长，采用0.1 CA的平均脉冲电流充电；充电端电压在标称值±13％内时，则采用0.35 CA的充电电流实施快速充电；当充电端电压接近或高于标称+13％时，充电电流逐渐减小，当充电端电压达到进行温度修正后上限值时，通过改变PWM的占空比，使用极小的电流充电。采用分段式脉冲充电方式，能够改善蓄电池性能和提高蓄电池的充电接受率。
    第二路PWM、第三路PWM和第四路PWM与此相同。
    微处理器P89V51RD2的CEX4引脚、P3、N1及Bl组成独立电源，为TLP250供电，驱动N-MOSFET输出。电压由软件调整。

5 软件设计
    5通道PWM输出公用1个PCA计数器，输出频率相同，占空比各自独立。与PWM输出相关的特殊计数器有PCA计数方式寄存器CMOD、计数控制寄存器CCON、PCA计数器CH、CL，5个模块工作模式寄存器CCAPMO_4和5个捕获计数器CCAP0_4H、CCAP0_4L。在PWM模式时，当计数器CL<CCAP0L时CEX0=0；CL>CCAP0L时，CEXO=1；CL=CCAPOL时CEX0翻转。计数器CL由255变到O时，CCAPOL的值由CCAPOH重装。改变CCAPOH的值即可改变PWM输出的占空比，因此，由A/D转换器反馈的充电电流、充电端电压及环境温度不断按最优化方案调整CCAPOH的值，改变充电电流。
    程序用KEIL C51 Ver 6.12编译调试。主程序逻辑框图如图5所示。

6 结束语
    实验证明，采用分段定电流充电法及PWM脉冲充电技术，结合蓄电池的温度特性，以P89V51RD2型微处理器为控制核心的智能化多功能蓄电池充电系统适应性强，能有效提升蓄电池的充电接受率，改善蓄电池性能，缩短充电时间。