0 引言
鉛酸蓄電池由于其成本低、容量大、安全可靠等特點，在通信、電動汽車、軍事、航空航天等各個領域都有廣泛的應用。電池的性能好壞、使用壽命的長短直接影響到電子產(chǎn)品的使用壽命和使用安全；而充電器的好壞又直接影響到電池的使用壽命。因此研究低成本又有智能管理功能的充電器是有實際應用價值的課題。

1 目前智能充電器的幾種結構[1]

1.1 基于專用芯片的管理系統(tǒng)
現(xiàn)在，UNITRODE 公司已開發(fā)出系列電池管理專用芯片。因為電池管理中采用最多的就是控制充電電壓及充放電電流，電池管理芯片正是抓住了這一點，為VRLA 電池研制了具有四狀態(tài)管理的專用控制芯片，可以智能地實現(xiàn)帶溫度補償?shù)乃臓顟B(tài)管理方案：涓流充電模式、大功率充電模式、過充電模式和浮充電模式。不同的電池要有不同的芯片控制，因此，用專用芯片做管理系統(tǒng)其靈活性較差，

1.2 基于監(jiān)控測量的蓄電池管理系統(tǒng)
在給電池充電的過程中，涉及到電池工作電壓、工作電流、溫度等參數(shù)，這些都是表征電池狀態(tài)的重要參數(shù)。采用傳感器提取這些參數(shù)，然后再配合故障診斷、遙控遙測、自動報警和事故現(xiàn)場處理等功能，就可以組成一個電池管理系統(tǒng)。如圖1所示。

1.3 與電源設備一起構成的蓄電池充放電管理系統(tǒng)
在通訊、供電系統(tǒng)中，為了保證電網(wǎng)掉電時蓄電池組能及時補充電能，在規(guī)定時間內(nèi)向負載供電，保證通信或電力合閘系統(tǒng)的正常運轉，通常是將電池組直接掛接在電源模塊輸出端。當電網(wǎng)正常工作時，電池組工作在浮充狀態(tài)，起到平滑濾波和保持容量（補充自放電的容量損失）的作用。一旦電網(wǎng)掉電，蓄電池組立即投入工作，當電網(wǎng)恢復，電源模塊立即對電池進行充電。如圖2 所示。

這樣的一個系統(tǒng)由于和電源模塊聯(lián)系起來，所以，可以從充放電過程上來優(yōu)化電池工作狀態(tài)，電池充電成為可控的過程，建立在這樣一個系統(tǒng)上的監(jiān)控單元應該具有第一種監(jiān)控系統(tǒng)中所有功能，并且可以和電源模塊直接“對話”，根據(jù)要求對電池進行管理，并且可以實時監(jiān)控電池的放電狀態(tài)，對電池的工作進行優(yōu)化[2]。因此，電池組的工作會更加可靠，可控性和智能化程度也會更高。但是這樣一個系統(tǒng)存在的主要問題是：
（1）沒有解決電池組串聯(lián)運行過程中不均衡 現(xiàn)象的問題，這也是電池失效的重要原因之一；
（2）一般只完成了電池生產(chǎn)廠家提供的充電曲線，對于電池在使用過程中發(fā)生的其它問題控制不夠全面，例如深度放電后的涓充問題等。

在將來，充電器的發(fā)展方向是智能化、數(shù)字化、集成化。智能化可以使電池的管理做到全自動，無需人員監(jiān)管，真正做到免維護。數(shù)字化和集成化可以減少管理系統(tǒng)的體積和重量，減少系統(tǒng)的復雜度。

2 目前幾種充電方式[3]
鉛酸蓄電池的充電方法目前主要有恒流、恒壓、恒壓限流、脈沖充電、Reflex充電法。

2.1 恒流充電
恒流充電方式是一種簡單的充電方法。但是，恒流充電有其局限性：對電池過充電就會造成電池壽命的縮短，而過小電流又會延長充電時間。

2.2 恒壓充電
恒壓充電用簡單的控制方法很容易就能實現(xiàn)。在充電的初始階段，由于電池的電壓很低而造成充電電流很大，這對電池會造成損害。當電池電壓達到一定值之后，電流就會隨之減小。這種充電方法的缺點就是會造成溫度上升和電池的壽命減少，并且在開始時電流很大，而后來快充滿時電流又很小，就無法充分利用充電器的容量。

2.3 恒壓限流法
恒壓限流法實際上是將恒壓充電和恒流充電相結合，又可稱為混合充電法。在充電開始階段，由于電池電壓過低，為避免電流過大而損壞電池，就采用恒流充電法來限制充電電流。但電壓達到預定值時，進入恒壓充電方式。恒壓限流方式是大多數(shù)電池廠商推薦的充電方式。由于蓄電池充電電壓較低，充電后期電流很小，因此電解液中產(chǎn)生的氣泡很少，可以節(jié)省電能、降低蓄電池的溫升，避免損壞電池的極板。恒壓限流方式是一種很有效的充電方式，加上過充判斷、浮充控制、溫度補償?shù)染涂梢孕纬梢粋€簡單的充電管理系統(tǒng)，蓄電池可以在這個系統(tǒng)下更好地工作。

2.4 脈沖充電[4]
在充電過程中，只要充電電流不超過蓄電池可接受的電流，蓄電池內(nèi)部就不會產(chǎn)生大量的氣泡。蓄電池中產(chǎn)生的極化現(xiàn)象會阻礙充電，并且使出氣率和溫升顯著升高。因此，極化電壓是影響充電速度的重要因素。用周期性的脈動電流給電池充電可以使電池有時間恢復其原來狀態(tài)，減小極化現(xiàn)象的影響，解決快速充電面臨的難題。但是目前這種充電方式還在研究階段，對于采用多大的脈沖周期，占空比又是多少之類的具體問題還沒有一個定論。

2.5 ReflexTM充電方式
Reflex 充電方法是脈沖電流法的改進：一個周期是由一個正脈沖后加一個負脈沖，然后才是空閑時段。這樣就強制消除電池的極化現(xiàn)象，使得電池充電時可以更快而又不損害電池的使用壽命。這種充電方式與脈沖充電方式一樣，仍然處于研究階段。

3 數(shù)字式智能充電器的設計

3.1 系統(tǒng)結構和充電方案的設計
本文中設計的系統(tǒng)是一個針對12 V/（200～500Ah）的鉛酸蓄電池智能充電系統(tǒng)。采用半橋作為主功率拓撲，開關頻率取80kHz左右。
對于一個智能管理系統(tǒng)，控制模塊無異于它的大腦。充電器的所有動作都是由它來決定和控制的，所以控制模塊的選擇關系到整個系統(tǒng)的優(yōu)劣。由于系統(tǒng)需要多個A/D 轉換器，但不需要擴展存儲器也不需要通訊，根據(jù)以上特點我們選擇了MICROCHIP 公司的PIC 系列PIC16C73 單片機。
圖3 所示為智能充電器的系統(tǒng)框圖。單片機是智能充電器的核心部件，它根據(jù)電流、電壓采樣以及溫度采樣做出溫度補償后的PWM波形輸出，經(jīng)過驅動電路提供給功率電路，并且決定了智能充電器的工作狀態(tài)，可以在必要的情況下做出保護動作。意外故障保護電路可以在單片機失效的情況下對電路進行強制保護，起到雙重保險的作用。報警顯示部分用若干個LED表示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，簡單有效。

充電方式采用恒壓限流法。恒壓限流充電模式分兩個階段，第一階段是恒流階段，即系統(tǒng)給定電流值，給電池以恒定電流充電，當電池的電壓達到系統(tǒng)給定的轉化值，就轉為第二階段———恒壓階段。恒壓轉化值會影響充入電量的多少。
由圖4 可知，當恒壓轉化值（Vref）設置的較低時，充入的電量不足（圖中陰影部分就是少充入的容量），沒有充分利用電池的容量，長期工作，會引起電池容量丟失，這就要求把恒壓轉化值設高。但是恒壓值較高，容易在充電末期引起過充電，這同樣會導致電池容量丟失。

為了解決這個矛盾，系統(tǒng)引進了第三個階段———浮充階段，這樣就可以把恒壓轉化值設置的比普通恒壓限流模式高，這樣可以保證充入足夠的電量，在充電末期轉入浮充階段，用稍低的電壓浮充充電，從而保證不會過充電。
三階段充電方法保證了充電末期不過充，同時又能達到滿充的目的，是一種成本較低的通用蓄電池充電解決方案。

3.2 軟件系統(tǒng)的設計
圖5 為系統(tǒng)軟件的程序流程圖。根據(jù)電池的端電壓決定充電器工作在何種充電狀態(tài)。

我們做的是全數(shù)字化的改良型PI 調節(jié)環(huán)，由于PI 調節(jié)的積分環(huán)在前期對誤差進行積累，為了不讓積累的誤差影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以我們在誤差等于0 時，對原有積累的誤差清零。當誤差等于±1 時，只進行積分運算，減慢調整速度，避免產(chǎn)生振蕩。
鉛酸蓄電池的充電電壓需要根據(jù)環(huán)境溫度進行調整，以－4 mV/℃的補償系數(shù)來調整。因此我們加入了溫度補償?shù)墓δ堋?br />
4 實驗結果
圖6 為用電子負載模擬電池三階段充電過程的波形圖。從圖6 中我們可以看出智能充電系統(tǒng)能夠方便地實現(xiàn)各個充電狀態(tài)的轉換。

5 結語
用PIC 單片機可以實現(xiàn)全數(shù)字化的電池充電管理，結構簡單，成本較低，并且具有很高的靈活性，通過改變軟件內(nèi)設置的恒流參考值和恒壓參考值就可以改變系統(tǒng)的恒流電流和恒壓電壓值，使得系統(tǒng)在不改變系統(tǒng)硬件設計的情況下實現(xiàn)給多種不同容量的鉛酸蓄電池充電。另外可以實現(xiàn)有效的電池充電管理和保護功能，達到智能化控制。

參考文獻
[1] 羅光毅.蓄電池智能管理系統(tǒng)[D].浙江大學碩士論文，2003.
[2] Kiyokawa I, Niida K, Tsujikawa T, et al. Integrated VRLAbattery Management System [A]. Telecommunications Energy Conference, 2000. INTELEC. Twenty –second International Volume[C]. 2000, 703-706.
[3] Hua Chih-Chiang, Lin Meng-Yu. A Study of Charging Control of Lead-Acid Battery for Electric Vehicles [A].Industrial Electronics, ISIE 2000. Proceedings of the 2000 IEEE International Symposium Volume [C]. 2000,135-140.
[4] Cope R C, Podrazhansky Y.The Art of Battery Charging [A]. Battery Conference on Application and Advances,1999. The Fourteenth Annual[C]. 1999, 233-235.
[5] 竇振中. PIC 系列單片機原理和程序設計[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社，2003.

作者簡介
周震宇(1982-)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子技術。
張軍明，男，博士，研究方向為電力電子技術。
錢照明（1939-），男，教授，博士研究生，主要研究方向為電力電子應用技術，電力電子系統(tǒng)電磁兼容設計，電力電子系統(tǒng)集成。