基于嵌入式系统的铅酸蓄电池充电控制器设计.docx

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基于嵌入式系统的铅酸蓄电池充电控制器设计

基于嵌入式系统的铅酸蓄电池充电控制器设计

绪论

铅酸蓄电池作为一种可重复使用的储能设备得到了广泛的应用，但是充电一直是影响其使用寿命的关键问题。

因此，本文致力于研究并设计一种快速、安全、智能的蓄电池充电控制器。

本文根据充电系统的功能要求和技术指标，进行了总体方案设计。

蓄电池充电控制器的控制方式采用基于时下最常用的嵌入式ARM7微处理器LPC2292的数字控制。

充电系统采用多模式充电控制策略，分别为激活充电、大电流快速充电、过充电和浮充电四种模式。

根据充电系统的总体方案，对充电控制器的硬件和软件进行了详细的设计与实现。

硬件部分主要充电控制器的驱动电路，采样电路，保护电路以及辅助电源的设计。

软件部分主要包括介绍了μC/OS-II实时操作系统在ARM7上的移植和各个软件模块包括A/D采样、控制器数据的处理以及数据在LCD显示等程序的实现。

关键字：

嵌入式；铅蓄电池；充电控制器；LPC2292

ABSTRACT

Asareusableenergystoragedevicetothelead-acidbatteryhasbeenwidelyused,butthechargehasbeenakeyissueistheimpactofitsusefullife.Therefore,thispaperiscommittedtoresearchanddesignafast,safe,smartbatterychargecontroller.

Accordingtothechargingsystemfunctionalrequirementsandtechnicalspecifications,thedesignoftheoverallprogram.BatterychargecontrollercontrolamongthemostcommonlyusedembeddedARM7microprocessorLPC2292-baseddigitalcontrol;chargingsystemusingmulti-modechargingcontrolstrategy,wereactivatedcharging,high-currentfastcharge,over-chargeandfloatingchargefourmode.Accordingtothegeneralschemeofthechargingsystem,adetaileddesignandimplementationofthehardwareandsoftwareofthechargecontroller.Thehardwarepartofthemainchargeofthedrivingcircuitofthecontroller,thesamplingcircuit,theprotectioncircuitandanauxiliarypowersupplydesign.ThesoftwarepartincludesARM7transplantofμC/OS-IIreal-timeoperatingsystemandsoftwaremodules,includingtheA/Dsampling,thecontrollerdataprocessinganddataintheLCDdisplayprogramrealization.

Keywords:

embedded;lead-acidbatteries;chargecontroller;LPC2292

1绪论

1.1研究背景及意义

自从1859年法国科学家普朗特以铅为电极制成铅酸蓄电池以来，铅酸蓄电池经过一百多年的发展与完善，已经成为世界上广泛使用的一种化学电池，铅酸蓄电池由于其成本低、容量大、安全可靠等特点，在通讯、铁路、军事、电动汽车、光伏发电等各个领域都有广泛的应用，逐渐发展成为社会生产和人类生活中不可缺少的设备。

蓄电池在实际应用中遇到的最大问题是其使用寿命远远达不到设计寿命。

设计寿命在10~15年的蓄电池，在实际使用时大都在3~5年便损坏，有些甚至不到一年便失效了，这不但影响了电气设备的可靠性，而且还造成了重大的经济损失。

蓄电池的使用寿命由多方面的因素决定，包括蓄电池本身的物理性能、使用环境、监控管理方式和充放电制度等。

通过对过早失效的蓄电池进行统计及分析发现，大部分都是由于充放电控制不合理而造成的。

因此，要提高蓄电池的寿命，最重要的是使用合理的充电方法对蓄电池进行充电。

如何高效、快速、安全地对蓄电池进行充电控制，一直是人们关心的问题。

虽然蓄电池问世至今已有100多年的历史，但是由于技术条件的限制，目前很多的充电器仍然采用传统的充电方式，在使用这些传统充电方法的充电过程中，铅酸蓄电池大多存在着的过量充电和析气等现象。

在一定程度上缩短了蓄电池的使用寿命，给使用者造成了一定的经济损失。

随着铅酸蓄电池在新能源开发中的广泛应用，对蓄电池的充电方法和充电装置都提出了新的要求：

研究并设计一种快速、高效、安全的蓄电池充电系统成为一项很重要的任务。

对蓄电池充电的改进可以从两个方面考虑，一是蓄电池的充电方法，二是蓄电池的充电装置。

随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术以及自动控制技术的发展，蓄电池的充电控制方法和充电装置的研究也越来越广泛，这两个方面的研究设计对光伏发电、电动汽车等新兴绿色环保产业的发展具有非常重要的意义。

1.2蓄电池充电装置的研究现状

蓄电池充电本质上是一个能量转换的过程，蓄电池充电装置实际上是一个充电电源，该充电电源通过一定的控制算法使得输出电压和输出电流与蓄电池充电曲线相吻合。

目前，常用的充电电源主要有以下三种：

相控电源、线性电源和开关电源。

（1）相控电源是比较传统的电源，它将市电直接经过整流滤波后输出直流，通过改变可控硅整流器的导通相位角，来控制电源的输出电压。

相控电源所使用的变压器是工频电源变压器，它的体积庞大，由此造成相控电源本身体积庞大、效率低下。

而且该类电源动态响应差、可靠性低。

目前相控电源已经有逐步被淘汰的趋势。

（2）线性电源是另一种常见的电源，它是通过串联调整管，可以连续控制的电源。

线性电源的功率调整管工作在放大区，通过的电流是连续的。

由于调整管上的损耗功率较大，所以需要采用大功率调整管并需要装配体积很大的散热器。

（3）开关电源的研究发展历史比较短，在20世纪60年代中期开始了相关的研究，并于当时研制出了20kHz的DC/DC变换器，这为开关电源的发展奠定了基础。

七十年代，出现了使用高频变换技术的整流器，它使交流电不经过50Hz的工频变换器，而是直接整流再逆变为高频交流，再整流滤波变为所需的直流。

随着电力电子技术和自动控制技术发展，尤其是大功率高压场效应管等新型高频开关器件的出现，使得功率变换器的开关频率得到很大的提高，减小了功率变换器中的变压器体积和重量，从而大大减小了开关电源的体积和重量。

开关电源由最初的低频开关电源发展到高频开关电源（20kHz以上），其开关频率越来越高，控制技术也越来越完善，在蓄电池充电装置的设计中，正是由于开关电源的性能越来越完善，已逐步成为充电功率主电路设计的首选。

目前，国内外研究者对于铅酸蓄电池的研究重点大部分在蓄电池的充电方法上，而对于蓄电池充电装置研究的相对较少。

蓄电池充电系统的功率主电路仍然采用一些基本的开关电源拓扑结构上，一些充电系统的功率和输入电压等要求比较低，因而选用的开关电源拓扑相对简单。

目前用于蓄电池充电的功率主电路主要有Buck变换器、Boost变换器等。

这几种结构都是由功率开关管、二极管、电感和电容组成的DC/DC变换电路。

1.3蓄电池充电方法的研究

1.3.1恒流充电方式

充电器的交流电源通常会波动，充电时需要一个恒流直流模块，即恒流充电器。

当采用恒流充电时，可以使得电池具有较高的充电效率，可以根据电池的充电时间来决定充电是否终止，也可以改变电池的数目。

1.3.2恒压充电方式

当对电池进行恒压充电时，电池两端的充电电压决定了充电电流。

这种充电方式的特点是：

在充电的初期电流会很大，在充电的末期电流会很小，充电的电流随着电压的波动而变化，因此在控制策略中设定充电电流的最大值应设置在充电电压最高时，以免发生过充电，损害电池的寿命。

1.3.3浮充方式

在浮充方式中，电池以很小的电流（C/30~C/20）进行充电，以使得电池保持在满充状态，浮充方式多用于备用电源或者应急电源充电，以保证电池的电量稳定。

1.3.4涓流充电方式

在正常情况下，直流电源作为负载的工作电源，并以涓流充电的方式为电池充电，只有当负载变的很大时，直流电源端电压低于电池端电压或直流电源停止供电后，电池才对负载进行放电。

这种情况下的充电电流根据不同的充电模式进行确定。

它通常用在备用电源、紧急电源等不允许断电的情况下使用。

1.3.5分阶段充电方式

在分阶段充电方式中，在电池的初始阶段充电电流较大，当电池电压达到控制点时，电池即转为以涓流充电方式充电，分阶段充电是电池的最理想的充电方式，缺点是电路复杂。

1.4本文研究内容

电力电子技术、现代控制理论的快速发展，为蓄电池充电系统的发展提供了坚实的理论基础，同时集成电路技术和嵌入式系统的飞速发展，尤其是以ARM为代表的混合信号处理器为蓄电池充电控制技术的发展提供了广阔的前景。

本文的主要目的是研究并设计一种基于嵌入式系统的蓄电池充电控制器，主要包括蓄电池的充电装置、控制方式、充电方法以及系统软硬件的设计与实现。

根据设计要求，制作了一套蓄电池充电系统，该系统以双管反激变换器作为功率主电路。

通过蓄电池的工作原理和常用充电方法的分析，确定充电系统采用多模式充电控制策略。

充电控制器以基于ARM7的LPC2292芯片为核心，实现数字化控制，既实现了蓄电池的充电控制，又能够将充电信息在LCD中显示，方便了系统的运行监控。

2蓄电池充电控制器的总体方案设计

2.1充电控制器的功能和技术要求

本文的主要目的是研究并设计一套蓄电池充电控制器，控制器的总体功能和技术要求如下：

（1）充电系统的输入直流电压范围为200~650V；

（2）充电系统的直流输出电压范围为0~60V，待充蓄电池组额定电压为48V；

（3）充电系统的输出直流电流范围为0~20A；

（4）充电系统的最大输出功率为1200W；

（5）充电系统应根据蓄电池的荷电状态采用合适的充电方法对蓄电池进行充电；

（6）充电系统应具有完善的充电保护功能；

（7）充电系统应具有实时显示和监控的功能。

2.2蓄电池充电控制器的总体方案

根据充电控制器的功能和技术要求，对蓄电池充电控制器的总体方案进行设计，系统总体结构如图2.1所示，显示了充电控制器的主电路及外围电路结构。

图2.1蓄电池充电系统总体结构框图

在图2.1中，充电系统功率主电路由DC/DC变换器构成，充电系统在充电过程中需要对蓄电池的输入电压、充电电压、充电电流以及温度等参数进行实时的采样，由充电控制器实现主电路功率开关管的开关控制以及蓄电池的充电控制，同时充电控制器还具有LCD显示和RS232通信等功能，能够实现对蓄电池充电的显示和监控。

本充电系统具有完善的硬件保护措施，能对输入过压、输出过压、输出过流等实现硬件保护功能。

充电系统中，由充电控制器产生占空比变化的脉冲宽度调制信号（PWM）控制主电路开关管的开通与关断，实现蓄电池的充电控制。

蓄电池充电系统各个部分的功能为：

（1）DC/DC主电路是实现充电系统能量转换的功率电路，由于输入电源为200V~650V的直流电压，而待充蓄电池组的额定电压为48V，因此需要DC/DC变换器进行功率变换。

（2）充电控制器是整个充电系统的控制核心，既要实现对主电路功率开关管的控制，又要实现对蓄电池的充电控制。

（3）驱动电路，对充电控制器输出的PWM信号进行隔离放大，产生满足功率开关管正常工作要求的驱动信号。

（4）采样电路，对输入电压、充电电压、充电电流以及温度等参数进行采样调理。

（5）保护电路，以硬件的方式对蓄电池的输入电压、充电电压和充电电流进行保护，防止蓄电池的过流和过压，有效保护充电系统的运行。

（6）显示电路，在充电过程中，对蓄电池的输入电压、充电电流、充电电压以及温度等参信息进行显示。

2.3充电主电路拓扑结构分析

蓄电池充电的功率主电路大多采用DC/DC变换器，目前，常用的DC/DC变换器有很多种，大致可以分为两类：

（1）非电气隔离型DC/DC变换器，包括Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器、Cuk变换器，这类变换器适用于升降范围窄、输入输出间无须电气隔离的场合；

（2）电气隔离型DC/DC变换器，包括反激、正激、推挽、半桥及全桥变换器，这类变换器适用于升降范围宽、输入输出间需要电气隔离的场合。

本蓄电池充电系统的输入直流电压范围为200V~650V，输入电压高而且范围宽，待充蓄电池的额定电压为48V，充电系统的最大输出功率为1200W，对于高压输入、大功率输出的应用场合，非电气隔离型变换器由于无法实现输入与输出之间的电气隔离，存在着应用的局限性，因此需要采用电气隔离型的DC/DC变换器。

本文采用了双管反激变换器的拓扑结构，双管反激变换器使用两个功率开关管，同时导通和关断，并在电路中采用箝位二极管，在反激过程中把功率开关管承受的峰值电压箝位在输入电源电压，大大降低了每个开关管上的电压应力，扩大了在高输入电压应用场合功率开关管的选择范围，也保留了反激电路结构简单等优点。

双管反激变换器电路拓扑如图2.2所示。

变压器用磁化电感

、漏感

和只有变比关系的理想变压器T表示。

图2.2双管反激变换器电路拓扑

由图2.2分析可得双管反激变换器具有下列优点：

（1）由于两个功率开关管同时开通、关断，每个功率开关管只承受一半的关断电压，适合输入电压较高的场合；

（2）续流二极管D1、D2将变压器漏感能量回馈到输入侧，有效地抑制了漏感引起的关断电压尖峰，并使得功率开关管承受的电压应力仅为输入电压

。

2.4系统控制方式的分析与选择

本充电系统的功率主电路采用双管反激变换器的拓扑结构，双管反激变换器功率开关管的控制采用PWM控制，以主电路的输出电压为例，PWM控制的基本工作原理就是在输入电压、或者外接负载变化时，控制电路通过被控信号（输出电压）与基准电压信号的差值进行闭环反馈，调节主电路功率开关管的导通时间（脉冲的周期保持不变），即功率开关管的导通脉冲宽度，来达到稳定输出电压的目的。

PWM控制信号的产生通常由两种方式：

（1）模拟控制方式，传统的DC/DC变换器大多采用模拟控制技术，图2.3所示为模拟方式控制的DC/DC变换器结构图，该电路中，DC/DC变换器的控制单元由模拟PWM控制器实现，模拟PWM控制器由比较器、误差放大器和模拟调节器等模拟元件组成，DC/DC变换器的直流输出电压经过分压得到的分压值与基准电压进行比较，并且将反馈电压经过模拟调节器的反馈调节后送入比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端为预设的周期锯齿波信号，将两者进行比较产生控制功率开关管开通与关断的PWM控制信号，由占空比变化的PWM信号调整DC/DC变换器的输出电压，使变换器的输出电压稳定。

在充电系统中，模拟控制的方法也有应用，但是模拟控制方式的充电控制器充电方法单一，功能简单，而且存在控制电路复杂、元器件多以及控制电路一旦成型很难修改等缺点，不利于系统的集成化和小型化。

图2.3模拟控制方式的DC/DC变换器

（2）数字控制方式

图2.4所示为数字控制的DC/DC变换器的结构图。

控制功率开关管开通与关断的PWM控制信号由数字PWM控制器产生，如单片机，DSP，ARM以及FPGA等。

数字控制型变换器与模拟控制型变换器相同的部分为功率主电路和滤波单元，不同的部分为控制单元，数字PWM控制器由模数转换器、数字调节器和数字脉冲宽度调制器等部分组成。

在数字控制器中，由模数转换器将电压模拟量转换为数字量，经过数字调节器模块对误差电压进行反馈调节后产生数字PWM信号。

数字控制的DC/DC变换器中，所有的系统控制算法都在数字PWM控制器中执行，它将被控的模拟信号转换成数字信号，并在数字域利用这些数据计算控制响应，然后产生控制功率开关管导通时间的PWM信号。

图2.4数字控制方式的DC/DC变换器

随着现代控制理论和数字信号处理技术的不断发展，电力电子电路的控制技术正朝着数字化的方向快速发展。

由于数字控制可以采用灵活的控制策略，一些先进的控制方法用于电力电子电路成为了可能。

随着数字处理器的性价比不断提升，应用数字控制的开关电源日益增多，与模拟控制相比，采用数字化控制技术有着许多不可比拟的优点：

（1）数字控制可以实现各种复杂的控制策略，提高控制系统的性能，各种在模拟电路中难以实现的现代控制方法也开始应用于变换器的控制中，大大丰富了开关电源的控制方案。

开关电源的模拟控制技术发展了很多年，虽然各方面都比较成熟，但却无法克服其固有的缺点：

控制电路复杂，元器件比较多，不利于小型化的发展；控制电路一旦成型，很难修改，调试不方便；控制不灵活，复杂的控制方法用模拟的方法很难实现。

采用数字控制技术，使得许多高级、复杂的算法可以通过数字控制器来实现。

（2）与传统的模拟控制器相比，数字控制器具有更高的可靠性和抗干扰能力。

模拟元器件易受环境和温度的变化影响，所以模拟控制器稳定性差。

数字控制器较少受到器件老化、环境或参数变化的影响，比模拟控制器更稳定可靠，具有很强的抗干扰能力。

（3）数字控制可以提供友好的通信界面、故障诊断能力、及抗干扰能力。

数字控制系统通过LCD显示和RS232通信实现人机交互等功能，系统一旦出现故障，可以方便地通过RS232接口进行调试、故障查询，方便了系统运行的监测，使系统更加智能化。

（4）数字控制系统灵活性高，数字化极大地简化了变换器控制的硬件结构。

传统的模拟控制器是通过调节和改变具体元件的参数值来实现不同的控制规律。

这样不可避免地会造成许多资源上的浪费，而且设计周期比较长。

而数字控制器只需通过软件编程就可以修改控制规律，还可以及时通过仿真验证，使得对设计工作变得相当灵活。

当变换器的性能要求改变时，为了修改控制规律，对于模拟控制器来说，需要重新设计电路并制板；而对于数字控制器，则可通过编程来增加、删除和修改任何控制参数，从而极大地缩短了设计周期。

总之，对DC/DC变换器采用数字控制方法大大提高了变换器的控制性能、灵活性等，变换器的性能主要由软件来决定，而不是在于大量模拟元器件的参数，这就意味着成本和空间的节省以及实现复杂算法的能力。

数字控制的这些优点大大提高了功率变换器的综合性能，由模拟控制向数字控制的转变是DC/DC变换器的一大发展趋势。

2.5蓄电池充电方法的选择

影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，在蓄电池充电系统中，铅酸蓄电池的充电方法直接响到充电系统的性能和蓄电池的使用寿命，采用合理的充电方法尤为重要。

随着对蓄电池的研究深入，蓄电池充电技术在不断发展。

目前，大多数厂商的充电设备采用的是恒压限流的充电方式，这种方式控制简单，没有根据蓄电池的实际状态进行电流和电压的调节，造成充电时间过长甚至损坏蓄电池。

在实际使用过程中，闲置的蓄电池常常会过度放电，如果一开始就采用较大的电流充电，容易造成热失控，不利于激活电池内部的活性物质。

因此，通过对充电理论和传统充电方法的分析，本蓄电池充电系统采用多模式充电控制策略，它综合了常规充电方法和快速充电方法的优点，使蓄电池保持较高的容量和较长的使用寿命。

图2.5所示为多模式充电阶段图。

图2.5多模式充电阶段图

在本充电系统中，蓄电池的充电过程主要分为激活充电、大电流快速充电、过充电和浮充电四个阶段。

这四个充电阶段是完全按照蓄电池的状态进行设置的，多模式充电控制策略考虑到蓄电池在实际使用过程中的荷电状态，根据蓄电池的荷电状态进行相应的充电控制，通过对蓄电池端电压的检测，确定采用何种充电模式，有效地维护了蓄电池的充电寿命。

这种多模式的充电方法综合了恒流充电快速而安全、及时补偿蓄电池电量和恒压充电能够控制过充电以及在浮充状态保持蓄电池100%电量的优点。

这种充电控制策略能够实时检测充电情况并按预定的充电方案对蓄电池充电；通过对蓄电池荷电状态的分析与判断，选择合适的充电模式，激活充电能够有效地激活过放电蓄电池内部的活性物质，避免初始大电流快速充电对蓄电池造成损坏；大电流快速充电能够最大效率地补足蓄电池的电量；过充电能够能够使得蓄电池的电量接近100%充满，最后的浮充电又能够补充蓄电池自身放电而损失的电量，进一步补充蓄电池的电量并延长蓄电池的使用寿命。

3嵌入式ARM及LPC2292微处理器介绍

3.1嵌入式系统概述

3.1.1嵌入式系统的定义

随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，以个人数字助理、手持个人电脑和信息家电为代表的3C（Computer、Communication、ConsumeElectronics）一体的后PC时代已悄然而至。

在后PC时代，嵌入式系统扮演了越来越重要的角色，被广泛应用于信息电器、移动计算机设备、网络设备、消费电子设备和工业自动化仪表等领域。

同时嵌入式系统的开发也成为近年IT行业的技术热点。

对于什么是嵌入式系统，到现在为止还没有一个完全严格的定义。

广义上说，凡是带有微处理器的专用硬件系统都可以称为嵌入式系统，而作为系统核心的微处理器又包括三类：

MCU、DSP、MPU。

所以有人简单说，“嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件之中”。

不过目前国内一个普遍认可的定义是：

以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁减、适用应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功能严格要求的专用计算机系统。

3.1.2嵌入式系统的特点

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。

这就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向应用的。

（1）嵌入式微处理器与通用CPU最大不同之处在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的耦合也越来越紧密；

（2）嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力；

（3）嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期；

（4）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储于器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中；

（5）嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的