引言

船舶是現(xiàn)代重要的交通運(yùn)輸工具，其安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于保障人員安全和財(cái)產(chǎn)安全起著至關(guān)重要的作用。船舶的運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，在船舶運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到短時(shí)的停電故障，為了保障船舶的關(guān)鍵系統(tǒng)的正常運(yùn)行，一般船舶上都會(huì)裝置固定的備用儲(chǔ)存裝置，以防止在船舶主電力系統(tǒng)遇到故障不能提供電力時(shí)，儲(chǔ)能裝置可以取代主電源，提供短時(shí)可靠的電源供應(yīng)。

1 充電系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置中的能量的充分利用，需要有一個(gè)功能完善的充電系統(tǒng)保障整個(gè)充放電過(guò)程安全可控，充電系統(tǒng)如圖1 所示。

充電系統(tǒng)的核心部分是充電電源控制系統(tǒng)。本文針對(duì)該部分進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，主要從硬件電路、軟件流程和充電控制策略幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

1. 1 儲(chǔ)能裝置

儲(chǔ)能裝置是備用供電系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用就是將其他形式的能量存儲(chǔ)起來(lái)，提供備用能量。船舶儲(chǔ)能裝置的能量來(lái)源既可以是船舶電力系統(tǒng)的母線的電能，也可以是太陽(yáng)能電池板等新型能源形式。儲(chǔ)能裝置的存在，可以為船舶提供備用電源，在船舶電力系統(tǒng)遇到故障時(shí)，提供電力，解決船舶產(chǎn)生電能和應(yīng)急負(fù)載用電在時(shí)間上的不同步問(wèn)題。

充電電源控制系統(tǒng)的最主要功能是對(duì)儲(chǔ)能裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，控制儲(chǔ)能裝置的充電過(guò)程。儲(chǔ)能裝置的性能和特性，對(duì)充電方式有很大的影響，因此在設(shè)計(jì)充電電源控制系統(tǒng)之前，需要對(duì)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行選擇，并對(duì)其充電特性進(jìn)行分析。

蓄電池是一種傳統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，是將所獲得的電能以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，在需要時(shí)又可以將存儲(chǔ)的化學(xué)形式的能量轉(zhuǎn)化為電能輸出。蓄電池根據(jù)其制造材料的不同，可以很多不同種類(lèi)，常用的有鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、鐵鎳蓄電池、金屬氧化物蓄電池和鋰離子蓄電池等。其中鉛酸蓄電池憑借其價(jià)格低廉、適于低溫高倍率放電等特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1. 2 充電裝置

充電裝置在這個(gè)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的樞紐作用，其工作性能的好壞將會(huì)影響整個(gè)電源系統(tǒng)的工作性能和使用效果。充電裝置主要作用是監(jiān)控蓄電池的工作狀態(tài)，控制蓄電池的充電過(guò)程，通過(guò)采用合理的充電控制策略，保證蓄電池的高充電效率，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。并通過(guò)對(duì)蓄電池充電條件的相應(yīng)控制，防止蓄電池過(guò)度充電及深度充電，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可及時(shí)報(bào)警。

2 充電控制策略

根據(jù)蓄電池的工作原理和影響蓄電池工作性能及工作壽命的主要因素，結(jié)合船舶特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，分析蓄電池幾種常見(jiàn)的充放方式。目前蓄電池采用的充電方式是恒流充電法、恒壓充電法和階段充電法。恒流充電法是維持充電電流不變進(jìn)行充電。恒壓充電法是維持充電電壓不變進(jìn)行充電。階段充電法是先恒流充電至指定電壓，然后恒壓充電; 或是在充電初期和末期采用恒流充電，中間恒壓充電。

采用不合適的充電方式容易導(dǎo)致蓄電池的損壞，影響蓄電池使用壽命因素。本文在傳統(tǒng)的充電基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)的充電方法，采用純數(shù)字控制方式，采用PWM 充電控制方法來(lái)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。PWM 控制技術(shù)是利用單片機(jī)、DSP 等處理器輸出的數(shù)字信號(hào)來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行有效的控制。利用PWM技術(shù)進(jìn)行充電控制，控制方式靈活，可大幅提高蓄電池充電效率，提高蓄電池的使用壽命。

PWM 充電控制方式的充電原理是，根據(jù)PWM 信號(hào)的輸出特性對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，然后再停止充電，如此循環(huán)往復(fù)。充電時(shí)間和停止充電時(shí)間可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。充電脈沖使蓄電池充滿(mǎn)電量，而停止充電期可以使蓄電池在充電過(guò)程產(chǎn)生的氣體有充分的時(shí)間重新化合而被吸收，從而有效的減輕了蓄電池的內(nèi)壓和溫度，同時(shí)也使下一周期的充電過(guò)程更加順利和有效。

3 充電電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及樣機(jī)

根據(jù)船用充電電源控制系統(tǒng)的功能要求和改進(jìn)的PWM 充電控制策略，確定了整體的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。系統(tǒng)按功能模塊劃分，可分為單片機(jī)核心控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、液晶顯示電路、串口通信電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、充電電路和放電電路等。

系統(tǒng)采用純數(shù)字控制，以AT89S52 型號(hào)的單片機(jī)作為主控芯片，利用軟件編程輸出PWM控制信號(hào)，來(lái)控制充電電路開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)閉，來(lái)控制充電過(guò)程。該系統(tǒng)通過(guò)采集到的電池電壓，輸出對(duì)應(yīng)的PWM控制信號(hào)，可以讓蓄電池充電過(guò)程最優(yōu)化，有效的延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

系統(tǒng)主要的工作流程是，首先采用并聯(lián)分壓方式對(duì)高壓蓄電池組的電壓進(jìn)行采集，送到A/D轉(zhuǎn)換模塊中，將采集到的電壓模擬值轉(zhuǎn)換為可以方便單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，再將此數(shù)字信號(hào)送入到單片機(jī)處理模塊進(jìn)行邏輯處理; 然后根據(jù)采集到的電壓值，在軟件程序控制下，單片機(jī)輸出對(duì)應(yīng)的PWM 控制信號(hào)，由于單片機(jī)輸出的PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力不足，需要經(jīng)過(guò)光耦驅(qū)動(dòng)電路來(lái)放大驅(qū)動(dòng)能力，并且實(shí)現(xiàn)隔離。經(jīng)過(guò)光耦驅(qū)動(dòng)的PWM 信號(hào)發(fā)送到充電電路控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷; 根據(jù)采集的蓄電池電壓變化通過(guò)PWM 來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的占空比，以此來(lái)控制充電電壓，實(shí)現(xiàn)靈活的充電控制策略; 采集到的電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊傳送到上位機(jī)系統(tǒng)，使充電系統(tǒng)中蓄電池的工作狀態(tài)時(shí)刻處于遠(yuǎn)程監(jiān)控狀態(tài)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的記錄功能。另外，為了及時(shí)保證蓄電池的工作安全，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了預(yù)警電路，當(dāng)蓄電池電壓出現(xiàn)異常時(shí)，通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，通知工作人員蓄電池故障，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

本文搭建了充電電源控制系統(tǒng)的樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了蓄電池電壓的狀態(tài)監(jiān)控和充電控制。圖3為搭建的充電電源控制系統(tǒng)實(shí)物圖。實(shí)物圖分2層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上層是液晶顯示屏，主要是用于顯示蓄電池的電壓、電流和溫度等參數(shù)，底層是單片機(jī)控制系統(tǒng)。

4 程序流程設(shè)計(jì)

充電電源控制系統(tǒng)各個(gè)部分的功能通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分由系統(tǒng)主程序、電壓采集轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等許多相對(duì)獨(dú)立的子程序模塊組成，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，模塊之間通過(guò)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)彼此的連接。

系統(tǒng)的主程序是整個(gè)系統(tǒng)中的核心程序，是一個(gè)順序執(zhí)行的循環(huán)程序，通過(guò)中斷來(lái)調(diào)用各個(gè)子程序，實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的功能。系統(tǒng)首先完成初始化，然后就開(kāi)始按照中斷順序依次調(diào)用各個(gè)子程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)和充電的控制。

以單節(jié)蓄電池為例( 電壓一般為12 V) ，系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

5 結(jié)語(yǔ)

船舶的備用電源工作環(huán)境惡劣，又由于不當(dāng)?shù)某浞烹姺绞綍?huì)使充電系統(tǒng)發(fā)生故障。本文以單片機(jī)作為核心控制器設(shè)計(jì)了船用充電源控制系統(tǒng)，采用PWM 脈寬調(diào)制的充電方法，來(lái)對(duì)船舶備用蓄電池進(jìn)行靈活的充電控制，與以前的充電方式相比，不僅提高了蓄電池的充電效率，還可以有效提高蓄電池的使用壽命，保障蓄電池的工作狀態(tài)安全。