引言

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

1 充電系統(tǒng)

為了實現(xiàn)儲能裝置中的能量的充分利用，需要有一個功能完善的充電系統(tǒng)保障整個充放電過程安全可控，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)。本文針對該部分進行分析和設(shè)計，主要從硬件電路、軟件流程和充電控制策略幾個方面進行研究。

1. 1 儲能裝置

儲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起來，提供備用能量。船舶儲能裝置的能量來源既可以是船舶電力系統(tǒng)的母線的電能，也可以是太陽能電池板等新型能源形式。儲能裝置的存在，可以為船舶提供備用電源，在船舶電力系統(tǒng)遇到故障時，提供電力，解決船舶產(chǎn)生電能和應(yīng)急負(fù)載用電在時間上的不同步問題。

充電電源控制系統(tǒng)的最主要功能是對儲能裝置的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，控制儲能裝置的充電過程。儲能裝置的性能和特性，對充電方式有很大的影響，因此在設(shè)計充電電源控制系統(tǒng)之前，需要對儲能裝置進行選擇，并對其充電特性進行分析。

蓄電池是一種傳統(tǒng)的儲能裝置，是將所獲得的電能以化學(xué)能的形式儲存起來，在需要時又可以將存儲的化學(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，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格低廉、適于低溫高倍率放電等特點，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1. 2 充電裝置

充電裝置在這個系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的樞紐作用，其工作性能的好壞將會影響整個電源系統(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程，通過采用合理的充電控制策略，保證蓄電池的高充電效率，延長蓄電池的使用壽命。并通過對蓄電池充電條件的相應(yīng)控制，防止蓄電池過度充電及深度充電，當(dāng)出現(xiàn)問題時，可及時報警。

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)用場合，分析蓄電池幾種常見的充放方式。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行充電。恒壓充電法是維持充電電壓不變進行充電。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 充電控制方法來對蓄電池進行充電。PWM 控制技術(shù)是利用單片機、DSP 等處理器輸出的數(shù)字信號來對模擬電路進行有效的控制。利用PWM技術(shù)進行充電控制，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 信號的輸出特性對蓄電池進行充電，然后再停止充電，如此循環(huán)往復(fù)。充電時間和停止充電時間可以進行調(diào)節(jié)。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而停止充電期可以使蓄電池在充電過程產(chǎn)生的氣體有充分的時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，同時也使下一周期的充電過程更加順利和有效。

3 充電電源控制系統(tǒng)設(shè)計及樣機

根據(jù)船用充電電源控制系統(tǒng)的功能要求和改進的PWM 充電控制策略，確定了整體的設(shè)計方案。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，可分為單片機核心控制模塊、數(shù)據(jù)存儲電路、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 型號的單片機作為主控芯片，利用軟件編程輸出PWM控制信號，來控制充電電路開關(guān)管的開通和關(guān)閉，來控制充電過程。該系統(tǒng)通過采集到的電池電壓，輸出對應(yīng)的PWM控制信號，可以讓蓄電池充電過程最優(yōu)化，有效的延長蓄電池的使用壽命。

系統(tǒng)主要的工作流程是，首先采用并聯(lián)分壓方式對高壓蓄電池組的電壓進行采集，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處理的數(shù)字信號，再將此數(shù)字信號送入到單片機處理模塊進行邏輯處理; 然后根據(jù)采集到的電壓值，在軟件程序控制下，單片機輸出對應(yīng)的PWM 控制信號，由于單片機輸出的PWM 信號驅(qū)動能力不足，需要經(jīng)過光耦驅(qū)動電路來放大驅(qū)動能力，并且實現(xiàn)隔離。經(jīng)過光耦驅(qū)動的PWM 信號發(fā)送到充電電路控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷; 根據(jù)采集的蓄電池電壓變化通過PWM 來控制開關(guān)管的占空比，以此來控制充電電壓，實現(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)通過通信模塊傳送到上位機系統(tǒng)，使充電系統(tǒng)中蓄電池的工作狀態(tài)時刻處于遠(yuǎn)程監(jiān)控狀態(tài)，同時可以實現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的記錄功能。另外，為了及時保證蓄電池的工作安全，系統(tǒng)設(shè)計了預(yù)警電路，當(dāng)蓄電池電壓出現(xiàn)異常時，通過蜂鳴器進行報警，通知工作人員蓄電池故障，及時采取應(yīng)對措施。

本文搭建了充電電源控制系統(tǒng)的樣機，實現(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)實物圖。實物圖分2層結(jié)構(gòu)設(shè)計，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)，底層是單片機控制系統(tǒng)。

4 程序流程設(shè)計

充電電源控制系統(tǒng)各個部分的功能通過對單片機進行軟件編程來實現(xiàn)。整個系統(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)存儲模塊等許多相對獨立的子程序模塊組成，采用模塊化的設(shè)計思路，模塊之間通過調(diào)用來實現(xiàn)彼此的連接。

系統(tǒng)的主程序是整個系統(tǒng)中的核心程序，是一個順序執(zhí)行的循環(huán)程序，通過中斷來調(diào)用各個子程序，實現(xiàn)每個模塊的功能。系統(tǒng)首先完成初始化，然后就開始按照中斷順序依次調(diào)用各個子程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和充電的控制。

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

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钩潆娤到y(tǒng)發(fā)生故障。本文以單片機作為核心控制器設(shè)計了船用充電源控制系統(tǒng)，采用PWM 脈寬調(diào)制的充電方法，來對船舶備用蓄電池進行靈活的充電控制，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。