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關于鉛酸蓄電池充電器設計與實現

鉅大LARGE  |  點擊量:1232次  |  2019年09月04日  

鉛酸蓄電池由于其大容量、高電動勢、高性能、安全可靠等特點,被廣泛應用到新能源、通信、電力等眾多行業中。但是現有的充電控制器充電效率很低,而且不合理的充電方式造成容量快速下降,使用壽命縮短,電池過早廢棄,每年廢棄電池數量非常可觀,造成的經濟損失很大。因此,如何高效、快速、無損地對蓄電池科學充電是業界關心的重要問題。美、日、德等國家對蓄電池的性能和理論研究一直走在前面,有關充電技術的研究起步也較早,控制技術也相對成熟,陸續提出了一些新型的充電方法,如脈沖式充電法、間歇充電法、智能充電法等。目前,國內市場上使用的智能充電控制器,多適用于市電電網[1]。但是充電時間比較長,充電方法過于單一,控制不當會對蓄電池本身造成損害,以至影響蓄電池本身的使用壽命。本文以DSP為核心控制器,采用三階段充電策略,并結合模糊自整定PID控制策略,使充電電流自始至終保持在蓄電池可接受的充電電流曲線附近,有效提高鉛酸蓄電池的充電時間和充電效率。

2總體設計思想

大容量蓄電池智能高效充電控制器的系統框圖如圖1所示,主要分為主電路和控制電路兩個部分。包括:電源模塊、充電主電路模塊、模擬量檢測模塊、顯示及報警模塊和PWM驅動模塊[2]。

系統工作原理:380V交流電壓輸入,經過變壓模塊和三相橋式整流、DC/DC變換模塊轉換成蓄電池可接受的充電電壓。控制電路采用DSP芯片作為主控制器,實時采集蓄電池的充電電壓、充電電流、溫度等參數,通過DSP內部的AD轉換為數字量并判斷電池是否出現過壓、過流和過熱等故障。若出現故障,DSP立即關斷,并發出聲光報警。若檢測正常,則采用

基于模糊自整定PID控制算法產生相應占空比的PWM脈沖來控制DC/DC變換電路,實現對電池進行充電。

3硬件電路設計

3.1三相全橋整流電路設計

三相全橋整流電路由六個二極管組成,采用不可控形式。將輸入的380V/50Hz的交流電經過變壓器變壓后得到24V的單向脈動電壓。之后采用電容濾波電路,濾除紋波得到較為平滑的直流信號。

3.2DC-DC電路設計

設計中,采用BUCK電路實現DC-DC電路模塊設計。電感電流工作在連續模式下。設計取浮充電壓為13.4V。圖中,Q1為主功率管,選用IRF640N,C1和C2主要用于濾除低頻噪聲,C3用來濾除高頻噪聲[3]。D2是為了防止蓄電池和充電器相連之間的回流對電路造成故障。

3.3驅動電路設計

DSP產生的PWM信號經過緩沖器SN74HCT244N,輸出幅值為3.3V的脈沖信號,經過放大電路放大后得到幅值12V脈沖信號,輸入到IR2112上經過隔離放大去驅動主功率管Q1[4]。設計中,采用IR2112浮置通道驅動BUCK變換器主功率管IRF640N。

3.4溫度檢測電路設計

為了防止充電時的溫度過高,對蓄電池的損壞,系統實時對蓄電池的溫度進行監測。溫度檢測采用一線制數字溫度檢測芯片DS18B20實現。采用外接電源形式,只需一根線與單片機的IO口相連,即可完成蓄電池的溫度檢測。

3.5信號采集調理電路設計

為了保證系統能夠安全、穩定的工作,主控單元實時對蓄電池的充電電壓和充電電流進行監測。然后將監測的信息送入DSP自帶的AD中,通過分析和計算得到控制信號。系統電壓采樣時通過電阻分壓實現的,采用兩級運放實現電壓信號的采集,第一級運算放大器輸出-5V~5V的電壓信號;第二級運算放大器輸出電壓信號為0~3V,滿足DSP的AD輸入電壓范圍。充電電流的采樣時通過采樣電阻RT采樣實現的[5]。電路如下圖4所示。采樣信號后加一個電壓跟隨器,提高了AD轉換精度。圖中的穩壓二極管是用來防止采樣信號電壓高于3.3V對DSP造成的損壞。

4軟件設計

智能充電器采用三階段脈沖充電模式,使充電電流緊緊跟隨蓄電池的可接受充電電流曲線,避免蓄電池充電末期析氣,也避免因電流過大導致的熱失控。首先初始化,在該階段完成中斷初始化、PWM模塊初始化及定時器初始化等。進入主程序循環,ADC采樣數據實時對蓄電池充電過程進行監控,并判斷是否滿足恒流充電;若不滿足,則判斷是否滿足恒壓充電;若滿足進入恒壓充電,若不滿足判斷是否滿足浮充充電,滿足則進入浮充充電[6]。為了避免極化現象,在每一階段充電完成后,及時對蓄電池進行放電去極化處理。充電過程中實時檢測蓄電池充電溫度,出現超溫現象即報警,并實施溫度保護控制。

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