數字式鉛酸蓄電池智能充電器的設計

1、數字式鉛酸蓄電池智能充電器的設計賈貴璽 戚艷 邵虹君 傅田晟天津大學電氣與自動化工程學院,天津 300072電子郵箱:jiaguixiDesign of the Digital-controlled Intelligent VRLA Battery ChargerJia Gui-xi Qi Yan Shao-Hongjun Fu Tian-sheng Tianjin University, Tianjin 300072, ChinaABATRACT :In this paper, a intelligent charging system for VRLA battery is present

2、ed, we proposed the charging method which is the combination of three-section charging method with pulse charging method on the base of the analysis and summary of existing VRLA battery charging mode, this charging method effectively alleviate the polarization of VRLA batteries. A high-frequency swi

3、tching power source with PFC function is used as charging power supply. MC56F8013 is the control coreof charging system, achieving data collection, pulse-driven, man-machine interface functions , and eventually realizing the intelligent charge of VRLA batteries.KEY WORDS:VRLA ; digital-control ; MC5

4、6F8013; threesection hybrid charge摘要 :本文介紹了一種針對閥控式密封鉛酸蓄電池的智能充電系統,在分析和總結目前已有的鉛酸蓄電池的充電方式的基礎上,提出了三段式充電和脈沖充電相結合的充電方式,有效緩解了鉛酸蓄電池的極化現象。充電電源由具有功率因數校正功能的高頻開關電源實現,充電系統以 MC56F8013為控制核心,實現數據采集、脈沖驅動、人機接口等功能,最終實現鉛酸蓄電池的智能充電。關鍵詞 :鉛酸蓄電池;數字控制; MC56F8013;三段式混 合充電 1 引言鉛酸蓄電池具有價格低廉、供電可靠、電壓穩(wěn) 定等優(yōu)點,因此廣泛應用于國防、通信、鐵路、交 通、工農業(yè)生

5、產部門。電池的性能好壞、使用壽命 的長短直接影響到電子產品的使用壽命和使用安 全,而充電器的性能直接影響到電池的使用壽命, 隨著生產中工藝要求的提高,蓄電池的充電速率和效率也越來越受到重視。因此,研究高可靠性、高 充電速率的鉛酸電池充電器具有實際應用價值。近年來,快速充電技術很受關注并且取得一些 成果,同時實現了數字化控制,使整個系統的穩(wěn)定 性有很大提高,本論文正是在數字化控制的基礎上 實現的快速充電。2 充電理論鉛酸蓄電池的充電控制方法很多,目前較為常用的充電方法主要包括恒流充電、恒壓充電、三階 段充電等,同時國內外陸續(xù)提出了一些新型的充電 方法,如分級定流充電法、脈動式充電法、 Refle

6、x充電法等,力求實現最佳充電模式,但目前這幾種方法還處于理論研究階段。 為了保證充電器的實用性和可靠性,本系統采 用三段式與脈沖充電相結合的充電方式(如圖 1 , 即系統整體上采用恒流恒壓浮充的充電方式, 同時每一段采用脈沖充電方式,在正脈沖之后進行 短暫的停沖,這種方式結合了三段式充電和脈沖充 電的優(yōu)點,在整個充電過程中,適時的改善了電池 內部極化現象,避免了電池內部產生大量氣體和溫 度過高的問題,同時提高了充電速率,從而實現鉛 酸電池的可靠、快速充電。電流電壓圖 1 鉛酸電池充電曲線Fig.1 the charging curve of VRLA battery 同時,值得注意的是,溫度對

7、浮充電壓的影響 將會給鉛酸電池帶來嚴重危害,因此,提出開發(fā)和 完善鉛酸蓄電池的溫度補償技術非常具有現實意 義,本次設計的充電器就具有溫度補償功能。3 硬件電路設計3.1 系統結構鉛酸蓄電池充電系統硬件電路主要由開關電 源變換電路、充電電路、數據采集電路、 DSP 外圍 電路等模塊組成,硬件結構框圖如圖 2所示。 圖 2 Fig2. DC/DC變換電路組成, 流的輸出。3.2 開關電源變換電路開關電源變換電路由 PFC 路和 DC/DC生的諧波。本系統采用 UC3854制 PFC 電路,具體電路如圖 3UC3854Boost 電路,控制電路控制電路由 接元件組成 , 位在 15V 的 PWM 驅

8、動信號,外接圖 3 功率因數校正電路 Fig3. PFC circuit極。這樣,就能保證主電路功率因數在 0.99以上。由于開關電源功率較小, DC/DC電路采用單端 反激式開關穩(wěn)壓電源,此電路輸入為 PFC 電路輸 出,如圖 4所示,功率器件采用 TOPSwitch 系列芯 片 TOP204Y , 變壓器采用普通的國產鐵氧體磁芯 圖 5 MC56F8013引腳設置 Fig5. MC56F8013 pin set在充電過程中,采樣電路將采集到的電壓、電 流、溫度等信號送入 DSP, 在 DSP 內部經過 A/D轉 換,數字信號經過電壓環(huán)、電流環(huán)的調節(jié)產生控制 MOS 管的驅動信號的 PWM

9、脈沖, 以產生不同充電 要求的充電電壓、電流。 3.4 充電回路充電回路的作用是把 15V 直流電壓變換成各 個 不 同 的 充 電 電 壓 , 本 系 統 采 用 非 隔 離 型 Buck/Boost雙向 DC/DC拓撲電路,充電電路圖如 圖 6。為了減小開關紋波,一般希望濾波電感大一 些,但是大電感會使脈沖電流響應變慢,為了加快 響應速度,同時獲得較小的開關紋波,采用兩路并 聯的結構。圖 6 充電主回路電路圖 Fig6. the charging main loop circuit變流器的并聯有其明顯好處,在大功率應用 中,多個變流器可以分擔大的電流和功率,突破了 單個變流器可能的限制。同

10、時增加變流器的數目意 味著能方便的進行系統的維護和修理,提高可靠 性,改善熱量損耗和容錯能力。4 控制策略由于電網的波動及周邊負荷的變化,充電電 流、電壓會出現躍變。自動充放電控制器的調節(jié)功 能是使充電電流或電壓穩(wěn)定。閥控密封鉛酸蓄電池 在深放電后充電,開始階段其內阻較大,隨著充電 電壓的升高,內阻減小,即使電網中很小的電壓波 動也會引起充電電流較大的變化。這就要求充電控 制器的調節(jié)速度要快,不然會引起跳閘,甚至損壞 整流電路。對閥控密封鉛酸蓄電池充放電過程的控 制,采用圖 7所示的混合模糊型 PI 控制器。圖 7 混合型模糊 PI 控制器 Fig7. Hybrid fuzzy PI cont

11、roller(1 當誤差 s e e 時, 應用模糊控制調節(jié)。 E 為偏差, C E 為偏差變化率, U 為控制量的模糊語 言變量。系統根據不同的狀態(tài)使用與之相適應的模 糊控制規(guī)則。由模糊控制規(guī)則計算出模糊變量 U , 再把計算出的模糊控制變量 U 精確化, 并加到控制 對象上。偏差和偏差變化率分別為( ( (n r n y n E = (1 1( ( (=n e n e n E C (2式中: (n r 為 nT 時刻控制系統的設定值; (n y 為 nT 時刻控制系統的輸出; (n e 、 (n E C 分別為 nT 時刻控制系統的偏差、偏差率; T 為采樣周期。E 、 C E 的模糊子集

12、規(guī)定為:E=NB,NM,NS,ZE, PS,PM,PB,C E =NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB。模糊 控制器的控制規(guī)則采用條件語句形式,表達為:If i E and jC E then K U采用 Mamdani 推理合成法, 用重心法進行模糊 判決,從而計算出精確控制量 j u 。根據上述規(guī)則, 對于所有輸入組合和狀態(tài)值進行離線計算得出控制表并存儲于 DSP 中。(2當 s e e <時,采用 PI 控制器調節(jié),由于 積分環(huán)節(jié)的存在,很容易出現積分飽和的情況,我 們采用抑制積分飽和的 PI 算法,如式(3所示:1( ( (+×=n I n e K n U n Pp

13、i sat i n n e K n e K n I n I ×+×+= ( 1( (3(n U U e s pi =min U min (U n U 其中 s U = max U max (U n U (4(n U max min (U n U U <<式中, s U 表示抑制積分飽和的 PI 算法的輸出;(n U 表示本次 PI 調節(jié)器的計算結果; P K 表示比例調節(jié)系數; i K 表示積分系數; sat K 表示抗飽和 積分系數; (n I n 為本次積分累加和; max U 、 min U 分別表示 PI 調節(jié)器輸出的最大值和最小值。由于鉛酸蓄電池的浮充

14、電壓與電池溫度緊密 相關,所以充電系統應具有溫度補償功能以提高蓄 電池的可靠運行水平,本系統中,啟動溫度補償功 能后,浮充電壓按照以下方程進行修正:20(=T N T V V c n tc (5式中:tc V 為經溫度補償后的電壓; n V 為未經溫度 補償的電壓; c T 為設置的溫度補償系數, 本系統取 4mV /; N 為每組閥控鉛酸蓄電池的節(jié)數,本充電器是針對 12V 蓄電池, N 取 6; T 為溫度傳感器 指示的溫度。5 實驗仿真結果開關電源電路板搭建好后經過通電調試,可達 到理想輸出結果,針對不同的負載得到數據如表 1所示:表 1 開關電源實驗數據Tab.1 Switching

15、Power Supply experimental data由實驗數據得出:不同負載,當輸入電壓高于 120V 時, 輸出電壓可以趨于穩(wěn)定, 當負載大于 7.5 時, 輸出電壓可以達到設計要求, 輸出值大約為 15V , 功率大約達到 30W ,滿足充電要求。對充電回路驅動 MOS 管的 PWM 波形進行了 仿真,仿真結果如圖 8所示。 圖 8 PWM驅動波形 Pig8. PWM driver waveform同時通過仿真得到帶有放電脈沖的恒流充電、恒壓充電的輸出波形如圖 9、圖 10所示。 圖 9 充電電流仿真波形Pig9. Charging current simulation wavef

16、orm圖 10 充電電壓仿真波形Pig9. Charging voltage simulation waveform通過仿真結果可以看出,本充電系統即可以實 現具有放電脈沖的恒流充電,又可實現具有放電脈 沖的恒壓充電,還可實現各個電壓之間的相互轉 換,各階段的電壓、電流相對穩(wěn)定,因此,本系統 提出的充電方案具有現實可行性。6 結論本系統通過 DSP 實現了全數字化的鉛酸蓄電 池充電管理,結構簡單,可靠性高,成本較低,并 且具有很高的靈活性,通過修改軟件即可改變系統 的充電參數,在不改變原有硬件的情況下實現給不 同容量的鉛酸電池充電。同時,本系統提出的三段式充電與脈沖充電相 結合的充電方式能夠有

17、效緩解電池的極化和出氣 現象,能夠改善充電質量和效率,提高電池的使用性能,延長電池的使用壽命,是實際應用中鉛酸蓄 電池充電管理的最佳解決方案。參考文獻 :1 鐘靜宏,張承寧,張旺(Zhong Jinghong,Zhang Chengning,ZhangWang . 電動汽車的鉛酸蓄電池快速充電系統(The research about quick pulse charge system of lead-acid battery for electric vehicle J電源技術研究與設計, 2006, 30(6 :5045062 Alvarez J,Marcos J, Lago A ,Nog

18、ueiras A A, Doval J, Penalver C M. Afully digital smart and fast lead-acid battery charge system.2003 IEEE 34th Annual Power Electronics Specialist Conference. V ol.2,June2003:9139173 周志敏,周紀海,紀愛華,充電器電路設計與應用 M,北京:人民郵電出版社, 2004, 14984 周 震 宇 , 張 軍 明 , 錢 照 明 (Zhou Zhenyu,Zhang Junming,QianZhaoming . 基于

19、PIC 的數字式智能鉛酸蓄電池充電器的設計(Design of the Digital-controlled Intelligent VRLA Battery Charger Based on PIC Microcontroller j.電源技術應用(Power Supply Technologies and Applications ,2006,6(9:18215 Shrestha G B, Ang S G.A study of electric vehicle battery chargingdemand in the context of Singapore.International Power Engineering Conference.December 2007:64696 陳新,吳崇理, DSP 控制器原理及其應用,北京 :電子工業(yè)出版社,2007, 3073297 孔令凱, 史蕊, 王振 (Kong Lingkai, Shi Lei, Wang Zhen 基于 PIC單片機的智能脈沖充電器的設計與實現(Design and Implementationof Intelligent Impulse Charger Based on PIC SCM J,儀表技術與傳 感器(Instrume