鉛酸蓄電池充電器設計與實現

張慧穎　俞文博

摘要：本文設計了鉛酸蓄電池充電器，設計中采用TMS320F2801芯片作為主控芯片，根據實時采集的蓄電池充電電壓、充電電流等參數，實時調整主電路的輸出電壓和電流，實現鉛酸蓄電池的智能控制。當蓄電池出現過壓、過流、溫度過高等問題時，控制電路可以及時切斷主電路，有效保護蓄電池和充電系統(tǒng)，實現大容量鉛酸蓄電池的高效充電。

關鍵詞：鉛酸蓄電池；充電電壓；充電電流

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）24-0246-02

1引言

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(yè)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?？捎^，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(yè)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(xù)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(tǒng)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(tǒng)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?？刂齐娐凡捎肈SP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(fā)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。

3.2 DC-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(xù)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(tǒng)實時對蓄電池的溫度進行監(jiān)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(tǒng)能夠安全、穩(wěn)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(jiān)測。然后將監(jiān)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(tǒng)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(wěn)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(huán)，ADC采樣數據實時對蓄電池充電過程進行監(jiān)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。

5結論

本文設計和研制了鉛酸蓄電池充電器設計，在傳統(tǒng)充電基礎上采用三階段充電策略，充電過程遵循馬斯定律，并且在控制算法上采用傳統(tǒng)PID算法結合智能算法的策略實現蓄電池的反饋控制。該設計具有結構簡單、充電效率高等特點，廣泛應用于航空航天等行業(yè)。

參考文獻：

[1] 賈英江，王立冬，王維斌.鉛酸蓄電池充電方法初探[J].電源技術， 2001， 25（01）：27-28.

[2] 郭鳳儀，繆傳海，張繼華.智能型鉛酸電池充電器設計與實現[J].計算機系統(tǒng)應用，2012，21（3）：76-79.

[3] 孔慶德.開關型智能蓄電池充放電系統(tǒng)的研究[D].西南交通大學，2004.

[4] 趙鍵. 基于智能控制技術的鉛酸蓄電池充電設備的研究[D]. 南京理工大學， 2008.

[5] 裴杰，王江燕.DC/DC轉換器中電流采樣電路的設計[J].電子科技，2009，22（4）：33-35.

[6] 張素文，賀凱歌.基于模糊控制理論鉛酸蓄電池充電器的設計[J].電源技術應用， 2008（3）：18-21.