數(shù)字式鉛酸蓄電池智能充電器的設(shè)計(jì)

1、數(shù)字式鉛酸蓄電池智能充電器的設(shè)計(jì)賈貴璽 戚艷 邵虹君 傅田晟天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)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(tǒng),在分析和總結(jié)目前已有的鉛酸蓄電池的充電方式的基礎(chǔ)上,提出了三段式充電和脈沖充電相結(jié)合的充電方式,有效緩解了鉛酸蓄電池的極化現(xiàn)象。充電電源由具有功率因數(shù)校正功能的高頻開關(guān)電源實(shí)現(xiàn),充電系統(tǒng)以 MC56F8013為控制核心,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、脈沖驅(qū)動、人機(jī)接口等功能,最終實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池的智能充電。關(guān)鍵詞 :鉛酸蓄電池;數(shù)字控制; MC56F8013;三段式混 合充電 1 引言鉛酸蓄電池具有價(jià)格低廉、供電可靠、電壓穩(wěn) 定等優(yōu)點(diǎn),因此廣泛應(yīng)用于國防、通信、鐵路、交 通、工農(nóng)業(yè)生

5、產(chǎn)部門。電池的性能好壞、使用壽命 的長短直接影響到電子產(chǎn)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(chǎn)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。近年來,快速充電技術(shù)很受關(guān)注并且取得一些 成果,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制,使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定 性有很大提高,本論文正是在數(shù)字化控制的基礎(chǔ)上 實(shí)現(xiàn)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(shí)國內(nèi)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(shí)現(xiàn)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(shí)用性和可靠性,本系統(tǒng)采 用三段式與脈沖充電相結(jié)合的充電方式(如圖 1 , 即系統(tǒng)整體上采用恒流恒壓浮充的充電方式, 同時(shí)每一段采用脈沖充電方式,在正脈沖之后進(jìn)行 短暫的停沖,這種方式結(jié)合了三段式充電和脈沖充 電的優(yōu)點(diǎn),在整個(gè)充電過程中,適時(shí)的改善了電池 內(nèi)部極化現(xiàn)象,避免了電池內(nèi)部產(chǎn)生大量氣體和溫 度過高的問題,同時(shí)提高了充電速率,從而實(shí)現(xiàn)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(shí),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(yán)重危害,因此,提出開發(fā)和 完善鉛酸蓄電池的溫度補(bǔ)償技術(shù)非常具有現(xiàn)實(shí)意 義,本次設(shè)計(jì)的充電器就具有溫度補(bǔ)償功能。3 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)鉛酸蓄電池充電系統(tǒng)硬件電路主要由開關(guān)電 源變換電路、充電電路、數(shù)據(jù)采集電路、 DSP 外圍 電路等模塊組成,硬件結(jié)構(gòu)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(guān)電源變換電路開關(guān)電源變換電路由 PFC 路和 DC/DC生的諧波。本系統(tǒng)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(qū)

8、動信號,外接圖 3 功率因數(shù)校正電路 Fig3. PFC circuit極。這樣,就能保證主電路功率因數(shù)在 0.99以上。由于開關(guān)電源功率較小, DC/DC電路采用單端 反激式開關(guān)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(chǎn)鐵氧體磁芯 圖 5 MC56F8013引腳設(shè)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(nèi)部經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn) 換,數(shù)字信號經(jīng)過電壓環(huán)、電流環(huán)的調(diào)節(jié)產(chǎn)生控制 MOS 管的驅(qū)動信號的 PWM

9、脈沖, 以產(chǎn)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(gè) 不 同 的 充 電 電 壓 , 本 系 統(tǒng) 采 用 非 隔 離 型 Buck/Boost雙向 DC/DC拓?fù)潆娐?充電電路圖如 圖 6。為了減小開關(guān)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(yīng)變慢,為了加快 響應(yīng)速度,同時(shí)獲得較小的開關(guān)紋波,采用兩路并 聯(lián)的結(jié)構(gòu)。圖 6 充電主回路電路圖 Fig6. the charging main loop circuit變流器的并聯(lián)有其明顯好處,在大功率應(yīng)用 中,多個(gè)變流器可以分擔(dān)大的電流和功率,突破了 單個(gè)變流器可能的限制。同

10、時(shí)增加變流器的數(shù)目意 味著能方便的進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)和修理,提高可靠 性,改善熱量損耗和容錯(cuò)能力。4 控制策略由于電網(wǎng)的波動及周邊負(fù)荷的變化,充電電 流、電壓會出現(xiàn)躍變。自動充放電控制器的調(diào)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(nèi)阻較大,隨著充電 電壓的升高,內(nèi)阻減小,即使電網(wǎng)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(diào)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(dāng)誤差 s e e 時(shí), 應(yīng)用模糊控制調(diào)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(tǒng)根據(jù)不同的狀態(tài)使用與之相適應(yīng)的模 糊控制規(guī)則。由模糊控制規(guī)則計(jì)算出模糊變量 U , 再把計(jì)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(shí)刻控制系統(tǒng)的設(shè)定值; (n y 為 nT 時(shí)刻控制系統(tǒng)的輸出; (n e 、 (n E C 分別為 nT 時(shí)刻控制系統(tǒng)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(dá)為:If i E and jC E then K U采用 Mamdani 推理合成法, 用重心法進(jìn)行模糊 判決,從而計(jì)算出精確控制量 j u 。根據(jù)上述規(guī)則, 對于所有輸入組合和狀態(tài)值進(jìn)行離線計(jì)算得出控制表并存儲于 DSP 中。(2當(dāng) s e e <時(shí),采用 PI 控制器調(diào)節(jié),由于 積分環(huán)節(jié)的存在,很容易出現(xiàn)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(diào)節(jié)器的計(jì)算結(jié)果; P K 表示比例調(diào)節(jié)系數(shù); i K 表示積分系數(shù); sat K 表示抗飽和 積分系數(shù); (n I n 為本次積分累加和; max U 、 min U 分別表示 PI 調(diào)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(guān),所以充電系統(tǒng)應(yīng)具有溫度補(bǔ)償功能以提高蓄 電池的可靠運(yùn)行水平,本系統(tǒng)中,啟動溫度補(bǔ)償功 能后,浮充電壓按照以下方程進(jìn)行修正:20(=T N T V V c n tc (5式中:tc V 為經(jīng)溫度補(bǔ)償后的電壓; n V 為未經(jīng)溫度 補(bǔ)償?shù)碾妷? c T 為設(shè)置的溫度補(bǔ)償系數(shù), 本系統(tǒng)取 4mV /; N 為每組閥控鉛酸蓄電池的節(jié)數(shù),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(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果開關(guān)電源電路板搭建好后經(jīng)過通電調(diào)試,可達(dá) 到理想輸出結(jié)果,針對不同的負(fù)載得到數(shù)據(jù)如表 1所示:表 1 開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Switching

15、Power Supply experimental data由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出:不同負(fù)載,當(dāng)輸入電壓高于 120V 時(shí), 輸出電壓可以趨于穩(wěn)定, 當(dāng)負(fù)載大于 7.5 時(shí), 輸出電壓可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求, 輸出值大約為 15V , 功率大約達(dá)到 30W ,滿足充電要求。對充電回路驅(qū)動 MOS 管的 PWM 波形進(jìn)行了 仿真,仿真結(jié)果如圖 8所示。 圖 8 PWM驅(qū)動波形 Pig8. PWM driver waveform同時(shí)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(jié)果可以看出,本充電系統(tǒng)即可以實(shí) 現(xiàn)具有放電脈沖的恒流充電,又可實(shí)現(xiàn)具有放電脈 沖的恒壓充電,還可實(shí)現(xiàn)各個(gè)電壓之間的相互轉(zhuǎn) 換,各階段的電壓、電流相對穩(wěn)定,因此,本系統(tǒng) 提出的充電方案具有現(xiàn)實(shí)可行性。6 結(jié)論本系統(tǒng)通過 DSP 實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化的鉛酸蓄電 池充電管理,結(jié)構(gòu)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(tǒng) 的充電參數(shù),在不改變原有硬件的情況下實(shí)現(xiàn)給不 同容量的鉛酸電池充電。同時(shí),本系統(tǒng)提出的三段式充電與脈沖充電相 結(jié)合的充電方式能夠有

17、效緩解電池的極化和出氣 現(xiàn)象,能夠改善充電質(zhì)量和效率,提高電池的使用性能,延長電池的使用壽命,是實(shí)際應(yīng)用中鉛酸蓄 電池充電管理的最佳解決方案。參考文獻(xiàn) :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(tǒng)(The research about quick pulse charge system of lead-acid battery for electric vehicle J電源技術(shù)研究與設(shè)計(jì), 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(jì)海,紀(jì)愛華,充電器電路設(shè)計(jì)與應(yīng)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(shù)字式智能鉛酸蓄電池充電器的設(shè)計(jì)(Design of the Digital-controlled Intelligent VRLA Battery Charger Based on PIC Microcontroller j.電源技術(shù)應(yīng)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(yīng)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(jī)的智能脈沖充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(Design and Implementationof Intelligent Impulse Charger Based on PIC SCM J,儀表技術(shù)與傳 感器(Instrume