蓄電池充電的數(shù)控恒流源設(shè)計方案

引言

蓄電池作為電能的儲存裝置，因其體積小、能量密度高、自放電率低等特點，被廣泛應(yīng)用于手機、筆記本電腦、車載導(dǎo)航系統(tǒng)等電子設(shè)備中。然而，蓄電池也有其使用上的限制，比如需要充放電過程中控制電壓和電流，以避免過充或過放所帶來的損害。因此，設(shè)計一種高效、可靠的蓄電池充電數(shù)控恒流源顯得尤為重要。

一、系統(tǒng)概述

蓄電池正常充電時，比較好的充電方法是分級定流方式，即在充電初期用較大的恒定電流，充到一定時間或蓄電池達到一定電壓后，改用較小的恒定電流充電。蓄電池恒流充電電源不同于普通的直流電源，其工作負載范圍非常寬，輸出電壓可能從近似為零變到額定值。因此，在較寬的負載范圍內(nèi)保證蓄電池充電階段的平滑過渡，以及不同階段時的恒流特性是蓄電池恒流充電電源的設(shè)計難點。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

蓄電池恒流充電電源的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該電源可對蓄電池進行兩級恒流充電，兩階段的充電終止條件可分為充電時間原則、充電電壓原則或時間/電壓混合原則，并可自動完成兩階段電流轉(zhuǎn)換、充電原則轉(zhuǎn)換和相應(yīng)充電參數(shù)值的調(diào)整。

2.2 工作原理

裝置主電路的工作原理是首先對380V輸入交流市電進行EMI濾波，采用帶十二相自耦變壓器的不控整流電路將交流電變換為直流電，從而有效地減少了輸入級AC/DC變換產(chǎn)生的諧波含量，提高了功率因數(shù)，降低了輸入變壓器的容量。利用全橋高頻逆變電路將直流電逆變?yōu)楦哳l雙極性PWM波，經(jīng)高頻脈沖變壓器降壓，雙半波整流和輸出濾波后，最終輸出恒定的直流電流對蓄電池負載充電。

控制系統(tǒng)由DSP及其外圍電路組成，主要完成對輸出電壓、電流信號的檢測、采樣和計算；對外部控制指令的接收和處理；對恒流充電的控制；對驅(qū)動信號的產(chǎn)生；對顯示數(shù)據(jù)的發(fā)送及整機的控制等功能。

三、主控芯片選擇及其作用

3.1 主控芯片型號

在蓄電池充電的數(shù)控恒流源設(shè)計中，可以選擇以下幾種主控芯片：

1. DSP（數(shù)字信號處理器）：

• TMS320F240（美國TI公司生產(chǎn)）：具有豐富的片內(nèi)集成外設(shè)，大大減少了DSP的外圍元器件，適用于復(fù)雜的控制算法實現(xiàn)。

• STM32F103RCT6：接口豐富、性能穩(wěn)定、功耗低、價格便宜，使用ARM 32位Cortex-M3高性能內(nèi)核，內(nèi)置高速存儲器（48KB SRAM，256KB FLASH），工作頻率最高可達72MHz，適用于多種復(fù)雜控制任務(wù)。

• STM32F103T8U6：VFQFPN36封裝，CPU工作頻率為72MHz，工作電壓為2.0至3.6V，具有64K字節(jié)閃存存儲器，10K SRAM存儲器，適用于低成本、高性能的充電系統(tǒng)設(shè)計。

2. MCU（微控制器）：

• STM32F103系列：具有高集成度，內(nèi)部集成的功能部件能滿足充電系統(tǒng)設(shè)計要求，且芯片售價較低，適合大規(guī)模應(yīng)用。

3.2 主控芯片在設(shè)計中的作用

1. 數(shù)據(jù)采集與處理：

• 實時采集充電電流、電壓等參數(shù)，進行A/D轉(zhuǎn)換和濾波處理，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

• 對采集到的數(shù)據(jù)進行計算和分析，判斷當(dāng)前充電狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的充電策略調(diào)整充電電流和電壓。

2. 控制算法實現(xiàn)：

• 實現(xiàn)變參數(shù)積分分離PI控制算法，根據(jù)充電電流誤差的正負及上升、下降趨勢，調(diào)整PI參數(shù)，實現(xiàn)最佳充電控制。

• 通過軟件編程實現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯，如充電階段切換、充電參數(shù)調(diào)整等。

3. 通信與顯示：

• 通過USART、SPI、CAN、USB等通信接口與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸和通信，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制。

• 將充電過程中的關(guān)鍵參數(shù)和狀態(tài)信息顯示在LED顯示屏或LCD屏幕上，方便用戶觀察和操作。

4. 安全保護：

• 監(jiān)控充電過程中的電流、電壓、溫度等參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)異常時及時切斷充電電源，防止電池損壞或安全事故發(fā)生。

• 利用看門狗（WD）和實時中斷（RTI）模塊監(jiān)視軟件和硬件操作，確保程序運行的準確性和可靠性。

四、詳細設(shè)計

4.1 輸入濾波與整流

輸入交流市電經(jīng)過EMI濾波器進行濾波處理，去除高頻干擾信號。然后采用帶十二相自耦變壓器的不控整流電路將交流電變換為直流電。這種設(shè)計有效地減少了輸入級AC/DC變換產(chǎn)生的諧波含量，提高了功率因數(shù)，降低了輸入變壓器的容量。

4.2 高頻逆變與降壓

直流電經(jīng)過全橋高頻逆變電路逆變?yōu)楦哳l雙極性PWM波，然后通過高頻脈沖變壓器進行降壓處理。高頻逆變電路和降壓變壓器的設(shè)計需要考慮功率損耗、效率、散熱等因素，確保系統(tǒng)在高功率密度下穩(wěn)定運行。

4.3 輸出濾波與恒流控制

降壓后的高頻PWM波經(jīng)過雙半波整流和輸出濾波電路后，最終輸出恒定的直流電流對蓄電池進行充電。恒流控制通過DSP或MCU實現(xiàn)的PI控制器進行精確調(diào)節(jié)，確保充電電流的穩(wěn)定性和精度。

4.4 溫度檢測與保護

溫度檢測模塊使用單總線溫度傳感器DS18B20進行溫度檢測，提供9位溫度讀數(shù)，溫度測量范圍為-55℃至125℃，精度±0.5℃。當(dāng)電池溫度過高或過低時，芯片將停止充電或放電，并發(fā)出警報，以防止電池遭受過熱或過冷損壞。

4.5 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括數(shù)據(jù)采集與處理、控制算法實現(xiàn)、通信與顯示、安全保護等功能模塊。通過編程實現(xiàn)變參數(shù)積分分離PI控制算法，根據(jù)充電電流誤差的正負及上升、下降趨勢調(diào)整PI參數(shù)，實現(xiàn)最佳充電控制。同時，軟件還需要具備故障檢測與保護功能，當(dāng)出現(xiàn)異常時及時切斷充電電源，防止電池損壞或安全事故發(fā)生。

五、試驗結(jié)果與結(jié)論

經(jīng)過實際測試，該充電電源的輸出電壓范圍為042V，兩級充電電流均為236A可調(diào)，充電電流精度小于5%?？蓪?2V或24V等級的堿性或酸性蓄電池進行恒流循環(huán)和補充充電，也可對新蓄電池進行恒流充電。在不同充電電流給定下均取得了良好的實際充電電流波形，并且當(dāng)蓄電池電壓變化時，因在線的變參數(shù)PI調(diào)節(jié)，充電電流保持恒定，因此系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能和恒流特性。

該充電電源已在多艘大型船舶中使用，取得了良好的應(yīng)用效果。通過優(yōu)化設(shè)計和改進算法，進一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低了成本和維護難度，為蓄電池的充電管理提供了有效的解決方案。

六、總結(jié)與展望

本文提出了一種基于DSP或MCU的蓄電池分級恒流充電電源設(shè)計方案，介紹了電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略及軟件設(shè)計。通過實際測試和應(yīng)用驗證，該充電電源具有高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性等優(yōu)點，適用于各種蓄電池的充電管理。

未來，隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展和充電需求的不斷變化，蓄電池充電的數(shù)控恒流源設(shè)計將更加注重智能化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化等方面的發(fā)展。通過引入先進的控制算法和通信技術(shù)，實現(xiàn)更高效、更便捷、更安全的充電管理，為電動汽車、儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域提供更加優(yōu)質(zhì)的解決方案。