蓄電池分級恒流充電電源設(shè)計方案

引言

蓄電池作為能源存儲和供電的重要設(shè)備，在電力系統(tǒng)、通信、交通等多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在蓄電池的充電過程中，為了保證電池的壽命和性能，通常采用分級恒流充電的方式。即在充電初期采用較大的恒定電流，當電池電壓達到一定值或充電時間達到預設(shè)值后，改用較小的恒定電流進行充電。本文提出了一種基于DSP（數(shù)字信號處理器）或MCU（微控制器）的蓄電池分級恒流充電電源設(shè)計方案，并詳細介紹了電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略及軟件設(shè)計。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

蓄電池分級恒流充電電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括輸入濾波電路、整流電路、高頻逆變電路、降壓變壓器、整流濾波電路、控制系統(tǒng)和顯示監(jiān)控模塊等部分。

1. 輸入濾波電路：

• 輸入交流市電首先經(jīng)過EMI濾波器進行濾波處理，去除高頻干擾信號，確保電源輸入的穩(wěn)定性和可靠性。

2. 整流電路：

• 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。

3. 高頻逆變電路：

• 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。高頻逆變電路的設(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. 降壓變壓器：

• 高頻PWM波經(jīng)過高頻脈沖變壓器進行降壓處理，為后續(xù)的整流濾波電路提供合適的電壓等級。

5. 整流濾波電路：

• 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。

6. 控制系統(tǒng)：

• 控制系統(tǒng)主要由DSP或MCU及其外圍電路組成，負責檢測、采樣和計算輸出電壓、電流信號，接收和處理外部控制指令，對恒流充電進行控制，產(chǎn)生驅(qū)動信號，發(fā)送顯示數(shù)據(jù)并控制整機。

7. 顯示監(jiān)控模塊：

• 顯示監(jiān)控模塊用于顯示充電過程中的關(guān)鍵參數(shù)和狀態(tài)信息，如充電電流、電壓、溫度等，并具備故障檢測和報警功能。

主控芯片型號及其作用

在主控芯片的選擇上，主要考慮芯片的性能、功能、功耗、價格等因素。以下是幾種適用于蓄電池分級恒流充電電源設(shè)計的主控芯片型號及其作用：

1. TMS320F240（美國TI公司生產(chǎn)）：

• 作用：TMS320F240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，適用于復雜的控制算法實現(xiàn)。其高速信號處理和數(shù)字控制功能特別適用于需要進行復雜算法的控制系統(tǒng)。

• 功能：主要用于完成對輸出電壓、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。

2. STM32F103RCT6：

• 作用：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，適用于多種復雜控制任務(wù)。

• 功能：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，判斷當前充電狀態(tài)，并根據(jù)預設(shè)的充電策略調(diào)整充電電流和電壓。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)復雜的控制邏輯，如充電階段切換、充電參數(shù)調(diào)整等。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。

3. STM32F103T8U6：

• 作用：STM32F103T8U6采用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。

• 功能：同樣具備實時采集充電參數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換和濾波處理、數(shù)據(jù)分析與狀態(tài)判斷、變參數(shù)積分分離PI控制算法實現(xiàn)、復雜控制邏輯編程以及外部通信等功能。

控制策略

蓄電池分級恒流充電電源的控制策略主要包括PI控制算法和變參數(shù)積分分離PI控制算法。

1. PI控制算法：

• PI控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、控制穩(wěn)態(tài)精度高等特點，廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域。傳統(tǒng)數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的數(shù)學模型包括比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)KI。

• Kp值大時，系統(tǒng)響應(yīng)快，調(diào)節(jié)精度高，但Kp值過大易造成系統(tǒng)超調(diào)大，甚至不穩(wěn)定。因此，在誤差e(k)趨于增大時需要適當減小Kp值，以防止超調(diào)；當誤差e(k)趨于減小時，要增大Kp值，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

• KI的作用主要是消除穩(wěn)態(tài)誤差，以提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。KI值大時，誤差消除能力強，但在起動過程中易出現(xiàn)積分飽和及調(diào)節(jié)超調(diào)量增加的現(xiàn)象。因此，要求KI在誤差大時為零，以消除積分飽和現(xiàn)象；進入穩(wěn)態(tài)區(qū)域時，加入積分調(diào)節(jié)。

2. 變參數(shù)積分分離PI控制算法：

• 根據(jù)上述變參數(shù)PI的控制規(guī)則，該系統(tǒng)采取變參數(shù)與積分分離相結(jié)合的PI算法調(diào)節(jié)逆變橋的驅(qū)動脈寬。

• 根據(jù)充電電流誤差e(k)的正負及上升、下降趨勢，將反饋電流一個周期的波動分為四個區(qū)間，并在不同的區(qū)間調(diào)用不同的PI參數(shù)，從而實現(xiàn)最佳PI調(diào)節(jié)。

• 引進積分分離PI控制算法，既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有較大的改善。

軟件設(shè)計

蓄電池分級恒流充電電源的軟件設(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。

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。

2. 控制算法實現(xiàn)：

• 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。

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。

實驗與測試

經(jīng)過實際測試，該充電電源的輸出電壓范圍為0-42V，兩級充電電流均為2-36A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。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。

結(jié)論與展望

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。