数字式铅酸蓄电池智能充电器的设计

1、数字式铅酸蓄电池智能充电器的设计贾贵玺 戚艳 邵虹君 傅田晟天津大学电气与自动化工程学院,天津 300072电子邮箱: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 :本文介绍了一种针对阀控式密封铅酸蓄电池的智能充电系统,在分析和总结目前已有的铅酸蓄电池的充电方式的基础上,提出了三段式充电和脉冲充电相结合的充电方式,有效缓解了铅酸蓄电池的极化现象。充电电源由具有功率因数校正功能的高频开关电源实现,充电系统以 MC56F8013为控制核心,实现数据采集、脉冲驱动、人机接口等功能,最终实现铅酸蓄电池的智能充电。关键词 :铅酸蓄电池;数字控制; MC56F8013;三段式混 合充电 1 引言铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳 定等优点,因此广泛应用于国防、通信、铁路、交 通、工农业生

5、产部门。电池的性能好坏、使用寿命 的长短直接影响到电子产品的使用寿命和使用安 全,而充电器的性能直接影响到电池的使用寿命, 随着生产中工艺要求的提高,蓄电池的充电速率和效率也越来越受到重视。因此,研究高可靠性、高 充电速率的铅酸电池充电器具有实际应用价值。近年来,快速充电技术很受关注并且取得一些 成果,同时实现了数字化控制,使整个系统的稳定 性有很大提高,本论文正是在数字化控制的基础上 实现的快速充电。2 充电理论铅酸蓄电池的充电控制方法很多,目前较为常用的充电方法主要包括恒流充电、恒压充电、三阶 段充电等,同时国内外陆续提出了一些新型的充电 方法,如分级定流充电法、脉动式充电法、 Refle

6、x充电法等,力求实现最佳充电模式,但目前这几种方法还处于理论研究阶段。 为了保证充电器的实用性和可靠性,本系统采 用三段式与脉冲充电相结合的充电方式(如图 1 , 即系统整体上采用恒流恒压浮充的充电方式, 同时每一段采用脉冲充电方式,在正脉冲之后进行 短暂的停冲,这种方式结合了三段式充电和脉冲充 电的优点,在整个充电过程中,适时的改善了电池 内部极化现象,避免了电池内部产生大量气体和温 度过高的问题,同时提高了充电速率,从而实现铅 酸电池的可靠、快速充电。电流电压图 1 铅酸电池充电曲线Fig.1 the charging curve of VRLA battery 同时,值得注意的是,温度对

7、浮充电压的影响 将会给铅酸电池带来严重危害,因此,提出开发和 完善铅酸蓄电池的温度补偿技术非常具有现实意 义,本次设计的充电器就具有温度补偿功能。3 硬件电路设计3.1 系统结构铅酸蓄电池充电系统硬件电路主要由开关电 源变换电路、充电电路、数据采集电路、 DSP 外围 电路等模块组成,硬件结构框图如图 2所示。 图 2 Fig2. DC/DC变换电路组成, 流的输出。3.2 开关电源变换电路开关电源变换电路由 PFC 路和 DC/DC生的谐波。本系统采用 UC3854制 PFC 电路,具体电路如图 3UC3854Boost 电路,控制电路控制电路由 接元件组成 , 位在 15V 的 PWM 驱

8、动信号,外接图 3 功率因数校正电路 Fig3. PFC circuit极。这样,就能保证主电路功率因数在 0.99以上。由于开关电源功率较小, DC/DC电路采用单端 反激式开关稳压电源,此电路输入为 PFC 电路输 出,如图 4所示,功率器件采用 TOPSwitch 系列芯 片 TOP204Y , 变压器采用普通的国产铁氧体磁芯 图 5 MC56F8013引脚设置 Fig5. MC56F8013 pin set在充电过程中,采样电路将采集到的电压、电 流、温度等信号送入 DSP, 在 DSP 内部经过 A/D转 换,数字信号经过电压环、电流环的调节产生控制 MOS 管的驱动信号的 PWM

9、脉冲, 以产生不同充电 要求的充电电压、电流。 3.4 充电回路充电回路的作用是把 15V 直流电压变换成各 个 不 同 的 充 电 电 压 , 本 系 统 采 用 非 隔 离 型 Buck/Boost双向 DC/DC拓扑电路,充电电路图如 图 6。为了减小开关纹波,一般希望滤波电感大一 些,但是大电感会使脉冲电流响应变慢,为了加快 响应速度,同时获得较小的开关纹波,采用两路并 联的结构。图 6 充电主回路电路图 Fig6. the charging main loop circuit变流器的并联有其明显好处,在大功率应用 中,多个变流器可以分担大的电流和功率,突破了 单个变流器可能的限制。同

10、时增加变流器的数目意 味着能方便的进行系统的维护和修理,提高可靠 性,改善热量损耗和容错能力。4 控制策略由于电网的波动及周边负荷的变化,充电电 流、电压会出现跃变。自动充放电控制器的调节功 能是使充电电流或电压稳定。阀控密封铅酸蓄电池 在深放电后充电,开始阶段其内阻较大,随着充电 电压的升高,内阻减小,即使电网中很小的电压波 动也会引起充电电流较大的变化。这就要求充电控 制器的调节速度要快,不然会引起跳闸,甚至损坏 整流电路。对阀控密封铅酸蓄电池充放电过程的控 制,采用图 7所示的混合模糊型 PI 控制器。图 7 混合型模糊 PI 控制器 Fig7. Hybrid fuzzy PI cont

11、roller(1 当误差 s e e 时, 应用模糊控制调节。 E 为偏差, C E 为偏差变化率, U 为控制量的模糊语 言变量。系统根据不同的状态使用与之相适应的模 糊控制规则。由模糊控制规则计算出模糊变量 U , 再把计算出的模糊控制变量 U 精确化, 并加到控制 对象上。偏差和偏差变化率分别为( ( (n r n y n E = (1 1( ( (=n e n e n E C (2式中: (n r 为 nT 时刻控制系统的设定值; (n y 为 nT 时刻控制系统的输出; (n e 、 (n E C 分别为 nT 时刻控制系统的偏差、偏差率; T 为采样周期。E 、 C E 的模糊子集

12、规定为:E=NB,NM,NS,ZE, PS,PM,PB,C E =NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB。模糊 控制器的控制规则采用条件语句形式,表达为:If i E and jC E then K U采用 Mamdani 推理合成法, 用重心法进行模糊 判决,从而计算出精确控制量 j u 。根据上述规则, 对于所有输入组合和状态值进行离线计算得出控制表并存储于 DSP 中。(2当 s e e <时,采用 PI 控制器调节,由于 积分环节的存在,很容易出现积分饱和的情况,我 们采用抑制积分饱和的 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 表示抑制积分饱和的 PI 算法的输出;(n U 表示本次 PI 调节器的计算结果; P K 表示比例调节系数; i K 表示积分系数; sat K 表示抗饱和 积分系数; (n I n 为本次积分累加和; max U 、 min U 分别表示 PI 调节器输出的最大值和最小值。由于铅酸蓄电池的浮充

14、电压与电池温度紧密 相关,所以充电系统应具有温度补偿功能以提高蓄 电池的可靠运行水平,本系统中,启动温度补偿功 能后,浮充电压按照以下方程进行修正:20(=T N T V V c n tc (5式中:tc V 为经温度补偿后的电压; n V 为未经温度 补偿的电压; c T 为设置的温度补偿系数, 本系统取 4mV /; N 为每组阀控铅酸蓄电池的节数,本充电器是针对 12V 蓄电池, N 取 6; T 为温度传感器 指示的温度。5 实验仿真结果开关电源电路板搭建好后经过通电调试,可达 到理想输出结果,针对不同的负载得到数据如表 1所示:表 1 开关电源实验数据Tab.1 Switching

15、Power Supply experimental data由实验数据得出:不同负载,当输入电压高于 120V 时, 输出电压可以趋于稳定, 当负载大于 7.5 时, 输出电压可以达到设计要求, 输出值大约为 15V , 功率大约达到 30W ,满足充电要求。对充电回路驱动 MOS 管的 PWM 波形进行了 仿真,仿真结果如图 8所示。 图 8 PWM驱动波形 Pig8. PWM driver waveform同时通过仿真得到带有放电脉冲的恒流充电、恒压充电的输出波形如图 9、图 10所示。 图 9 充电电流仿真波形Pig9. Charging current simulation wavef

16、orm图 10 充电电压仿真波形Pig9. Charging voltage simulation waveform通过仿真结果可以看出,本充电系统即可以实 现具有放电脉冲的恒流充电,又可实现具有放电脉 冲的恒压充电,还可实现各个电压之间的相互转 换,各阶段的电压、电流相对稳定,因此,本系统 提出的充电方案具有现实可行性。6 结论本系统通过 DSP 实现了全数字化的铅酸蓄电 池充电管理,结构简单,可靠性高,成本较低,并 且具有很高的灵活性,通过修改软件即可改变系统 的充电参数,在不改变原有硬件的情况下实现给不 同容量的铅酸电池充电。同时,本系统提出的三段式充电与脉冲充电相 结合的充电方式能够有

17、效缓解电池的极化和出气 现象,能够改善充电质量和效率,提高电池的使用性能,延长电池的使用寿命,是实际应用中铅酸蓄 电池充电管理的最佳解决方案。参考文献 :1 钟静宏,张承宁,张旺(Zhong Jinghong,Zhang Chengning,ZhangWang . 电动汽车的铅酸蓄电池快速充电系统(The research about quick pulse charge system of lead-acid battery for electric vehicle J电源技术研究与设计, 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,周纪海,纪爱华,充电器电路设计与应用 M,北京:人民邮电出版社, 2004, 14984 周 震 宇 , 张 军 明 , 钱 照 明 (Zhou Zhenyu,Zhang Junming,QianZhaoming . 基于

19、PIC 的数字式智能铅酸蓄电池充电器的设计(Design of the Digital-controlled Intelligent VRLA Battery Charger Based on PIC Microcontroller j.电源技术应用(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 陈新,吴崇理, DSP 控制器原理及其应用,北京 :电子工业出版社,2007, 3073297 孔令凯, 史蕊, 王振 (Kong Lingkai, Shi Lei, Wang Zhen 基于 PIC单片机的智能脉冲充电器的设计与实现(Design and Implementationof Intelligent Impulse Charger Based on PIC SCM J,仪表技术与传 感器(Instrume