??? 摘? 要: 一種好的蓄電池充電方法是分級(jí)恒流充電。分析了PWM控制DC/DC變換的原理,給出了一種基于IGBT功率器件、單片機(jī)控制的新型蓄電池恒流充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn),給出了試驗(yàn)結(jié)果。?
??? 關(guān)鍵詞: Buck變換器? PWM? IGBT? 80C196KC
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??? 蓄電池正常充電時(shí),比較好的充電方法是分級(jí)定流方式,即在充電初期用較大的電流,充到一定時(shí)間后,改用較小的電流,至充電后期改用更小的電流。這種充電方法的效率高,所需充電時(shí)間較短,充電的效果也好,并且對(duì)延長(zhǎng)電池的使用壽命有利。?
??? 針對(duì)這種要求,本文設(shè)計(jì)了可改變電流大小的恒流充電系統(tǒng)。?
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)?
??? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。交流市電經(jīng)AC/DC整流得到直流電壓VBus,VBus經(jīng)IGBT DC/DC斬波后供給電池作為充電電壓。?
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??? 根據(jù)恒流充電的要求,將電池的充電電流作為反饋信號(hào)實(shí)施閉環(huán)控制。給定充電電流I*與實(shí)際充電電流反饋信號(hào)I比較得誤差e,經(jīng)PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后送PWM控制器產(chǎn)生PWM控制信號(hào),再經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)控制功率開(kāi)關(guān)管IGBT的開(kāi)關(guān)與導(dǎo)通,進(jìn)行DC/DC降壓斬波,實(shí)時(shí)改變充電電壓的大小,從而實(shí)現(xiàn)恒流充電的功能。?
1.1 斬波及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)?
??? 直流DC/DC斬波電路采用Buck降壓變換器的形式,如圖2所示。電感L2之前為Buck變換器,Buck變換器有電感電流連續(xù)工作模式和不連續(xù)工作模式。適當(dāng)選取電感L1的大小,可使Buck變換器電感電流為連續(xù)狀態(tài)。而連續(xù)狀態(tài)下的電感電流為鋸齒波,為了更好地平滑電流,在變換器后再接一平波電感L2。?
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??? 反饋控制系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就是保證跟蹤的快速性。由于L1及濾波電容都較大,因而時(shí)滯大,所以在此不用與電池(BAT)相串的L2電流作為反饋,而以L1的電流為反饋。?
??? IGBT為全控型晶體管,通過(guò)控制其柵極G端高低電平可控制其導(dǎo)通與關(guān)斷。D為續(xù)流二極管。設(shè)IGBT開(kāi)關(guān)周期為T(mén),開(kāi)通時(shí)間為T(mén)on，關(guān)斷時(shí)間為T(mén)off,占空比為d,則有關(guān)系式：?
??? Ton+Toff=T??????? ?
??? Uc=(Ton/T)VBus?
??? d=Ton/T?
??? 開(kāi)關(guān)周期固定,通過(guò)控制占空比d可實(shí)現(xiàn)對(duì)Uc的控制。?
??? IGBT的驅(qū)動(dòng)采用TLP250芯片。TLP250內(nèi)部有光耦隔離。為了實(shí)現(xiàn)IGBT的快速關(guān)斷,在使其關(guān)斷時(shí),需為G、E端提供一負(fù)偏壓。TLP250的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示,穩(wěn)壓管Z為+5伏,采用+20V電源供電。由于穩(wěn)壓管Z及電容C2的儲(chǔ)能作用,當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí),G、E之間產(chǎn)生+15伏的驅(qū)動(dòng)電壓;當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí),G、E之間產(chǎn)生-5V的偏壓。G、E兩端PWM波形如圖4所示。?
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1.2 脈寬調(diào)制?
??? 脈寬調(diào)制(PWM)控制器選用3525芯片。該芯片內(nèi)部有一振蕩器產(chǎn)生三角波信號(hào),誤差信號(hào)e=I*-I經(jīng)PID調(diào)節(jié)器后送內(nèi)部誤差放大器,再與三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生PWM波形。同時(shí),3525還有閉鎖控制引腳,可將過(guò)流、過(guò)壓、短路等檢測(cè)信號(hào)送至此引腳以封鎖PWM輸出,實(shí)施保護(hù)功能。通過(guò)調(diào)節(jié)片內(nèi)振蕩器外接電容、電阻的大小可以改變PWM的周期及死區(qū)。?
1.3 單片機(jī)控制?
??? 80C196KC單片機(jī)外接D/A轉(zhuǎn)換器,將單片機(jī)的數(shù)字電流給定信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。也可以利用單片機(jī)的高速輸出部件HSO或脈沖寬度調(diào)制器輸出PWM信號(hào),PWM信號(hào)經(jīng)平滑濾波后變?yōu)槟M信號(hào)。?
??? 針對(duì)蓄電池的分級(jí)定流充電方式,利用80C196KC單片機(jī)進(jìn)行監(jiān)督控制,實(shí)時(shí)改變充電電流大小。80C196KC單片機(jī)內(nèi)部有8路12位的A/D轉(zhuǎn)換。選一路A/D口對(duì)電池電壓進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)電池達(dá)到一定值后,轉(zhuǎn)入定時(shí)小電流浮充。采用80C196KC單片機(jī)的高速輸入口(HSI)對(duì)保護(hù)信號(hào)檢測(cè),當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、短路等故障時(shí),采取相應(yīng)的動(dòng)作,如切斷市電輸入及電池輸入。?
2 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論?
??? 圖5、圖6、圖7、圖8為幾種情況下的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中的BUS及BAT電壓值為萬(wàn)用表讀數(shù),I值為蓄電池串接安培表讀出的充電電流值,也等于充電電流給定值。而各圖中的波形從存儲(chǔ)示波器獲取,橫坐標(biāo)上面波形為電流霍爾采樣的L2電流,橫坐標(biāo)下面波形為電流霍爾采樣的L1電流(為便于與L1電流對(duì)比,取反相)。由試驗(yàn)結(jié)果得出,在0～3A充電電流給定下,取得了良好的實(shí)際充電電流,實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的分級(jí)定流及涓流充電;Buck變換器后接電感L2有利于電流的平滑;當(dāng)BUS電壓在一定范圍變化時(shí),由于功率管占空比的調(diào)節(jié),能保持充電電流的恒定。?
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??? 本恒流充電系統(tǒng)可對(duì)多節(jié)蓄電池進(jìn)行串聯(lián)恒流充電。dmin=0.2,dmax=0.8,設(shè)電網(wǎng)電壓為220V,波動(dòng)為±15%,則整流可得BUS的電壓為VBUSmin=220×75%×1.4=262V,供給BAT的最大充電電壓為263×0.8=210V。?
參考文獻(xiàn)?
1 張占松,蔡宣三. 開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì). 北京:電子工業(yè)出版社,1999?
2 李愛(ài)文,張承慧. 現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)用. 北京:科學(xué)出版社,2000?
3 汪 建. MCS-96系列單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù). 武漢：華中理工大學(xué)出版社， 1999?