蓄電池充電的數控恒流源設計方案

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，被廣泛應用于手機、筆記本電腦、車載導航系統等電子設備中。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，設計一種高效、可靠的蓄電池充電數控恒流源顯得尤為重要。

一、系統概述

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計難點。

二、系統結構及工作原理

2.1 系統結構

蓄電池恒流充電電源的結構框圖如圖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換、充電原則轉換和相應充電參數值的調整。

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變換產生的諧波含量，提高了功率因數，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為高頻雙極性PWM波，經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；對驅動信號的產生；對顯示數據的發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

在蓄電池充電的數控恒流源設計中，可以選擇以下幾種主控芯片：

1. DSP（數字信號處理器）：

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

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

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

2. MCU（微控制器）：

• STM32F103系列：具有高集成度，內部集成的功能部件能滿足充電系統設計要求，且芯片售價較低，適合大規模應用。

3.2 主控芯片在設計中的作用

1. 數據采集與處理：

• 實時采集充電電流、電壓等參數，進行A/D轉換和濾波處理，確保數據的準確性和可靠性。

• 對采集到的數據進行計算和分析，判斷當前充電狀態，并根據預設的充電策略調整充電電流和電壓。

2. 控制算法實現：

• 實現變參數積分分離PI控制算法，根據充電電流誤差的正負及上升、下降趨勢，調整PI參數，實現最佳充電控制。

• 通過軟件編程實現復雜的控制邏輯，如充電階段切換、充電參數調整等。

3. 通信與顯示：

• 通過USART、SPI、CAN、USB等通信接口與外部設備進行數據傳輸和通信，實現遠程監控和控制。

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

4. 安全保護：

• 監控充電過程中的電流、電壓、溫度等參數，當出現異常時及時切斷充電電源，防止電池損壞或安全事故發生。

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

四、詳細設計

4.1 輸入濾波與整流

輸入交流市電經過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。這種設計有效地減少了輸入級AC/DC變換產生的諧波含量，提高了功率因數，降低了輸入變壓器的容量。

4.2 高頻逆變與降壓

直流電經過全橋高頻逆變電路逆變為高頻雙極性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計需要考慮功率損耗、效率、散熱等因素，確保系統在高功率密度下穩定運行。

4.3 輸出濾波與恒流控制

降壓后的高頻PWM波經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實現的PI控制器進行精確調節，確保充電電流的穩定性和精度。

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，溫度測量范圍為-55℃至125℃，精度±0.5℃。當電池溫度過高或過低時，芯片將停止充電或放電，并發出警報，以防止電池遭受過熱或過冷損壞。

4.5 軟件設計

軟件設計包括數據采集與處理、控制算法實現、通信與顯示、安全保護等功能模塊。通過編程實現變參數積分分離PI控制算法，根據充電電流誤差的正負及上升、下降趨勢調整PI參數，實現最佳充電控制。同時，軟件還需要具備故障檢測與保護功能，當出現異常時及時切斷充電電源，防止電池損壞或安全事故發生。

五、試驗結果與結論

經過實際測試，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，充電電流精度小于5%。可對12V或24V等級的堿性或酸性蓄電池進行恒流循環和補充充電，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，并且當蓄電池電壓變化時，因在線的變參數PI調節，充電電流保持恒定，因此系統具有良好的動態性能和恒流特性。

該充電電源已在多艘大型船舶中使用，取得了良好的應用效果。通過優化設計和改進算法，進一步提高了系統的穩定性和可靠性，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計方案，介紹了電源的系統結構、工作原理、控制策略及軟件設計。通過實際測試和應用驗證，該充電電源具有高精度、高穩定性、高可靠性等優點，適用于各種蓄電池的充電管理。

未來，隨著電池技術的不斷發展和充電需求的不斷變化，蓄電池充電的數控恒流源設計將更加注重智能化、網絡化、模塊化等方面的發展。通過引入先進的控制算法和通信技術，實現更高效、更便捷、更安全的充電管理，為電動汽車、儲能系統等領域提供更加優質的解決方案。