蓄電池分級恒流充電電源設計方案

引言

蓄電池作為能源存儲和供電的重要設備，在電力系統、通信、交通等多個領域具有廣泛的應用。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計方案，并詳細介紹了電源的系統結構、工作原理、控制策略及軟件設計。

系統結構

蓄電池分級恒流充電電源的系統結構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、控制系統和顯示監控模塊等部分。

1. 輸入濾波電路：

• 輸入交流市電首先經過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。

3. 高頻逆變電路：

• 直流電經過全橋高頻逆變電路逆變為高頻雙極性PWM波。高頻逆變電路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. 降壓變壓器：

• 高頻PWM波經過高頻脈沖變壓器進行降壓處理，為后續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：

• 控制系統主要由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，產生驅動信號，發送顯示數據并控制整機。

7. 顯示監控模塊：

• 顯示監控模塊用于顯示充電過程中的關鍵參數和狀態信息，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計的主控芯片型號及其作用：

1. TMS320F240（美國TI公司生產）：

• 作用：TMS320F240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。其高速信號處理和數字控制功能特別適用于需要進行復雜算法的控制系統。

• 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；對驅動信號的產生；對顯示數據的發送及整機的控制等功能。

2. STM32F103RCT6：

• 作用：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。

• 功能：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。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。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。

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。

• 功能：同樣具備實時采集充電參數、A/D轉換和濾波處理、數據分析與狀態判斷、變參數積分分離PI控制算法實現、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控制算法和變參數積分分離PI控制算法。

1. PI控制算法：

• PI控制器以其結構簡單、控制穩態精度高等特點，廣泛應用于控制領域。傳統數字PI調節器的數學模型包括比例系數Kp和積分系數KI。

• Kp值大時，系統響應快，調節精度高，但Kp值過大易造成系統超調大，甚至不穩定。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；當誤差e(k)趨于減小時，要增大Kp值，以提高系統響應速度。

• KI的作用主要是消除穩態誤差，以提高系統的調節精度。KI值大時，誤差消除能力強，但在起動過程中易出現積分飽和及調節超調量增加的現象。因此，要求KI在誤差大時為零，以消除積分飽和現象；進入穩態區域時，加入積分調節。

2. 變參數積分分離PI控制算法：

• 根據上述變參數PI的控制規則，該系統采取變參數與積分分離相結合的PI算法調節逆變橋的驅動脈寬。

• 根據充電電流誤差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間，并在不同的區間調用不同的PI參數，從而實現最佳PI調節。

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

軟件設計

蓄電池分級恒流充電電源的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。

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。

2. 控制算法實現：

• 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。

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。

實驗與測試

經過實際測試，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，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。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。

結論與展望

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。