摘 要:一种好的蓄电池充电方法是分级恒流充电。分析了PWM控制DC/DC变换的原理,给出了一种基于IGBT功率器件、单片机控制的新型蓄电池恒流充电系统的设计方法,并对该系统进行了试验,给出了试验结果。

关键词:Buck变换器PWM IGBT 80C196KC

蓄电池正常充电时,比较好的充电方法是分级定流方式,即在充电初期用较大的电流,充到一定时间后,改用较小的电流,至充电后期改用更小的电流。这种充电方法的效率高,所需充电时间较短,充电的效果也好,并且对延长电池的使用寿命有利。

针对这种要求,本文设计了可改变电流大小的恒流充电系统。

1 系统结构及设计

系统结构如图1所示。交流市电经AC/DC整流得到直流电压V_Bus,V_Bus经IGBT DC/DC斩波后供给电池作为充电电压。

根据恒流充电的要求,将电池的充电电流作为反馈信号实施闭环控制。给定充电电流I^*与实际充电电流反馈信号I比较得误差e,经PID调节器调节后送PWM控制器产生PWM控制信号,再经隔离驱动控制功率开关管IGBT的开关与导通,进行DC/DC降压斩波,实时改变充电电压的大小,从而实现恒流充电的功能。

1.1 斩波及驱动设计

直流DC/DC斩波电路采用Buck降压变换器的形式,如图2所示。电感L2之前为Buck变换器,Buck变换器有电感电流连续工作模式和不连续工作模式。适当选取电感L1的大小,可使Buck变换器电感电流为连续状态。而连续状态下的电感电流为锯齿波,为了更好地平滑电流,在变换器后再接一平波电感L2。

反馈控制系统的一个重要设计准则就是保证跟踪的快速性。由于L1及滤波电容都较大,因而时滞大,所以在此不用与电池(BAT)相串的L2电流作为反馈,而以L1的电流为反馈。

IGBT为全控型晶体管,通过控制其栅极G端高低电平可控制其导通与关断。D为续流二极管。设IGBT开关周期为T,开通时间为Ton，关断时间为Toff,占空比为d,则有关系式：

Ton+Toff=T

Uc=(Ton/T)V_Bus

d=Ton/T

开关周期固定,通过控制占空比d可实现对Uc的控制。

IGBT的驱动采用TLP250芯片。TLP250内部有光耦隔离。为了实现IGBT的快速关断,在使其关断时,需为G、E端提供一负偏压。TLP250的驱动电路如图3所示,稳压管Z为+5伏,采用+20V电源供电。由于稳压管Z及电容C2的储能作用,当IGBT导通时,G、E之间产生+15伏的驱动电压;当IGBT关断时,G、E之间产生-5V的偏压。G、E两端PWM波形如图4所示。

1.2 脉宽调制

脉宽调制(PWM)控制器选用3525芯片。该芯片内部有一振荡器产生三角波信号,误差信号e=I^*-I经PID调节器后送内部误差放大器,再与三角波进行比较产生PWM波形。同时,3525还有闭锁控制引脚,可将过流、过压、短路等检测信号送至此引脚以封锁PWM输出,实施保护功能。通过调节片内振荡器外接电容、电阻的大小可以改变PWM的周期及死区。

1.3 单片机控制

80C196KC单片机外接D/A转换器,将单片机的数字电流给定信号转换成模拟信号。也可以利用单片机的高速输出部件HSO或脉冲宽度调制器输出PWM信号,PWM信号经平滑滤波后变为模拟信号。

针对蓄电池的分级定流充电方式,利用80C196KC单片机进行监督控制,实时改变充电电流大小。80C196KC单片机内部有8路12位的A/D转换。选一路A/D口对电池电压进行检测,当电池达到一定值后,转入定时小电流浮充。采用80C196KC单片机的高速输入口(HSI)对保护信号检测,当出现过流、过压、短路等故障时,采取相应的动作,如切断市电输入及电池输入。

2 试验结果及结论

图5、图6、图7、图8为几种情况下的试验结果。试验中的BUS及BAT电压值为万用表读数,I值为蓄电池串接安培表读出的充电电流值,也等于充电电流给定值。而各图中的波形从存储示波器获取,横坐标上面波形为电流霍尔采样的L2电流,横坐标下面波形为电流霍尔采样的L1电流(为便于与L1电流对比,取反相)。由试验结果得出,在0～3A充电电流给定下,取得了良好的实际充电电流,实现了对蓄电池的分级定流及涓流充电;Buck变换器后接电感L2有利于电流的平滑;当BUS电压在一定范围变化时,由于功率管占空比的调节,能保持充电电流的恒定。

本恒流充电系统可对多节蓄电池进行串联恒流充电。dmin=0.2,dmax=0.8,设电网电压为220V,波动为±15%,则整流可得BUS的电压为V_BUSmin=220×75%×1.4=262V,供给BAT的最大充电电压为263×0.8=210V。

参考文献

1 张占松,蔡宣三. 开关电源的原理与设计. 北京:电子工业出版社,1999

2 李爱文,张承慧. 现代逆变技术及应用. 北京:科学出版社,2000

3 汪 建. MCS-96系列单片机原理及应用技术. 武汉：华中理工大学出版社， 1999