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鉛酸蓄電池由于其技術(shù)成熟、成本低、容量大、內阻小、跟隨負荷輸出特性好、無(wú)記憶效應等優(yōu)點(diǎn)而被大多數電動(dòng)車(chē)所使用。但是研究發(fā)現，不良的充電方式不僅會(huì )直接影響蓄電池的性能，而且對其壽命造成極大影響。所以正確的充電方式對蓄電池壽命有著(zhù)非常重要的作用。 隨著(zhù)人們對快速充電理論的研究不斷深入，電力電子技術(shù)應用的日益廣泛，鉛酸蓄電池快速充電技術(shù)也有了進(jìn)一步改進(jìn)及進(jìn)入實(shí)用階段的條件和可能。比如現代脈沖智能充電器以高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)為基礎，嵌入先進(jìn)的智能控制數字電路，采用智能檢測和控制技術(shù)來(lái)調節充電器的脈沖輸出比例，實(shí)現可控去極化功能。在效果方面，電池的充電時(shí)間縮短，一定程度提高了電池充電的有效容量，并延長(cháng)了電池的使用壽命，但同時(shí)卻沒(méi)有考慮到充電過(guò)程中的功耗問(wèn)題。 本文采用分級定電流的脈沖快速充電方法，提出了以高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)為基礎，主要研究以超低功耗MSP430系列單片機作為主控制器的硬件設計和軟件設計方案，測試結果表明，該充電方案能有效提高對蓄電池的充電速度，減少充電損耗，使延長(cháng)蓄電池的使用壽命成為可能。 1 脈沖充電理論 實(shí)驗證明，蓄電池充電電流接受率由下列三條基本定律決定: (1)對于任意給定的放電電流來(lái)說(shuō)，蓄電池充電電流接受率，與它已放出電荷量的平方根成反比，即: (1) 式(1)中:K 為放電電流常數，視放電電流的大小而定;Q 為蓄電池放出的容量。 (2)對于任意給定的放電量，蓄電池充電電流接受率，與蓄電池放電電流Id的對數成正比，即如式(2)所示:I0 =KQlg(KId) (2) (3)蓄電池以不同的電流放電后，其最終可接受的充電電流(接受能力)等于以各種不同電流放電時(shí)的可接受充電電流之和，即: It =I1+I2+I3+I4+…… 因此 at =I0 / Qt(3) 式(3)中:It表示總的可接受電流；Qt表示蓄電池放出的金部電量；at表示總的充電電流接受率。 脈沖快速充電方法正是基于這個(gè)理論而提出的一種快速充電方式。 2 充電方法 基于上述理論，并考慮到鉛酸蓄電池自身的一些特性，本文研究的快速充電裝置所采用的充電方法將整個(gè)充電過(guò)程分為預充電、脈沖快速充電、補足充電和涓流充電4個(gè)階段。根據蓄電池充電前反饋的技術(shù)指標，進(jìn)入不同的充電階段。 2.1 預充電 對于長(cháng)期不用的電池、新電池或在充電初期已處于深度放電狀態(tài)的蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，一開(kāi)始就采取快速充電會(huì )影響電池的壽命。為了避免這一問(wèn)題要先對蓄電池實(shí)行穩定小電流充電，使蓄電池電壓上升，當電壓升到能接受大電流充電的閾值時(shí)再進(jìn)行大電流快速充電。 2.2 脈沖快速充電 在快速充電過(guò)程中，采用分級定電流脈沖快速充電法，將充電電流分級。開(kāi)始充電時(shí)采用大電流(約1C)，隨著(zhù)蓄電池容量的增加，端電壓升高，當蓄電池中單格電壓達到2.35V即停止第一級充電(約2min)。首先停止充電B (25~40ms)，稱(chēng)為前停歇，此階段可以去除歐姆極化和部分濃差極化;接著(zhù)再放電或反充電，使蓄電池反向通過(guò)一個(gè)較大的脈沖電流，脈沖寬度為C (25~200ms)，脈沖幅值為2~5倍的充電電流，可以進(jìn)一步消除濃差極化;然后再停止放電D(25ms)，稱(chēng)為后停歇。如此反復，直至蓄電池電壓上升至補足充電電壓閾值時(shí)，轉入補足充電階段。采用這種方法可有效消除充電接近充滿(mǎn)時(shí)易出現的震蕩現象及過(guò)充問(wèn)題。 2.3 補足充電 相對于快速充電階段，補足充電階段又可以稱(chēng)為慢速充電階段。當快速充電階段終止時(shí)，電池并未完全充足，還需加入補足充電過(guò)程。補足充電速率一般不超過(guò)0.3c，因為電池電壓經(jīng)過(guò)快速充電階段后有所升高，所以補足充電階段的充電電壓也應該有所提升，并且恒定在某一范圍之內。此階段充電采用恒壓充電，可使電池容量快速恢復。當電流下降至某一閾值時(shí)，轉入涓流充電階段。 2.4 涓流充電 在補足充電階段后期，當檢測到溫度上升超過(guò)極限值或充電電流減小到一定值之后，開(kāi)始用更小的電流進(jìn)行充電直至滿(mǎn)足一定的條件后結束充電。此階段主要用來(lái)補充蓄電池自放電所消耗的能量，只要電池接在充電器上并且充電器接通電源，充電器就會(huì )給電池不斷補充電荷，這樣可使電池總處于充足電狀態(tài)。 3 脈沖快速充電系統硬件設計 3.1 總體設計 該系統硬件電路主要由開(kāi)關(guān)電源電路、充放電控制電路以及顯示、報警電路等模塊組成。開(kāi)關(guān)電源電路即功率電路為蓄電池提供充電電流和電壓，充放電回路中開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作去控制蓄電池的充電電壓和電流，保證充電過(guò)程的正常進(jìn)行，控制模塊的顯示、報警電路給用戶(hù)提供充電狀態(tài)信息，同時(shí)主控芯片輸出PWM 信號到驅動(dòng)電路，控制充放電回路中開(kāi)關(guān)管的導通程度，對蓄電池的充電過(guò)程進(jìn)行控制。系統的硬件結構框圖如圖1所示。 圖1 控制電路硬件設計 本設計采用TI的16 位單片機MSP430F149。它具有處理能力強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。其工作電壓為1.8V~3.6V;CPU 運行正交的精簡(jiǎn)指令集，片內寄存器數量多. 存儲器可實(shí)現多種運算;MSP430F149中斷源較多并可任意嵌套，系統處于省電狀態(tài)，用中斷請求喚醒只需6μs:它還具有豐富的片上外圍模塊，其12位A/D轉換器帶有內部參考源，采樣保持，自動(dòng)掃描等特性;16位定時(shí)器Timer A具有4種工作模式，可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)捕獲/比較功能:48個(gè)可達獨立編程的I/O口:2個(gè)串行通信接口USART0與USARTl:FLASH 存儲器多達60KB，擦寫(xiě)次數可達10萬(wàn)次。本系統研究主要是鑒于其低功耗的特點(diǎn)。 3.2 開(kāi)關(guān)電源電路的設計 系統中的開(kāi)關(guān)電源電路為蓄電池的充電提供穩定的電壓采用的是反激式的開(kāi)關(guān)電源電路。反激式開(kāi)關(guān)電源的電路比較簡(jiǎn)單，比正激式開(kāi)關(guān)電源少用了一個(gè)大的儲能濾波電感，以及一個(gè)續流二極管，因此，反激式開(kāi)關(guān)電源的體積要比正激式開(kāi)關(guān)電源的體積小，且成本也要低。此外，反激式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓受占空比的調制幅度，相對于正激式開(kāi)關(guān)電源來(lái)要高很多，因此，反激式開(kāi)關(guān)電源要求調控占空比的誤差信號幅度要比較低，誤差信號放大器的增益和動(dòng)態(tài)范圍也要較小�；谶@些優(yōu)點(diǎn)，反激式開(kāi)關(guān)電源在目前家電領(lǐng)域中被廣泛的應用。如圖2所示。 圖2 開(kāi)關(guān)電源電路 開(kāi)關(guān)電源電路控制芯片采用UC3842，UC3842是目前比較理想的新型的脈寬調制器。由該集成電路構成的開(kāi)關(guān)穩壓電源與電壓控制型脈寬調制開(kāi)關(guān)穩壓電源相比具有以下特點(diǎn): 1)微調的振蕩器放電電流，可精確控制占空比; 2)電流模式工作到500kHz; 3)自動(dòng)前饋補償; 4)鎖存脈寬調制，可逐周限流; 5)內部微調的參考電壓，帶欠壓鎖定; 6)大電流圖騰柱輸出; 7)欠壓鎖定，帶滯后; 8)低啟動(dòng)和工作電流。 TL431稱(chēng)為可調式精密并聯(lián)穩壓器，利用兩只外部電阻可設定2.5V~36V范圍內的任何基準電壓值。其工作原理是當輸出電壓U 0發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)電阻分壓后得到的取樣電壓就與TL431中的2.5V帶隙基準電壓進(jìn)行比較，在陰極形成誤差電壓，使發(fā)光二極管的工作電流產(chǎn)生相應變化，再通過(guò)光耦去改變控制端電流Ic的大小，調節開(kāi)關(guān)管的輸出占空比，使輸出電壓U0不變，從而達到穩壓目的。 3.3 充放電電路的設計 本設計中的充放電過(guò)程主要由兩片P溝道的場(chǎng)效應管IRF9540N來(lái)完成。如圖3所示。Q2管控制系統的充電過(guò)程，而放電脈沖主要Q3來(lái)進(jìn)行控制。 圖3 充放電電路圖 3.3.1 采集部分 在MSP430F149 中有1 個(gè)12 位精度的AD 轉換模塊ADC12。ADC12可以對8個(gè)外部模擬信號之一或4個(gè)內部電壓之一作轉換，由ADC內核把模擬信號轉換成12位數據并存入轉換存儲寄存器。內核用到2個(gè)參考電平，即VR+和VR-作為轉換范圍的上下限和讀數的量程值和“0”值。轉換數值在輸入信號大于等于VR+時(shí)為滿(mǎn)量程，小于等于VR-時(shí)為“0”。蓄電池端電壓通過(guò)兩個(gè)電阻R2和R6分壓方式，將單片機采樣電壓值AD1限制在輸入電壓量程范圍內。充電電流和放電電流都通過(guò)電阻轉化成相應的電壓值，送入單片機的AI口。三路AD采樣結果分別存儲在相應的ADC12MEMx寄存器中。 3.3.2 驅動(dòng)部分 根據三路AD采樣結果確定充電器的充電狀態(tài)后，由單片機輸出兩路占空比可調頻率為1kHz的PWM 波形PWM1和PWM2分別用來(lái)控制兩只三極管2N5551的導通程度，三極管集電極電流會(huì )隨著(zhù)不同，再經(jīng)電阻分壓后提供不同的電壓給場(chǎng)效應管的柵極，驅動(dòng)MOSFET，輸出不停大小的漏極電流Id，給蓄電池提供大小不等的充電電流和放電脈沖幅值，最終達到脈沖充電的效果。 4 脈沖快速充電系統軟件設計 4.1 系統軟件設計框圖 本系統軟件部分的主要功能是，通過(guò)對蓄電池狀態(tài)的檢測，使充電轉入不同的充電階段。進(jìn)入不同的充電階段后，通過(guò)一定的算法，改變單片機輸出PWM 信號的占空比，實(shí)現不同階段的充電、放電、暫停充電和終止充電的控制，并顯示充電器的狀態(tài)。軟件流程圖如圖4所示。 圖4 軟件設計流程圖 4.2 快速充電流程圖 系統硬件搭建并調試完成后，選用12V/1.3Ah的鉛酸蓄電池進(jìn)行測試，經(jīng)過(guò)多次充放電實(shí)驗，最終確定了充電器快速充電階段中脈沖充放電的幾組時(shí)間值:大電流充電脈沖時(shí)間為約900ms，前停歇時(shí)間約20ms，放電脈沖時(shí)間約為50ms，后停歇時(shí)間約為30ms�？焖俪潆娍刂圃谶@組時(shí)間值情況下，蓄電池充電時(shí)間最短，充電效果最好�？焖俪潆婋A段流程圖如圖5所示。 圖5 快速充電階段流程圖 此階段用MSP430F149單片機內部定時(shí)器A對充放電時(shí)間進(jìn)行嚴格控制，在定時(shí)器A的中斷服務(wù)子程序中調整充電脈沖和放電脈沖的幅值。 4.3 軟件的設計 軟件做設計主要包括以下幾個(gè)模塊: 1)在程序的初始階段應對MSP430單片機進(jìn)行初始化操作，其中包括設置I/O端口的輸入與輸出狀態(tài)、設置定時(shí)器參數、初始化單片機內部的A/D轉換模塊和PWM 輸出模塊以及設置單片機的低功耗模式等。 2)充電電流和放電電流通過(guò)電阻轉換成相應的電壓后，送到單片機的AO口，此時(shí)單片機需要連續地采樣蓄電池端電壓、充電電流和放電電流。 3)根據采集到的蓄電池端電壓、充電、放電電流大小等信息實(shí)時(shí)地調節單片機輸出的PWM 信號的占空比和PWM 信號輸入到MOSFET 的驅動(dòng)電路，從而嚴格地控制MOSFET的導通程度，以保證在幾種充電狀態(tài)之間的精確轉換。 4)另外，單片機還需要對蓄電池溫度進(jìn)行檢測，控制蓄電池的充電狀態(tài)，避免造成充電過(guò)程對蓄電池的損害。 5)LCD液晶顯示屏上同時(shí)會(huì )顯示充電器的充電狀態(tài)，蓄電池端電壓、充電和放電電流的大小以及溫度大小等信息，配合發(fā)光二極管和蜂鳴器，使充電器的充電信息更加直觀(guān)。 5 部分測試結果 圖6與圖7分別為為調試時(shí)高頻變壓器一次側與二次側的部分波形圖。 圖6 高頻變壓器一次側輸入電壓波形圖 圖7 二次繞組輸出電壓的輸出波形圖 為了方便調試，本系統中選用鉛酸蓄電池容量較小，此充電器可以給12V/1.3Ah的鉛酸蓄電池充電，最大充電電流限制為1.3A，最大輸出電壓為18V。充電開(kāi)始時(shí)，充電器先檢測蓄電池兩端電壓，確定蓄電池所處的初始狀態(tài)，如果蓄電池初始電壓低于12.8V，蓄電池所處的狀態(tài)為放電過(guò)度狀態(tài)，此時(shí)應該以130mA (約0.1C)的電流對電池進(jìn)行預充電，直到蓄電池兩端電壓達到12.8V，才能進(jìn)行脈沖快速充電。 6 結論 鉛酸蓄電池在我們的日常生活中扮演著(zhù)很重要的角色，為了保證蓄電池的使用安全，我們應該給它配置更好的充電器。而相比與以前傳統的充電形式，這里研究設計的脈沖快速充電器有著(zhù)更大的優(yōu)勢，經(jīng)測試它能夠提高充電速度，提高充電效率，并能夠延長(cháng)蓄電池的使用壽命。所以，可以預見(jiàn)此種充電器在實(shí)際生活中發(fā)揮的作用將會(huì )會(huì )越來(lái)越大，用途也會(huì )越來(lái)越廣泛。此次設計中的主要部分采用的是開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源以其效率高、損耗小等特點(diǎn)已逐漸成為電源市場(chǎng)的主導。 |
