??? 摘? 要: 一種好的蓄電池充電方法是分級恒流充電。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、單片機控制的新型蓄電池恒流充電系統的設計方法,并對該系統進行了試驗,給出了試驗結果。?
??? 關鍵詞: Buck變換器? PWM? IGBT? 80C196KC
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??? 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電流,充到一定時間后,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,所需充電時間較短,充電的效果也好,并且對延長電池的使用壽命有利。?
??? 針對這種要求,本文設計了可改變電流大小的恒流充電系統。?
1 系統結構及設計?
??? 系統結構如圖1所示。交流市電經AC/DC整流得到直流電壓VBus,VBus經IGBT DC/DC斬波后供給電池作為充電電壓。?
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??? 根據恒流充電的要求,將電池的充電電流作為反饋信號實施閉環控制。給定充電電流I*與實際充電電流反饋信號I比較得誤差e,經PID調節器調節后送PWM控制器產生PWM控制信號,再經隔離驅動控制功率開關管IGBT的開關與導通,進行DC/DC降壓斬波,實時改變充電電壓的大小,從而實現恒流充電的功能。?
1.1 斬波及驅動設計?
??? 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工作模式和不連續工作模式。適當選取電感L1的大小,可使Buck變換器電感電流為連續狀態。而連續狀態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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??? 反饋控制系統的一個重要設計準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,通過控制其柵極G端高低電平可控制其導通與關斷。D為續流二極管。設IGBT開關周期為T,開通時間為Ton，關斷時間為Toff,占空比為d,則有關系式：?
??? Ton+Toff=T??????? ?
??? Uc=(Ton/T)VBus?
??? d=Ton/T?
??? 開關周期固定,通過控制占空比d可實現對Uc的控制。?
??? IGBT的驅動采用TLP250芯片。TLP250內部有光耦隔離。為了實現IGBT的快速關斷,在使其關斷時,需為G、E端提供一負偏壓。TLP250的驅動電路如圖3所示,穩壓管Z為+5伏,采用+20V電源供電。由于穩壓管Z及電容C2的儲能作用,當IGBT導通時,G、E之間產生+15伏的驅動電壓;當IGBT關斷時,G、E之間產生-5V的偏壓。G、E兩端PWM波形如圖4所示。?
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1.2 脈寬調制?
??? 脈寬調制(PWM)控制器選用3525芯片。該芯片內部有一振蕩器產生三角波信號,誤差信號e=I*-I經PID調節器后送內部誤差放大器,再與三角波進行比較產生PWM波形。同時,3525還有閉鎖控制引腳,可將過流、過壓、短路等檢測信號送至此引腳以封鎖PWM輸出,實施保護功能。通過調節片內振蕩器外接電容、電阻的大小可以改變PWM的周期及死區。?
1.3 單片機控制?
??? 80C196KC單片機外接D/A轉換器,將單片機的數字電流給定信號轉換成模擬信號。也可以利用單片機的高速輸出部件HSO或脈沖寬度調制器輸出PWM信號,PWM信號經平滑濾波后變為模擬信號。?
??? 針對蓄電池的分級定流充電方式,利用80C196KC單片機進行監督控制,實時改變充電電流大小。80C196KC單片機內部有8路12位的A/D轉換。選一路A/D口對電池電壓進行檢測,當電池達到一定值后,轉入定時小電流浮充。采用80C196KC單片機的高速輸入口(HSI)對保護信號檢測,當出現過流、過壓、短路等故障時,采取相應的動作,如切斷市電輸入及電池輸入。?
2 試驗結果及結論?
??? 圖5、圖6、圖7、圖8為幾種情況下的試驗結果。試驗中的BUS及BAT電壓值為萬用表讀數,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示波器獲取,橫坐標上面波形為電流霍爾采樣的L2電流,橫坐標下面波形為電流霍爾采樣的L1電流(為便于與L1電流對比,取反相)。由試驗結果得出,在0～3A充電電流給定下,取得了良好的實際充電電流,實現了對蓄電池的分級定流及涓流充電;Buck變換器后接電感L2有利于電流的平滑;當BUS電壓在一定范圍變化時,由于功率管占空比的調節,能保持充電電流的恒定。?
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??? 本恒流充電系統可對多節蓄電池進行串聯恒流充電。dmin=0.2,dmax=0.8,設電網電壓為220V,波動為±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?
1 張占松,蔡宣三. 開關電源的原理與設計. 北京:電子工業出版社,1999?
2 李愛文,張承慧. 現代逆變技術及應用. 北京:科學出版社,2000?
3 汪 建. MCS-96系列單片機原理及應用技術. 武漢：華中理工大學出版社， 1999?