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鉛酸蓄電池由于其技術(shù)成熟、成本低、容量大、內(nèi)阻小、跟隨負(fù)荷輸出特性好、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點而被大多數(shù)電動車所使用。但是研究發(fā)現(xiàn)，不良的充電方式不僅會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非常重要的作用。 隨著人們對快速充電理論的研究不斷深入，電力電子技術(shù)應(yīng)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)入實用階段的條件和可能。比如現(xiàn)代脈沖智能充電器以高頻開關(guān)電源技術(shù)為基礎(chǔ)，嵌入先進(jìn)的智能控制數(shù)字電路，采用智能檢測和控制技術(shù)來調(diào)節(jié)充電器的脈沖輸出比例，實現(xiàn)可控去極化功能。在效果方面，電池的充電時間縮短，一定程度提高了電池充電的有效容量，并延長了電池的使用壽命，但同時卻沒有考慮到充電過程中的功耗問題。 本文采用分級定電流的脈沖快速充電方法，提出了以高頻開關(guān)電源技術(shù)為基礎(chǔ)，主要研究以超低功耗MSP430系列單片機(jī)作為主控制器的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計方案，測試結(jié)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，使延長蓄電池的使用壽命成為可能。 1 脈沖充電理論 實驗證明，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說，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(shù)，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(shù)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充電過程分為預(yù)充電、脈沖快速充電、補(bǔ)足充電和涓流充電4個階段。根據(jù)蓄電池充電前反饋的技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)入不同的充電階段。 2.1 預(yù)充電 對于長期不用的電池、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，一開始就采取快速充電會影響電池的壽命。為了避免這一問題要先對蓄電池實行穩(wěn)定小電流充電，使蓄電池電壓上升，當(dāng)電壓升到能接受大電流充電的閾值時再進(jìn)行大電流快速充電。 2.2 脈沖快速充電 在快速充電過程中，采用分級定電流脈沖快速充電法，將充電電流分級。開始充電時采用大電流(約1C)，隨著蓄電池容量的增加，端電壓升高，當(dāng)蓄電池中單格電壓達(dá)到2.35V即停止第一級充電(約2min)。首先停止充電B (25~40ms)，稱為前停歇，此階段可以去除歐姆極化和部分濃差極化;接著再放電或反充電，使蓄電池反向通過一個較大的脈沖電流，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)，稱為后停歇。如此反復(fù)，直至蓄電池電壓上升至補(bǔ)足充電電壓閾值時，轉(zhuǎn)入補(bǔ)足充電階段。采用這種方法可有效消除充電接近充滿時易出現(xiàn)的震蕩現(xiàn)象及過充問題。 2.3 補(bǔ)足充電 相對于快速充電階段，補(bǔ)足充電階段又可以稱為慢速充電階段。當(dāng)快速充電階段終止時，電池并未完全充足，還需加入補(bǔ)足充電過程。補(bǔ)足充電速率一般不超過0.3c，因為電池電壓經(jīng)過快速充電階段后有所升高，所以補(bǔ)足充電階段的充電電壓也應(yīng)該有所提升，并且恒定在某一范圍之內(nèi)。此階段充電采用恒壓充電，可使電池容量快速恢復(fù)。當(dāng)電流下降至某一閾值時，轉(zhuǎn)入涓流充電階段。 2.4 涓流充電 在補(bǔ)足充電階段后期，當(dāng)檢測到溫度上升超過極限值或充電電流減小到一定值之后，開始用更小的電流進(jìn)行充電直至滿足一定的條件后結(jié)束充電。此階段主要用來補(bǔ)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，充電器就會給電池不斷補(bǔ)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(tǒng)硬件設(shè)計 3.1 總體設(shè)計 該系統(tǒng)硬件電路主要由開關(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，充放電回路中開關(guān)管的開關(guān)動作去控制蓄電池的充電電壓和電流，保證充電過程的正常進(jìn)行，控制模塊的顯示、報警電路給用戶提供充電狀態(tài)信息，同時主控芯片輸出PWM 信號到驅(qū)動電路，控制充放電回路中開關(guān)管的導(dǎo)通程度，對蓄電池的充電過程進(jìn)行控制。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 圖1 控制電路硬件設(shè)計 本設(shè)計采用TI的16 位單片機(jī)MSP430F149。它具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低等優(yōu)點。其工作電壓為1.8V~3.6V;CPU 運(yùn)行正交的精簡指令集，片內(nèi)寄存器數(shù)量多. 存儲器可實現(xiàn)多種運(yùn)算;MSP430F149中斷源較多并可任意嵌套，系統(tǒng)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(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參考源，采樣保持，自動掃描等特性;16位定時器Timer A具有4種工作模式，可同時進(jìn)行多個捕獲/比較功能:48個可達(dá)獨(dú)立編程的I/O口:2個串行通信接口USART0與USARTl:FLASH 存儲器多達(dá)60KB，擦寫次數(shù)可達(dá)10萬次。本系統(tǒng)研究主要是鑒于其低功耗的特點。 3.2 開關(guān)電源電路的設(shè)計 系統(tǒng)中的開關(guān)電源電路為蓄電池的充電提供穩(wěn)定的電壓采用的是反激式的開關(guān)電源電路。反激式開關(guān)電源的電路比較簡單，比正激式開關(guān)電源少用了一個大的儲能濾波電感，以及一個續(xù)流二極管，因此，反激式開關(guān)電源的體積要比正激式開關(guān)電源的體積小，且成本也要低。此外，反激式開關(guān)電源輸出電壓受占空比的調(diào)制幅度，相對于正激式開關(guān)電源來要高很多，因此，反激式開關(guān)電源要求調(diào)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態(tài)范圍也要較小。基于這些優(yōu)點，反激式開關(guān)電源在目前家電領(lǐng)域中被廣泛的應(yīng)用。如圖2所示。 圖2 開關(guān)電源電路 開關(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(diào)制器。由該集成電路構(gòu)成的開關(guān)穩(wěn)壓電源與電壓控制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源相比具有以下特點: 1)微調(diào)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)自動前饋補(bǔ)償; 4)鎖存脈寬調(diào)制，可逐周限流; 5)內(nèi)部微調(diào)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)低啟動和工作電流。 TL431稱為可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器，利用兩只外部電阻可設(shè)定2.5V~36V范圍內(nèi)的任何基準(zhǔn)電壓值。其工作原理是當(dāng)輸出電壓U 0發(fā)生波動時，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(zhǔn)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(yīng)變化，再通過光耦去改變控制端電流Ic的大小，調(diào)節(jié)開關(guān)管的輸出占空比，使輸出電壓U0不變，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的。 3.3 充放電電路的設(shè)計 本設(shè)計中的充放電過程主要由兩片P溝道的場效應(yīng)管IRF9540N來完成。如圖3所示。Q2管控制系統(tǒng)的充電過程，而放電脈沖主要Q3來進(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12 位精度的AD 轉(zhuǎn)換模塊ADC12。ADC12可以對8個外部模擬信號之一或4個內(nèi)部電壓之一作轉(zhuǎn)換，由ADC內(nèi)核把模擬信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)據(jù)并存入轉(zhuǎn)換存儲寄存器。內(nèi)核用到2個參考電平，即VR+和VR-作為轉(zhuǎn)換范圍的上下限和讀數(shù)的量程值和“0”值。轉(zhuǎn)換數(shù)值在輸入信號大于等于VR+時為滿量程，小于等于VR-時為“0”。蓄電池端電壓通過兩個電阻R2和R6分壓方式，將單片機(jī)采樣電壓值A(chǔ)D1限制在輸入電壓量程范圍內(nèi)。充電電流和放電電流都通過電阻轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓值，送入單片機(jī)的AI口。三路AD采樣結(jié)果分別存儲在相應(yīng)的ADC12MEMx寄存器中。 3.3.2 驅(qū)動部分 根據(jù)三路AD采樣結(jié)果確定充電器的充電狀態(tài)后，由單片機(jī)輸出兩路占空比可調(diào)頻率為1kHz的PWM 波形PWM1和PWM2分別用來控制兩只三極管2N5551的導(dǎo)通程度，三極管集電極電流會隨著不同，再經(jīng)電阻分壓后提供不同的電壓給場效應(yīng)管的柵極，驅(qū)動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(dá)到脈沖充電的效果。 4 脈沖快速充電系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖 本系統(tǒng)軟件部分的主要功能是，通過對蓄電池狀態(tài)的檢測，使充電轉(zhuǎn)入不同的充電階段。進(jìn)入不同的充電階段后，通過一定的算法，改變單片機(jī)輸出PWM 信號的占空比，實現(xiàn)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(shè)計流程圖 4.2 快速充電流程圖 系統(tǒng)硬件搭建并調(diào)試完成后，選用12V/1.3Ah的鉛酸蓄電池進(jìn)行測試，經(jīng)過多次充放電實驗，最終確定了充電器快速充電階段中脈沖充放電的幾組時間值:大電流充電脈沖時間為約900ms，前停歇時間約20ms，放電脈沖時間約為50ms，后停歇時間約為30ms。快速充電控制在這組時間值情況下，蓄電池充電時間最短，充電效果最好。快速充電階段流程圖如圖5所示。 圖5 快速充電階段流程圖 此階段用MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部定時器A對充放電時間進(jìn)行嚴(yán)格控制，在定時器A的中斷服務(wù)子程序中調(diào)整充電脈沖和放電脈沖的幅值。 4.3 軟件的設(shè)計 軟件做設(shè)計主要包括以下幾個模塊: 1)在程序的初始階段應(yīng)對MSP430單片機(jī)進(jìn)行初始化操作，其中包括設(shè)置I/O端口的輸入與輸出狀態(tài)、設(shè)置定時器參數(shù)、初始化單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊和PWM 輸出模塊以及設(shè)置單片機(jī)的低功耗模式等。 2)充電電流和放電電流通過電阻轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓后，送到單片機(jī)的AO口，此時單片機(jī)需要連續(xù)地采樣蓄電池端電壓、充電電流和放電電流。 3)根據(jù)采集到的蓄電池端電壓、充電、放電電流大小等信息實時地調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出的PWM 信號的占空比和PWM 信號輸入到MOSFET 的驅(qū)動電路，從而嚴(yán)格地控制MOSFET的導(dǎo)通程度，以保證在幾種充電狀態(tài)之間的精確轉(zhuǎn)換。 4)另外，單片機(jī)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)，避免造成充電過程對蓄電池的損害。 5)LCD液晶顯示屏上同時會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。 5 部分測試結(jié)果 圖6與圖7分別為為調(diào)試時高頻變壓器一次側(cè)與二次側(cè)的部分波形圖。 圖6 高頻變壓器一次側(cè)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(diào)試，本系統(tǒng)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。充電開始時，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)為放電過度狀態(tài)，此時應(yīng)該以130mA (約0.1C)的電流對電池進(jìn)行預(yù)充電，直到蓄電池兩端電壓達(dá)到12.8V，才能進(jìn)行脈沖快速充電。 6 結(jié)論 鉛酸蓄電池在我們的日常生活中扮演著很重要的角色，為了保證蓄電池的使用安全，我們應(yīng)該給它配置更好的充電器。而相比與以前傳統(tǒng)的充電形式，這里研究設(shè)計的脈沖快速充電器有著更大的優(yōu)勢，經(jīng)測試它能夠提高充電速度，提高充電效率，并能夠延長蓄電池的使用壽命。所以，可以預(yù)見此種充電器在實際生活中發(fā)揮的作用將會會越來越大，用途也會越來越廣泛。此次設(shè)計中的主要部分采用的是開關(guān)電源，開關(guān)電源以其效率高、損耗小等特點已逐漸成為電源市場的主導(dǎo)。 |
