一種蓄電池充電控制電路的設計

陳一之

（長江大學物理科學與技術學院，湖北 荊州434023）

趙友山

（湖北省荊州中學，湖北 荊州434020）

家庭用太陽能發電主要有光伏并網發電（無需儲能設備，發電直接并入電網，由電力部門負責回收電能）和光伏離網發電（需要儲能設備，發電通過逆變器供給交流負載使用，多余的電能進入儲能設備，供夜間或陰雨天使用）2種形式。其中，光伏離網發電系統儲能設備一般使用蓄電池，蓄電池不能夠長期處在虧電的狀態，所以需要在太陽能發電不足，蓄電池連續虧電的情況下，利用市電給蓄電池充電。由于光伏離網發電系統的蓄電池電壓波動較大，甚至可能放電至非常低的情況；現有的充電器輸出電壓一般較固定，在光伏離網發電系統上應用時，如果蓄電池電壓較低，可能造成蓄電池流過過大充電電流而損壞［1－6］。為此，筆者設計了一個輸出端可以短路的恒流充電裝置，以保護光伏離網發電系統的蓄電池系統。

1 恒流充電裝置的設計

恒流充電裝置采用了遲滯控制的BUCK斬波器的拓撲模式，主要電路包括：蓄電池充電控制電路、電流采樣與放大電路、主電路遲滯控制電路、BUCK轉換電路、電源電路。

1.1 充電控制電路

蓄電池充電控制電路由U2 A以及周邊的器件組成，如圖1所示。U2A與周邊元件組成了一個施密特觸發電路，開啟電壓為13.325V，關閉電壓為12.045V。Vout接蓄電池正極，蓄電池負極經過采樣電阻后接GND端。蓄電池電壓經過R5和R6分壓后進入U2 A的同相輸入端，當U2 A同相輸入端電壓高于13.325 V時，U2 A輸出高電壓，蓄電池停止充電。當U2 A同相輸入端電壓低于12.045V時，U2 A輸出低電壓，蓄電池開始充電。

圖1 充電控制部分

圖2 電流采樣與放大部分

1.2 電流采樣與放大電路

U2B與周邊的元件組成了一個正比例放大電路，電路放大倍數為40，如圖2所示。蓄電池充電電流經過BUCK斬波電路（見圖3）中0.005Ω的采樣電阻后，在采樣電阻上形成電壓降，該電壓信號輸入到U2B的同相輸入端（Ia），經過40倍放大后，供給后級遲滯控制電路用于產生PWM波。U2B的同相輸入端還有一路輸入信號（EA1）來自于充電控制電路，當蓄電池電壓達到充電上限值后，EA1端大約有10.5 V左右的電壓，經過R9和R8分壓后U2B同相輸入端大約有2.95 V的電壓，U2B輸出高電壓，傳輸至U4 A后，U4 A輸出低電壓，蓄電池停止充電。

1.3 主電路遲滯控制電路

主電路遲滯控制電路如圖3所示。U4A與周邊的元件組成了遲滯控制電路，開啟電壓為2.1048V，關閉電壓為1.9356V。當U4A的反相輸入端電壓高于2.1048 V時，U4A輸出低電壓，BUCK斬波電路中的MOS關斷；當U4A的反相輸入端電壓高于1.9356 V時，U4A輸出高電壓，BUCK斬波電路中的MOS開通。BUCK斬波電路如圖3所示。這部分斬波電路主要用于電壓變換。電路工作于頻率可變的CCM（電感電流連續）模式，電路通過調節方波的占空比（PWM）來實現電壓的變換。MOS導通時，由于電感的存在，流經蓄電池的電流線性增加，電感儲能，直到電流增加至關斷電流時，MOS關斷，電感中存儲的能量經過D2和蓄電池釋放，流經蓄電池的電流線性下降，直到電流下降至開通電流時，MOS導通，新的周期開始。

圖3 BUCK斬波部分

圖4 主電路遲滯控制部分

1.4 BUCK轉換電路

BUCK轉換電路如圖5所示。圖5中T1為12 V輸入12 V輸出2 W的DCDC隔離電源，用于給BUCK斬波電路中的MOS提供驅動電壓，IR2110為功率 MOS專用高壓驅動電路，專用于驅動H橋臂中的高端MOS管。其輸入端與輸出端的隔離電壓可高達500 V。

圖5 BUCK轉換電路

IR2110的輸入端（PWM）有來自U4 A輸出的幅值為10.5 V，頻率變化的方波信號，經過IR2110隔離后驅動MOS。IR2110的輸入端（PWM）為高電平的時候，IR2110輸出端也為高電平，MOS導通；IR2110的輸入端（PWM）為低電平的時候，IR2110輸出端也為低電平，MOS關斷。MOS工作于開關狀態。

圖6 電源部分

1.5 電源電路

該部分電路（見圖6）用于產生DC12 V的電壓供給電路使用。DC20V的電源電壓經過7812線性穩壓芯片后，輸出大約12 V的電壓，供給后級電路使用。

圖7 裝置流程圖

2 裝置流程圖及工作原理

2.1 裝置流程圖

將上述各個部分按裝置流程圖7組合即得整個電路圖。

2.2 電路工作原理

當蓄電池電壓低于12.045 V，剛上電時，充電控制部分U2 A同相輸入端電壓比反相輸入端電壓低，U2 A輸出低電壓。由于二極管的隔離作用，U2 A的輸出不影響電流采樣與放大部分U2B的輸入狀態。

電流采樣與放大部分U2B由于剛上電時，蓄電池充電電流為0，U2B同相輸入端電壓也為0，所以U2B輸出電壓為0 V。主電路遲滯控制部分U4 A的反相輸入端電壓也為0。

主電路遲滯控制電路U4 A由于同相輸入端電壓比反相輸入端電壓高，U4 A輸出高電壓，經過IR2110后，驅動MOS導通。

由于BUCK斬波電路中的電感的存在，蓄電池的充電電流從0開始線性上升，當充電電流大于10.524 A時，采樣電阻上的電壓為0.053 V，經過電流采樣與放大電路進行40倍放大后大約為2.12V，輸入至U4 A反相輸入端，U4A反相輸入點電壓大于2.1048 V，U4 A輸出低電壓，MOS關斷，充電電流線性下降。當充電電流小于9.678 A時，樣電阻上的電壓為0.048 V，經過電流采樣與放大電路進行40倍放大后大約為1.92 V，輸入至U4A反相輸入端，U4 A反相輸入端電壓低于1.9356 V，U4 A輸出高電壓，MOS導通，第2個周期開始。蓄電池的充電電流在9.678～10.524A之間周期性的變化，充電過程如圖8所示，平均充電電流為10.1 A。

當蓄電池電壓高于13.325 V時，U2 A輸出高電壓，U2B輸出大約10.5 V高電壓，U4 A輸出低電壓，MOS關斷，停止充電。

圖8 MOS驅動波形和充電電流波形

3 電路實際工作狀況

該裝置經過測試可以正常工作，實測充電電流為11A左右。蓄電池電壓充至設定值后能停止充電，蓄電池電壓下降至設定值后恢復充電。把裝置輸出端短接后，電流大約為12 A。由于MOS工作于開關模式，發熱量較低，但是為了安全，仍然給MOS和整流二極管加上散熱片。

該裝置在太陽能離網發電的主要設備（控制逆變一體機）中能夠在蓄電池欠壓，需要市電充電的時候給蓄電池充電。當蓄電池電壓為12 V時，BUCK工作頻率大約為57k Hz。當蓄電池電壓為13 V時，BUCK工作頻率大約為54k Hz。當蓄電池電壓為8 V時，BUCK工作頻率大約為57k Hz。當輸出短路時，BUCK工作頻率大約為14k Hz，這時能聽見輕微的嘯叫聲（電流引起電感線圈的振動），但是不影響使用。因此，筆者設計的電路可以滿足實際條件下蓄電池的充電需求。

［1］康華光.電子技術基礎 ［M］.第4版.北京：高等教育出版社，2000.

［2］陸坤，張義忠.電子設計技術 ［M］.成都：電子科技大學出版社，1997.

［3］孫梅生，李美鶯，徐振英.電子技術基礎課程設計 ［M］.北京：高等教育出版社，1989.

［4］許萬有，劉金桂.由IGBT組成的降壓BUCK電路的建模及應用仿真 ［J］.科技信息，2009（13）：84－85.

［5］許淑輝.步進電動機恒流斬波驅動器的設計 ［J］.華僑大學學報（自然科學版），2002（4）：350－353.

［6］郝琦瑋，李樹華.開關電源的原理與設計 ［J］.內蒙古大學學報（自然科學版），2003（4）：440－443.