基于規(guī)則采樣法的蓄電池脈沖充電系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

基于規(guī)則采樣法的蓄電池脈沖充電系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

師海斌

(中國(guó)石油西南管道貴陽(yáng)輸油氣分公司，貴州貴陽(yáng)550025)

摘要：通過(guò)對(duì)蓄電池充電特性、電路設(shè)計(jì)理論、PWM控制技術(shù)中的規(guī)則采樣法及單片機(jī)控制技術(shù)的深入研究，設(shè)計(jì)了以PIC單片機(jī)為核心蓄電池脈沖充電系統(tǒng)。該充電系統(tǒng)能夠根據(jù)太陽(yáng)能電池電壓的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池脈沖電流、電壓充電控制的自動(dòng)切換，并能對(duì)蓄電池和太陽(yáng)能電池進(jìn)行充電保護(hù)。

關(guān)鍵詞:蓄電池PWM規(guī)則采樣法PIC單片機(jī)脈沖充電

中圖分類號(hào)：TM571文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：師海斌(1986-)，男，陜西省人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電傳動(dòng)控制。

收稿日期：2015-03-06

The study and design of pulse charge system for battery based on rules for sampling

SHI Haibin

Abstract:Through study of battery charging characteristics, circuit design theory, sampling of PWM control technology, as well as SCM control technology, a battery pulse charger was designed with PIC SCM as the core. By detecting the voltage of the solar cell, such functions as automatic switching between pulse current and voltage charge control, and charging protection of the batteries and solar cell are realized.

Keywords:battery；PWM(Pulse Width Modulation)；rule sampling；PIC microcontroller；pulse charge

0引言

研究發(fā)現(xiàn)，充電過(guò)程對(duì)蓄電池壽命影響很大，放電過(guò)程影響較小[1]。因此，采用合適的充電方法對(duì)于提高蓄電池使用壽命意義重大。脈沖充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高蓄電池充電接受率，從而打破了蓄電池指數(shù)充電可接受限制[2]。脈沖充電就是用脈沖電對(duì)蓄電池充電一段時(shí)間，然后停充一段時(shí)間，如此循環(huán)。

本文通過(guò)對(duì)蓄電池充電特性、PWM控制技術(shù)及PIC單片機(jī)的深入研究，提出采用脈沖電流和脈沖電壓結(jié)合的方法對(duì)蓄電池進(jìn)行脈沖充電。并設(shè)計(jì)了以PIC16F877A單片機(jī)為核心的蓄電池脈沖充電系統(tǒng)，該充電系統(tǒng)可以根據(jù)太陽(yáng)能電池的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)充電脈沖寬度，不僅充分利用了太陽(yáng)能，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池和蓄電池的過(guò)壓和欠壓保護(hù)。

1規(guī)則采樣法原理及脈沖充電系統(tǒng)構(gòu)建

1.1規(guī)則采樣法控制原理

規(guī)則采樣法是PWM控制方法中的一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法。其控制原理是通過(guò)比較調(diào)制信號(hào)和采樣信號(hào)的大小，根據(jù)比較結(jié)果生成PWM控制信號(hào)。本設(shè)計(jì)中調(diào)制波是太陽(yáng)能電池電壓信號(hào)，載波是三角波。為了充分利用太陽(yáng)能，三角載波電壓范圍取值和太陽(yáng)能電池幅值范圍相同。

通過(guò)比較太陽(yáng)能電池和載波電壓，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)充電脈沖寬度，太陽(yáng)能電池電壓高于載波的時(shí)間越長(zhǎng)，充電脈沖占空比就大，反之占空比就小。當(dāng)太陽(yáng)能電池不在24 V～36 V范圍內(nèi)時(shí)，自動(dòng)停止充電。這樣不但保護(hù)了太陽(yáng)能電池和蓄電池，而且充分利用了太陽(yáng)能。

1.2蓄電池脈沖充電系統(tǒng)構(gòu)建

圖1　蓄電池脈沖充電系統(tǒng)原理圖

根據(jù)蓄電池脈沖充電需求，蓄電池脈沖充電系統(tǒng)如圖1所示。充電系統(tǒng)主要由PIC16F877A單片機(jī)和外圍電路組成。其中，外圍電路包括脈沖信號(hào)生成電路、脈沖電流充電電路和脈沖電壓充電電路。設(shè)計(jì)主要用到了單片機(jī)的AN5、AN6、RC2、RC3和RC4口，其中，AN5和AN6分別作為太陽(yáng)能電池和蓄電池電壓輸入端，RC2、RC3和RC4口分別作為三角載波輸出端、蓄電池脈沖電流充電控制信號(hào)輸出端和蓄電池脈沖電壓充電控制信號(hào)輸出端。

設(shè)計(jì)中太陽(yáng)能電池選用36 V太陽(yáng)能電池，其正常工作電壓范圍在24 V～36 V之間。蓄電池采用電壓24 V、容量40 Ah的閥控式鉛酸蓄電池。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，閥控式鉛酸蓄電池充電時(shí)，當(dāng)單體蓄電池電壓低于2.2 V(蓄電池組電壓小于26.4 V)時(shí)，電壓變化緩慢；當(dāng)單體蓄電池電壓在2.2 V～2.35 V(蓄電池組電壓在26.4 V～28.2 V)之間變化時(shí)，蓄電池電壓上升很快；當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到28.2 V時(shí)，蓄電池電壓幾乎不變。為防止充電初期(電壓低于26.4 V時(shí))充電電流過(guò)大損壞蓄電池，宜采用脈沖電流充電，充電率為0.125，充電電流為0.125C，即為5 A；當(dāng)蓄電池電壓在26.4 V～28.2 V之間變化時(shí)，宜采用脈沖電壓充電，充電脈沖電壓為28.2 V。

脈沖充電系統(tǒng)通過(guò)采樣蓄電池和太陽(yáng)能電池的端電壓進(jìn)行不同充電階段和狀態(tài)的切換。當(dāng)蓄電池電壓小于26.4 V時(shí)，單片機(jī)控制RC4口輸出高電平，采用脈沖電流充電；當(dāng)蓄電池電壓高于26.4 V時(shí)，單片機(jī)控制RC3口輸出高電平，采用脈沖電壓充電。當(dāng)蓄電池電壓高于28.2 V或者太陽(yáng)能電池高于36 V或低于24 V時(shí)停止充電。

2蓄電池脈沖充電電路設(shè)計(jì)

2.1脈沖控制信號(hào)生成電路

PWM生成電路如圖2所示，電路由集成運(yùn)放LM6142A和兩個(gè)10 k的限流電阻R1、R2以及穩(wěn)壓二極管MMBZ5126B組成。太陽(yáng)能電池電壓信號(hào)VCCT和載波信號(hào)分別輸入到比較器的正、負(fù)輸入端。當(dāng)太陽(yáng)能電池電壓高于載波電壓，比較器輸出高電平信號(hào)，反之，比較器輸出低電平信號(hào)。采用穩(wěn)壓二極管MMBZ5126B將輸出信號(hào)調(diào)整到正半周。

圖2　PWM信號(hào)生成電路

2.2脈沖電壓充電電路及特性分析

PWM脈沖電壓充電電路如圖3所示，電路主要由光電耦合開(kāi)關(guān)、限流電阻R3、R4，反饋電阻R5以及集成運(yùn)放LM324組成。在脈沖電壓工作狀態(tài)下，由PWM信號(hào)生成電路產(chǎn)生的電壓Vout經(jīng)過(guò)電阻R3接到同相輸入端，為保證引入的是負(fù)反饋，輸出電壓Vpwm通過(guò)電阻R5接到反相輸入端，同時(shí)反相輸入端通過(guò)電阻R4接地。根據(jù)理想運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)的“虛短”和“虛斷”特性分析電路有：

(1)

式中：UO—LM324的輸出電壓，此處即為Vout；Ui—LM324的輸入電壓，此處即為Vpwm。

設(shè)計(jì)中為了增強(qiáng)電路的抗干擾性，通常R3=R4，所以電路的閉環(huán)放大增益為：

(2)

圖3　PWM脈沖電壓充電電路

要求輸出的充電脈沖電壓是28.2V，而放大電路輸入的脈沖電壓Vout是12V，取R3=R4=2kΩ，R5=2.7kΩ，根據(jù)公式(2)得到閉環(huán)增益為：

(3)

2.3脈沖電流充電電路及特性分析

脈沖電流充電電路如圖4所示，該電路由光電耦合開(kāi)關(guān)、運(yùn)算放大器、晶體管及電阻組成。可以通過(guò)單片機(jī)的RC4引腳向光電耦合開(kāi)關(guān)發(fā)出高電平實(shí)現(xiàn)脈沖電流充電狀態(tài)的切換。為了使電路有很好的恒流特性，所以將其設(shè)計(jì)成了電流串聯(lián)負(fù)反饋。輸入電壓Vout經(jīng)過(guò)R6加至運(yùn)算放大器的同相端，放大器輸出通過(guò)電阻R8送至NPN型晶體管的基極，晶體管的發(fā)射極連接反饋電阻R11及負(fù)載R12。輸出電流Iout通過(guò)R11與R12得到反饋電壓，且經(jīng)過(guò)R9、R10加至運(yùn)算放大器的輸入端進(jìn)而形成差動(dòng)輸入信號(hào)。

圖4　PWM脈沖電流充電電路

根據(jù)并聯(lián)電阻分流原理及電路疊加原理，運(yùn)算放大器的同相端輸入U(xiǎn)(+)，和反向輸入端U(-)分別為：

(4)

(5)

令R6=R7,R11=R12，根據(jù)“虛短”原理，得：

(6)

由公式(6)可知，輸出電流與輸入電壓有對(duì)應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，與運(yùn)放和晶體管無(wú)直接關(guān)系。調(diào)節(jié)R11可以改變輸入電壓與輸出電流的比值。電路中取，R6=R7=1.2kΩ, R9=R10=15kΩ，R11=30Ω，R8=4.3kΩ，R12=300Ω。

4蓄電池脈沖充電系統(tǒng)控制流程

蓄電池脈沖充電控制系統(tǒng)控制流程如圖5所示，主要包括：

圖5　蓄電池充電程序流程圖

1)蓄電池充電程序初始化；

2)判斷當(dāng)前蓄電池電壓是否小于太陽(yáng)能電池電壓，如果蓄電池電壓小于太陽(yáng)能電池電壓，則程序進(jìn)入下一步，否則繼續(xù)比較蓄電池和太陽(yáng)能電池電壓大小；

3)判斷當(dāng)前蓄電池電壓是否小于28.2 V，如果是則繼續(xù)下一條程序，否則繼續(xù)比較蓄電池和太陽(yáng)能電池電壓；

4)判斷當(dāng)前蓄電池的電壓是否小于26.4 V，如果是則脈沖電流充電，延時(shí)3 s，否則進(jìn)入脈沖電壓充電，延時(shí)3 s；

5)判斷當(dāng)前電壓是否大于28.2 V，若是則返回主程序，若不是則繼續(xù)充電。

5電路仿真分析

在proteus中對(duì)所建立的蓄電池脈沖充電電路進(jìn)行仿真。

(1)脈沖充電信號(hào)生成電路仿真與分析

圖7　信號(hào)生成電路生成的PWM信號(hào)

在PWM脈沖信號(hào)生成電路(圖2)的VCCT端加上一個(gè)從24 V至36 V之間變化的電壓信號(hào)VCCT模擬太陽(yáng)能電池電壓變化，單片機(jī)輸出三角載波信號(hào)如圖6所示 ， PWM脈沖充電信號(hào)生成電路輸出響應(yīng)曲線如圖7所示。可以看出當(dāng)載波大于太陽(yáng)能電池電壓時(shí)輸出低電平，當(dāng)載波電壓小于太陽(yáng)能電池電壓時(shí)，輸出低電平，這和理論設(shè)計(jì)結(jié)果一致。并且，輸出脈沖信號(hào)高、低電平很穩(wěn)定，可以直接用來(lái)作為蓄電池脈沖電壓充電和脈沖電流充電的初始信號(hào)。

(2)蓄電池脈沖電壓充電信號(hào)仿真與分析

圖8　脈沖電壓充電信號(hào)

將脈沖生成電路得到PWM信號(hào)加到PWM脈沖電壓充電電路(圖3)的VOUT端時(shí)，得到蓄電池脈沖電壓充電信號(hào)如圖8所示，可以看出，經(jīng)過(guò)變換的脈沖電壓信號(hào)峰值穩(wěn)定在28.2 V，滿足蓄電池脈沖電壓充電要求。

(3)脈沖電流充電信號(hào)仿真與分析

將脈沖生成電路得到PWM信號(hào)加到PWM脈沖電流充電電路(圖4)的VOUT端時(shí)，得到蓄電池脈沖電流充電信號(hào)如圖9所示，可以看出，得到的脈沖電流信號(hào)電流基本穩(wěn)定在5 A，和理論設(shè)計(jì)值一致，滿足蓄電池脈沖電流充電要求。

圖10　蓄電池脈沖充電控制仿真

(4)蓄電池脈沖充電控制仿真與分析

當(dāng)太陽(yáng)能電池電壓信號(hào)、載波電壓信號(hào)和蓄電池電壓信號(hào)分別如圖6中曲線1、2、3所示，圖10是蓄電池脈沖充電控制仿真圖。結(jié)合圖6和圖10可以看出，在0～6 s之間蓄電池電壓高于28.2 V時(shí)，RC3和RC4均輸出低電平，蓄電池不充電；在6～16 s之間，蓄電池電壓在26.4 V～28.2 V時(shí)，RC4輸出高電平，脈沖電壓充電；在16 s～24 s之間，蓄電池電壓高于太陽(yáng)能電池電壓，RC3和RC4均輸出低電平，蓄電池不充電；在24 s～40 s之間時(shí)，蓄電池電壓小于26.4 V，RC3輸出高電平，脈沖電流充電。可見(jiàn)，單片機(jī)輸出的控制電平與設(shè)計(jì)要求一致。

5結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的蓄電池脈沖充電系統(tǒng)可以根據(jù)太陽(yáng)能和蓄電池適時(shí)電壓，生成占空比可自動(dòng)調(diào)節(jié)的脈沖充電信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)蓄電池脈沖電壓充電和脈沖電流充電的自動(dòng)切換以及對(duì)太陽(yáng)能電池和蓄電池充電保護(hù)，不僅使太陽(yáng)能得到充分利用，而且可以提高蓄電池的使用壽命。在proteus軟件中對(duì)所建立的電路模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，該充電系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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