EEPW论坛

武汉大学电气工程学院 李洪涛 蒋云峰 张蔷 摘 要：本文介绍了一种基于TMS320LF2407 DSP芯片控制的全数字化铅酸蓄电池智能充电电源及系统控制方案，分析了系统结构及其工作原理。实际应用表明，系统满足设计要求，具有良好的性能。 关键词：蓄电池；开关电源；DSP 引言 密封式铅酸蓄电池(Lead-Acid)是一种可循环再充电的化学电池，因其成本低廉、使用安全及无污染的优点在通讯、交通、电力等部门得到了广泛的应用，与其配套的快速充电技术也引起了普遍的关注。 为了使电源能够在较高的充电速率下达到充满状态，又不严重影响蓄电池的寿命，对常用的密封式铅酸蓄电池本身的充放电特性、荷电状态(SOC-State Of Charge)以及智能充电装置的研究成为了工程技术人员的重点。本文介绍的新型智能充电电源就是基于这两点而提出的。 传统的充电控制方法主要是恒流充电和恒压充电。这两种方法的控制电路简单，实现起来也很容易，但缺点是充电时间比较长、充电方式单一、安全性不高、对蓄电池的损害也比较大。针对传统充电方法的诸多缺点，近年来国内外相继提出了一些先进的充电方法，如脉冲式充电法、分级式充电法、定化学反应状态法以及我国厦门大学陈体衔教授提出的变电流间歇充电法等。对于密封式铅酸蓄电池而言，分级定流充电法的应用最为广泛。平时所谓的二步法和三级充电法，基本上都是这种方法的具体应用。 图1 蓄电池最佳充电曲线 图2 系统结构框图 图3 多端恒流充电和脉冲电相结合的快速充电法 图4 充电系统的控制回路 图5 工作模式切换流程图 铅酸蓄电池的充电特性 铅酸蓄电池的充电电流应小于或等于蓄电池可接受的充电电流。在充电过程中，如果充电电流过大，过剩的电流将以有害的负反应过程——电解水消耗掉。在大量析气的状态下，用于有效充电消耗的电能，还不到总消耗量的10％(即浪费的电能超过了90％)，这样既延长了工作时间，严重的析气也使正极板腐蚀，损坏了蓄电池。深放电后，过大的热冲击，或充电不足、过充都将严重损坏蓄电池。 60年代末期，美国科学家马斯提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受充电电流曲线，如图1所示。从曲线可以看出二步法大致分为两个阶段，恒定大电流快速充电阶段和恒定小电流浮充阶段。 充电终止控制方法分析 蓄电池在充足电后，电池的温度和内压都会快速上升，同时电池的端电压开始下降，出现电压负增量。如果此时继续进行快速大电流充电，对蓄电池的损害是显然的。因此，为了保证电池能充足电又不过充电，必须采取一定的方法来控制充电终止的问题。 现阶段采用的终止控制方式很多，关键是对电池荷电状态的正确判断。常用的有定时控制、电池电压负增量(-芕)控制及电池温度控制等多种方法。在铅酸蓄电池充电装置中，通常采用最高电压(Vmax)控制、电压二次导数(d2V/dt2)控制、定时控制、最小终止电流控制等方法进行充电终止控制。由于电池电压负增量(-芕)控制是目前国际公认的较先进的控制方法之一，有着灵敏度高、判断准确的优点，但它的缺点是在电池出现过充之后的一种滞后判断方式，所以单独用这种方法来控制充电电源的终止不太理想，在实际应用中本文采用了电池电压负增量(-芕)控制与电池温度控制两种方法相结合的综合控制法。 主回路结构的 工作原理及其设计 该充电电源实际上就是一种开关电源，由功率变换主电路和控制回路两部分组成，主回路有多种不同的拓扑结构，其系统结构框图如图2所示。 高频开关电源主要是由交流电网滤波电路、输入整流滤波电路、开关逆变器、高频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护动作电路、辅助电源、检测、监测电路几个部分组成。其基本原理是：交流输入电压经电网滤波、整流滤波后得到一定的直流电压，再通过高频变换器IGBT模块将直流电压变换成高频交流电压，然后经高频变压器隔离变压，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，得到需要的高品质直流电压。 IGBT是80年代后期异军突起的复合型开关器件，是MOSFET和BJT的复合。它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越。而且IGBT的导通阻抗比MOSFET管还要小，能够有效地减小开关电源的损耗。为了得到高品质的直流电压，IGBT及其驱动电路的选择是很重要的环节，本充电系统采用了三菱公司的PM25RSB120 IGBT模块。 IGBT的驱动多采用专业的混合集成驱动器。常用的有三菱公司的M579系列(如M57962L和M57959L)和富士公司的EXB系列(如EXB840/EXB841和EXB850/EXB851)。本系统采用的EXB841属于大容量高速型驱动器(最大频率为40kHz)。 充电系统的 控制回路原理与设计 可靠的控制方案是保证电源系统稳定正常工作的重要环节，它的确定决定于被控对象的工作情况。传统的充电电源一般有以下两种控制目标：输出电压值恒定跟输出电流值恒定。 蓄电池的智能充电法包括初始阶段的多段恒流充电和脉冲充电相组合的快速充电以及后期的定电压补足充电，如图3所示。它将充电过程分成几个子充电过程，充电电流总体上呈逐级递减的趋势，而每个子充电过程采用恒流脉冲充电法，充电过程按“正脉冲充电──停充──负脉冲瞬间放电──停充──再正脉冲充电”这种循环过程来进行，直至电池的容量达到额定容量的80％以上，之后转入定电压补足充电状态，使电池恢复至完全充电态，即达到额定容量。 本系统控制回路的主电路如图4所示。控制电路板包括主控电路板、驱动及保护电路板及前端信号处理板三个部分。主控电路板以DSP控制芯片TMS320LF2407A为核心，包括外接晶振及复位电路、数据采集电路、PWM控制信号发生/输出电路和数据存储电路。驱动及保护电路板以EXB841为核心，在主控板的PWM输出信号作用下发生驱动信号，能对IGBT的过电流进行3重保护。由于采集下来的电流电压信号中有的是直接从高压回路中通过分压的方式采集得到，容易对微处理器及其扩展储存器数字电路造成干扰，因此用前端信号处理板对采集信号进行预处理，同时也使主控板得到了简化。 在主控板上，为了保护处理器芯片，所有的输入输出信号(A/D除外)，包括输入的过电流保护信号及输出的驱动信号，都要用隔离光耦进行隔离。A/D信号由于加了钳位电路，不会对DSP芯片带来安全隐患。隔离光耦同时还可起到电平转换的作用。另外，出于电路速度的要求，应采用高速隔离电路，在主控板上，采用的是6N137，一般的情况下，其响应延时在100ns以内。 控制回路是实现电源各种性能要求的核心，其控制机理有调频、调幅、调宽、谐振等。本系统对电源状态的采样数据是判断采取何种充电方式的依据。主控制芯片TMS320LF407依据采样数据在不同的充电方式之间进行切换，其工作模式切换流程图如图5所示。 结语 本文基于分级定流充电法的充电原理，提出了铅酸蓄电池组的一种新型综合充电控制方法。试验表明，此方法结构简单，能量利用效率高，安全可靠，能有效地延长铅酸蓄电池的使用寿命。■ 参考文献 1 刘胜利编.现代高频开关电源实用技术. 电子工业出版社 2陈坚编.电力电子学.高等教育出版社