一种蓄电池充电控制电路的设计

陈一之

（长江大学物理科学与技术学院，湖北 荆州434023）

赵友山

（湖北省荆州中学，湖北 荆州434020）

家庭用太阳能发电主要有光伏并网发电（无需储能设备，发电直接并入电网，由电力部门负责回收电能）和光伏离网发电（需要储能设备，发电通过逆变器供给交流负载使用，多余的电能进入储能设备，供夜间或阴雨天使用）2种形式。其中，光伏离网发电系统储能设备一般使用蓄电池，蓄电池不能够长期处在亏电的状态，所以需要在太阳能发电不足，蓄电池连续亏电的情况下，利用市电给蓄电池充电。由于光伏离网发电系统的蓄电池电压波动较大，甚至可能放电至非常低的情况；现有的充电器输出电压一般较固定，在光伏离网发电系统上应用时，如果蓄电池电压较低，可能造成蓄电池流过过大充电电流而损坏［1－6］。为此，笔者设计了一个输出端可以短路的恒流充电装置，以保护光伏离网发电系统的蓄电池系统。

1 恒流充电装置的设计

恒流充电装置采用了迟滞控制的BUCK斩波器的拓扑模式，主要电路包括：蓄电池充电控制电路、电流采样与放大电路、主电路迟滞控制电路、BUCK转换电路、电源电路。

1.1 充电控制电路

蓄电池充电控制电路由U2 A以及周边的器件组成，如图1所示。U2A与周边元件组成了一个施密特触发电路，开启电压为13.325V，关闭电压为12.045V。Vout接蓄电池正极，蓄电池负极经过采样电阻后接GND端。蓄电池电压经过R5和R6分压后进入U2 A的同相输入端，当U2 A同相输入端电压高于13.325 V时，U2 A输出高电压，蓄电池停止充电。当U2 A同相输入端电压低于12.045V时，U2 A输出低电压，蓄电池开始充电。

图1 充电控制部分

图2 电流采样与放大部分

1.2 电流采样与放大电路

U2B与周边的元件组成了一个正比例放大电路，电路放大倍数为40，如图2所示。蓄电池充电电流经过BUCK斩波电路（见图3）中0.005Ω的采样电阻后，在采样电阻上形成电压降，该电压信号输入到U2B的同相输入端（Ia），经过40倍放大后，供给后级迟滞控制电路用于产生PWM波。U2B的同相输入端还有一路输入信号（EA1）来自于充电控制电路，当蓄电池电压达到充电上限值后，EA1端大约有10.5 V左右的电压，经过R9和R8分压后U2B同相输入端大约有2.95 V的电压，U2B输出高电压，传输至U4 A后，U4 A输出低电压，蓄电池停止充电。

1.3 主电路迟滞控制电路

主电路迟滞控制电路如图3所示。U4A与周边的元件组成了迟滞控制电路，开启电压为2.1048V，关闭电压为1.9356V。当U4A的反相输入端电压高于2.1048 V时，U4A输出低电压，BUCK斩波电路中的MOS关断；当U4A的反相输入端电压高于1.9356 V时，U4A输出高电压，BUCK斩波电路中的MOS开通。BUCK斩波电路如图3所示。这部分斩波电路主要用于电压变换。电路工作于频率可变的CCM（电感电流连续）模式，电路通过调节方波的占空比（PWM）来实现电压的变换。MOS导通时，由于电感的存在，流经蓄电池的电流线性增加，电感储能，直到电流增加至关断电流时，MOS关断，电感中存储的能量经过D2和蓄电池释放，流经蓄电池的电流线性下降，直到电流下降至开通电流时，MOS导通，新的周期开始。

图3 BUCK斩波部分

图4 主电路迟滞控制部分

1.4 BUCK转换电路

BUCK转换电路如图5所示。图5中T1为12 V输入12 V输出2 W的DCDC隔离电源，用于给BUCK斩波电路中的MOS提供驱动电压，IR2110为功率 MOS专用高压驱动电路，专用于驱动H桥臂中的高端MOS管。其输入端与输出端的隔离电压可高达500 V。

图5 BUCK转换电路

IR2110的输入端（PWM）有来自U4 A输出的幅值为10.5 V，频率变化的方波信号，经过IR2110隔离后驱动MOS。IR2110的输入端（PWM）为高电平的时候，IR2110输出端也为高电平，MOS导通；IR2110的输入端（PWM）为低电平的时候，IR2110输出端也为低电平，MOS关断。MOS工作于开关状态。

图6 电源部分

1.5 电源电路

该部分电路（见图6）用于产生DC12 V的电压供给电路使用。DC20V的电源电压经过7812线性稳压芯片后，输出大约12 V的电压，供给后级电路使用。

图7 装置流程图

2 装置流程图及工作原理

2.1 装置流程图

将上述各个部分按装置流程图7组合即得整个电路图。

2.2 电路工作原理

当蓄电池电压低于12.045 V，刚上电时，充电控制部分U2 A同相输入端电压比反相输入端电压低，U2 A输出低电压。由于二极管的隔离作用，U2 A的输出不影响电流采样与放大部分U2B的输入状态。

电流采样与放大部分U2B由于刚上电时，蓄电池充电电流为0，U2B同相输入端电压也为0，所以U2B输出电压为0 V。主电路迟滞控制部分U4 A的反相输入端电压也为0。

主电路迟滞控制电路U4 A由于同相输入端电压比反相输入端电压高，U4 A输出高电压，经过IR2110后，驱动MOS导通。

由于BUCK斩波电路中的电感的存在，蓄电池的充电电流从0开始线性上升，当充电电流大于10.524 A时，采样电阻上的电压为0.053 V，经过电流采样与放大电路进行40倍放大后大约为2.12V，输入至U4 A反相输入端，U4A反相输入点电压大于2.1048 V，U4 A输出低电压，MOS关断，充电电流线性下降。当充电电流小于9.678 A时，样电阻上的电压为0.048 V，经过电流采样与放大电路进行40倍放大后大约为1.92 V，输入至U4A反相输入端，U4 A反相输入端电压低于1.9356 V，U4 A输出高电压，MOS导通，第2个周期开始。蓄电池的充电电流在9.678～10.524A之间周期性的变化，充电过程如图8所示，平均充电电流为10.1 A。

当蓄电池电压高于13.325 V时，U2 A输出高电压，U2B输出大约10.5 V高电压，U4 A输出低电压，MOS关断，停止充电。

图8 MOS驱动波形和充电电流波形

3 电路实际工作状况

该装置经过测试可以正常工作，实测充电电流为11A左右。蓄电池电压充至设定值后能停止充电，蓄电池电压下降至设定值后恢复充电。把装置输出端短接后，电流大约为12 A。由于MOS工作于开关模式，发热量较低，但是为了安全，仍然给MOS和整流二极管加上散热片。

该装置在太阳能离网发电的主要设备（控制逆变一体机）中能够在蓄电池欠压，需要市电充电的时候给蓄电池充电。当蓄电池电压为12 V时，BUCK工作频率大约为57k Hz。当蓄电池电压为13 V时，BUCK工作频率大约为54k Hz。当蓄电池电压为8 V时，BUCK工作频率大约为57k Hz。当输出短路时，BUCK工作频率大约为14k Hz，这时能听见轻微的啸叫声（电流引起电感线圈的振动），但是不影响使用。因此，笔者设计的电路可以满足实际条件下蓄电池的充电需求。

［1］康华光.电子技术基础 ［M］.第4版.北京：高等教育出版社，2000.

［2］陆坤，张义忠.电子设计技术 ［M］.成都：电子科技大学出版社，1997.

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