基于规则采样法的蓄电池脉冲充电系统的研究设计

基于规则采样法的蓄电池脉冲充电系统的研究设计

师海斌

(中国石油西南管道贵阳输油气分公司，贵州贵阳550025)

摘要：通过对蓄电池充电特性、电路设计理论、PWM控制技术中的规则采样法及单片机控制技术的深入研究，设计了以PIC单片机为核心蓄电池脉冲充电系统。该充电系统能够根据太阳能电池电压的变化实现对蓄电池脉冲电流、电压充电控制的自动切换，并能对蓄电池和太阳能电池进行充电保护。

关键词:蓄电池PWM规则采样法PIC单片机脉冲充电

中图分类号：TM571文献标识码：A

作者简介：师海斌(1986-)，男，陕西省人，主要研究方向为机电传动控制。

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

研究发现，充电过程对蓄电池寿命影响很大，放电过程影响较小[1]。因此，采用合适的充电方法对于提高蓄电池使用寿命意义重大。脉冲充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电可接受限制[2]。脉冲充电就是用脉冲电对蓄电池充电一段时间，然后停充一段时间，如此循环。

本文通过对蓄电池充电特性、PWM控制技术及PIC单片机的深入研究，提出采用脉冲电流和脉冲电压结合的方法对蓄电池进行脉冲充电。并设计了以PIC16F877A单片机为核心的蓄电池脉冲充电系统，该充电系统可以根据太阳能电池的变化，自动调节充电脉冲宽度，不仅充分利用了太阳能，而且可以实现对太阳能电池和蓄电池的过压和欠压保护。

1规则采样法原理及脉冲充电系统构建

1.1规则采样法控制原理

规则采样法是PWM控制方法中的一种应用较广的工程实用方法。其控制原理是通过比较调制信号和采样信号的大小，根据比较结果生成PWM控制信号。本设计中调制波是太阳能电池电压信号，载波是三角波。为了充分利用太阳能，三角载波电压范围取值和太阳能电池幅值范围相同。

通过比较太阳能电池和载波电压，实时调节充电脉冲宽度，太阳能电池电压高于载波的时间越长，充电脉冲占空比就大，反之占空比就小。当太阳能电池不在24 V～36 V范围内时，自动停止充电。这样不但保护了太阳能电池和蓄电池，而且充分利用了太阳能。

1.2蓄电池脉冲充电系统构建

图1　蓄电池脉冲充电系统原理图

根据蓄电池脉冲充电需求，蓄电池脉冲充电系统如图1所示。充电系统主要由PIC16F877A单片机和外围电路组成。其中，外围电路包括脉冲信号生成电路、脉冲电流充电电路和脉冲电压充电电路。设计主要用到了单片机的AN5、AN6、RC2、RC3和RC4口，其中，AN5和AN6分别作为太阳能电池和蓄电池电压输入端，RC2、RC3和RC4口分别作为三角载波输出端、蓄电池脉冲电流充电控制信号输出端和蓄电池脉冲电压充电控制信号输出端。

设计中太阳能电池选用36 V太阳能电池，其正常工作电压范围在24 V～36 V之间。蓄电池采用电压24 V、容量40 Ah的阀控式铅酸蓄电池。根据文献[3]，阀控式铅酸蓄电池充电时，当单体蓄电池电压低于2.2 V(蓄电池组电压小于26.4 V)时，电压变化缓慢；当单体蓄电池电压在2.2 V～2.35 V(蓄电池组电压在26.4 V～28.2 V)之间变化时，蓄电池电压上升很快；当蓄电池电压达到28.2 V时，蓄电池电压几乎不变。为防止充电初期(电压低于26.4 V时)充电电流过大损坏蓄电池，宜采用脉冲电流充电，充电率为0.125，充电电流为0.125C，即为5 A；当蓄电池电压在26.4 V～28.2 V之间变化时，宜采用脉冲电压充电，充电脉冲电压为28.2 V。

脉冲充电系统通过采样蓄电池和太阳能电池的端电压进行不同充电阶段和状态的切换。当蓄电池电压小于26.4 V时，单片机控制RC4口输出高电平，采用脉冲电流充电；当蓄电池电压高于26.4 V时，单片机控制RC3口输出高电平，采用脉冲电压充电。当蓄电池电压高于28.2 V或者太阳能电池高于36 V或低于24 V时停止充电。

2蓄电池脉冲充电电路设计

2.1脉冲控制信号生成电路

PWM生成电路如图2所示，电路由集成运放LM6142A和两个10 k的限流电阻R1、R2以及稳压二极管MMBZ5126B组成。太阳能电池电压信号VCCT和载波信号分别输入到比较器的正、负输入端。当太阳能电池电压高于载波电压，比较器输出高电平信号，反之，比较器输出低电平信号。采用稳压二极管MMBZ5126B将输出信号调整到正半周。

图2　PWM信号生成电路

2.2脉冲电压充电电路及特性分析

PWM脉冲电压充电电路如图3所示，电路主要由光电耦合开关、限流电阻R3、R4，反馈电阻R5以及集成运放LM324组成。在脉冲电压工作状态下，由PWM信号生成电路产生的电压Vout经过电阻R3接到同相输入端，为保证引入的是负反馈，输出电压Vpwm通过电阻R5接到反相输入端，同时反相输入端通过电阻R4接地。根据理想运算放大器工作在线性区的“虚短”和“虚断”特性分析电路有：

(1)

式中：UO—LM324的输出电压，此处即为Vout；Ui—LM324的输入电压，此处即为Vpwm。

设计中为了增强电路的抗干扰性，通常R3=R4，所以电路的闭环放大增益为：

(2)

图3　PWM脉冲电压充电电路

要求输出的充电脉冲电压是28.2V，而放大电路输入的脉冲电压Vout是12V，取R3=R4=2kΩ，R5=2.7kΩ，根据公式(2)得到闭环增益为：

(3)

2.3脉冲电流充电电路及特性分析

脉冲电流充电电路如图4所示，该电路由光电耦合开关、运算放大器、晶体管及电阻组成。可以通过单片机的RC4引脚向光电耦合开关发出高电平实现脉冲电流充电状态的切换。为了使电路有很好的恒流特性，所以将其设计成了电流串联负反馈。输入电压Vout经过R6加至运算放大器的同相端，放大器输出通过电阻R8送至NPN型晶体管的基极，晶体管的发射极连接反馈电阻R11及负载R12。输出电流Iout通过R11与R12得到反馈电压，且经过R9、R10加至运算放大器的输入端进而形成差动输入信号。

图4　PWM脉冲电流充电电路

根据并联电阻分流原理及电路叠加原理，运算放大器的同相端输入U(+)，和反向输入端U(-)分别为：

(4)

(5)

令R6=R7,R11=R12，根据“虚短”原理，得：

(6)

由公式(6)可知，输出电流与输入电压有对应的单值函数关系，与运放和晶体管无直接关系。调节R11可以改变输入电压与输出电流的比值。电路中取，R6=R7=1.2kΩ, R9=R10=15kΩ，R11=30Ω，R8=4.3kΩ，R12=300Ω。

4蓄电池脉冲充电系统控制流程

蓄电池脉冲充电控制系统控制流程如图5所示，主要包括：

图5　蓄电池充电程序流程图

1)蓄电池充电程序初始化；

2)判断当前蓄电池电压是否小于太阳能电池电压，如果蓄电池电压小于太阳能电池电压，则程序进入下一步，否则继续比较蓄电池和太阳能电池电压大小；

3)判断当前蓄电池电压是否小于28.2 V，如果是则继续下一条程序，否则继续比较蓄电池和太阳能电池电压；

4)判断当前蓄电池的电压是否小于26.4 V，如果是则脉冲电流充电，延时3 s，否则进入脉冲电压充电，延时3 s；

5)判断当前电压是否大于28.2 V，若是则返回主程序，若不是则继续充电。

5电路仿真分析

在proteus中对所建立的蓄电池脉冲充电电路进行仿真。

(1)脉冲充电信号生成电路仿真与分析

图7　信号生成电路生成的PWM信号

在PWM脉冲信号生成电路(图2)的VCCT端加上一个从24 V至36 V之间变化的电压信号VCCT模拟太阳能电池电压变化，单片机输出三角载波信号如图6所示 ， PWM脉冲充电信号生成电路输出响应曲线如图7所示。可以看出当载波大于太阳能电池电压时输出低电平，当载波电压小于太阳能电池电压时，输出低电平，这和理论设计结果一致。并且，输出脉冲信号高、低电平很稳定，可以直接用来作为蓄电池脉冲电压充电和脉冲电流充电的初始信号。

(2)蓄电池脉冲电压充电信号仿真与分析

图8　脉冲电压充电信号

将脉冲生成电路得到PWM信号加到PWM脉冲电压充电电路(图3)的VOUT端时，得到蓄电池脉冲电压充电信号如图8所示，可以看出，经过变换的脉冲电压信号峰值稳定在28.2 V，满足蓄电池脉冲电压充电要求。

(3)脉冲电流充电信号仿真与分析

将脉冲生成电路得到PWM信号加到PWM脉冲电流充电电路(图4)的VOUT端时，得到蓄电池脉冲电流充电信号如图9所示，可以看出，得到的脉冲电流信号电流基本稳定在5 A，和理论设计值一致，满足蓄电池脉冲电流充电要求。

图10　蓄电池脉冲充电控制仿真

(4)蓄电池脉冲充电控制仿真与分析

当太阳能电池电压信号、载波电压信号和蓄电池电压信号分别如图6中曲线1、2、3所示，图10是蓄电池脉冲充电控制仿真图。结合图6和图10可以看出，在0～6 s之间蓄电池电压高于28.2 V时，RC3和RC4均输出低电平，蓄电池不充电；在6～16 s之间，蓄电池电压在26.4 V～28.2 V时，RC4输出高电平，脉冲电压充电；在16 s～24 s之间，蓄电池电压高于太阳能电池电压，RC3和RC4均输出低电平，蓄电池不充电；在24 s～40 s之间时，蓄电池电压小于26.4 V，RC3输出高电平，脉冲电流充电。可见，单片机输出的控制电平与设计要求一致。

5结束语

本文所设计的蓄电池脉冲充电系统可以根据太阳能和蓄电池适时电压，生成占空比可自动调节的脉冲充电信号，并实现蓄电池脉冲电压充电和脉冲电流充电的自动切换以及对太阳能电池和蓄电池充电保护，不仅使太阳能得到充分利用，而且可以提高蓄电池的使用寿命。在proteus软件中对所建立的电路模型进行仿真，仿真结果表明，该充电系统满足设计要求，具有一定的应用价值。

参考文献

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[2]夏芝玮．密封铅酸蓄电池脉冲充电方式的研究[D]．西安：西安理工大学硕士学位论文，2011

[3]天一信科科技有限公司.铅酸蓄电池知识培训手册[Z].2010

[4]朱松然．铅酸蓄电池技术[M]．北京：机械工业出版社，2002：31-33

[5]周润景，徐宏伟，丁莉．单片机电路设计，分析与制作[M]．北京：机械工业出版社，2010：16-17