基于模糊控制的智能充电器的研究与设计

2016-02-06李文萱赵新华

宿州学院学报 2016年12期

关键词：充电电流酸蓄电池充电器

李文萱，赵新华

滁州职业技术学院机电工程系，安徽滁州,239000

基于模糊控制的智能充电器的研究与设计

李文萱，赵新华

滁州职业技术学院机电工程系，安徽滁州,239000

以铅蓄电池高效快速充电的实现依据入手，结合模糊控制的基本理论绘制出了铅蓄电池理想充电的曲线图。通过分析智能充电装置结构框图，对充电装置的主电路和控制电路进了设计，主电路采用全控拓扑结构，控制电路包括对单片机控制电路的设计和驱动电路的设计。叙述了数据采集系统在工作过程中所监测的充电电压、电流和温度实时数据。为了充电装置安全可靠地工作，系统中还设置了相关保护电路。由此可知，以模糊控制思路对铅酸蓄电池进行充电控制所设计的智能充电装置电路是可行的。

模糊控制；智能充电器；充电装置

由于铅酸蓄电池电动势较高，放电电流大，同时具有性能稳定、价格低廉等诸多优点，使得它在当下二次电池中使用最为普遍。因此，在国民经济各个领域以及日常生活中都有广泛应用，在矿井、应急设备、电动汽车等方面的应用尤为突出。

1 充电装置的发展现状

铅酸蓄电池的发明已有100多年历史，由于影响铅酸蓄电池充放电的因素众多，加上技术上的不成熟，充电往往以恒压、恒流等方式进行。由于充电方式并没有真正遵守蓄电池内部物理化学变化规律，因此不可避免有过充、大量析气、充电时间过长等弊端。如何高效、快速地对蓄电池进行科学充电，一直是广大电池厂家和用户关心的问题，这也是关系到蓄电池的使用、保养以及寿命的问题。

目前也有相当部分厂家和用户采用快速充电技术，这些快速充电装置有以下特点：

(1)恒流、恒压多个阶段相互组合进行充电。这种充电方式充电时间较长，实际控制效果不好。

(2)制定一个能够最接近蓄电池充、放电特性的数学模型，通过检测当前时刻的充电电流，根据数学模型计算出下一时刻的充电电流。该控制方法由于受影响因素较多，实际控制效果也不好。

2 高效快速充电方法的原理性分析

2.1 高效快速充电的实现依据

铅酸蓄电池采用恒压充电时，前期电流较大，容易造成电池损坏；采用恒流充电时，前期电池的接受能力较强，一段时间后接受能力变小[1]。合理的充电方式应该是在不同的阶段使用不同的电流充电。

高效快速充电的目的就是为了缩短电池充满电所需的时间[2]。在充电过程中，限制充电的因素从根本上说还是取决于固体PbSO4的溶解速度，而PbSO4的溶解速度又受到其的表面积、电解液浓度、温度等诸多因素影响。从外界充电的角度来说，要缩短充电时间，必须合理加大充电电流，提高离子的扩散速度。电池的扩散电流密度，也就是推迟电池在充电过程中极限扩散电流出现的时间，即延迟电池电压达到析气电压的时间，从而加大充电电流，实现快速充电[3]。

2.2 模糊理论建立的实践依据

国内外有许多专家、学者对铅酸蓄电池的快速充电作过研究，其中比较成熟的理论有“马斯定律”和“铅酸蓄电池四阶动态数学模型”理论。“马斯定律”描述了电池容量、电池的充放电历史以及电池最大可接受充电电流之间的数量关系[4]。本设计采用“马斯定律”思想，为了提升电池的充电能力、去除铅酸蓄电池的极化问题，需要合理地实施逆向大电流放电。在实际应用中，一个富有经验的充电工人，借助常年工作积累的经验，则能在充电过程中仅通过测量蓄电池的电压以及当时蓄电池温度，就能合理地加大或减小充电电流，在最短时间内有效地完成对蓄电池的充电工作。这也就为模糊控制提供了直接的实践依据。图1是本文研究要实现的理想充电曲线图：系统实时检测跟踪蓄电池的可接受电流，利用du/dt调整充电可接受电流大小，进而实现充电的“智能化”。

图1 理想充电曲线图

3 智能充电器的电路设计

3.1 智能充电器结构框图分析

智能充电器结构框图主要有4个部分组成，如图2所示。

(1)主电路:包括三相不可控整流电路，DC/AC逆变电路，低压侧整流电路，反向放电电路；

(2)驱动电路:由EXB840模块组成；

(3)控制电路:包括UC3875脉冲发生电路，单片机控制电路；

图2 智能快速充电器的结构框图

(4)监测电路:由电流、电压及温度采样电路，过热和过电流保护电路，防反接保护电路，“看门狗”电路，数据显示电路组成[5]。

3.2 智能充电器的主电路设计

图3 主电路设计示意图

由于快速铅酸蓄电池充电器的充电电流较大，电力电子器件工作频率较高，所以本设计采用IGBT为主要变流器件。由于设计的充电装置要求输出电压在20～32 V之间浮动，设计输出功率要达到3 KW，输出电流值非常大，最大超过150 A，故不宜采用传统的AC-DC整流技术，为此本设计采用AC-DC-AC-DC整流技术。其中AC-DC变换采用三相不可控桥式整流电路，DC-AC变换采用全桥式谐振式逆变电路。主电路设计示意图如图3所示。

3.3 控制电路的设计3.3.1 单片机控制电路的设计

控制电路的主要功能是检测充电状态，根据模糊控制器的输出值调节控制UC3875的相移角度，从而控制充电电压。另外，还设计了LED显示电路，显示过热、反接、过流等保护电路实时相关参数。设计中，将AT89C51单片机作为处理核心，整个控制电路如图4所示，其中P1口作为控制联络信号，P3.0作为“看门狗”喂食信号，P0.0～P0.7作为地址、数据分时复用总线。

图4 智能快速充电器控制电路示意图

3.3.2 驱动电路的设计

铅酸蓄电池在充电过程中一旦检测到极化现象较为严重时，就得采取高频反向放电手段，对蓄电池进行大电流放电，以达到消除极化的目的。设计要求去极化电流为100 A，由MOSFET和大功率放电电阻串联对蓄电池进行高频放电。MOSFET管的驱动电路如图5所示。

图5 高频放电去极化驱动电路图

MOSFET驱动采用图腾柱电路，由单片机送过来的脉冲放电信号经7406初次放大后驱动光耦器件LED，实现驱动电路与主电路的隔离。光耦隔离后的脉冲信号经图腾柱电路进行功率放大[6]。考虑到图腾柱电路由两个三极管组成，如果有一个管烧坏直通，则可能造成输出驱动信号恒为高电平，致使MOSFET一直导通大电流放电，导致电池充电失败、放电电阻过热、MOSFET温度过高等一系列事故，所以在驱动信号输出之前加入了隔直电容和隔直电阻。

4 数据采集系统设计

数据采集系统的作用是不断监测采集铅酸蓄电池的端电压、电流以及温度相关数据，计算比较后控制充电电压[7]。因此，数据采集系统的重要性不言而喻，其设计的好坏会直接影响蓄电池充电控制的精确度。

4.1 蓄电池端电压采集设计

图6 电压检测电路图

本设计线性光偶电路如图6所示，电压输入范围为0～5 V，要求输出电压也为0～5 V，目的是为了对主电路和控制电路之间实现电气隔离，确定参数R1和R2的值。

4.2 蓄电池温度采集设计

如图7所示，Pt100电阻的优点是灵敏度高。本设计采用了薄膜式铂电阻温度传感器，它可以安装在铅酸蓄电池壳体表面，用于检测充电过程中电池温度变化，一般而言，铅酸蓄电池充电时温度不能超过45℃，因而Pt100的实际变化阻值应在100～118 Ω之间。为了使取样电压变化范围尽可能大，取R110=110Ω。

图7 温度采集电路图

4.3 蓄电池充电电流采集设计

硬件实现如下图8所示,电压型霍耳元件对充电电流采样，霍耳规格300A/5V，送出的电压信号有两个作用：(1)比较器检测是否过流，如果是，则向UC3875送出过流封锁信号；(2)送给ADC0809电压信号，经A/D转换后，由单片机实时控制。预取200 A为过流保护动作电流，此时霍耳电压为3.3 V，因此比较器比较电压为3.3 V，由R103和R104分压得到，取R103=48.5K,R104=25K，得到比较电压3.29 V。

图8 电流采集电路图

5 保护电路设计

5.1 过流保护电路

充电过程中，如果充电电流过大(一般取大于200 A)或者主电路发生短路，则可能造成蓄电池组以及内部硬件烧坏。因此，发生过流现象时应及时切断充电电流[8]。本设计过流保护原理如图8所示，由霍耳元件检测充电电流经比较器比较后，如果过流则给UC3875送出高电平信号，迫使所有输出关断。

5.2 过热保护电路

由于温度变化没有电流变化明显，所以针对过热采用软件保护的方法。充电过程中，单片机不断采集温度，并判断温度是否过高(一般取45℃)，过高的话同样向UC3875输出高电平信号，封锁所有的输出，一直到温度下降至某个值时，恢复充电。

5.3 蓄电池防反接电路设计

蓄电池反接充电时相当于短路状态，大电流可能造成蓄电池以及充电装置的损坏。防反接电路如图9所示，如果蓄电池反接则发光二极管灯亮，三极管导通送出低电平信号，单片机程序运行时一旦检测到信号为低，则报警蜂鸣，不执行充电过程。

图9 蓄电池防反接电路图

5.4 电流限制电路

电路如图10所示，由于整个控制过程相当于电压环控制，根据控制规则可能会得到继续增大充电电压的操作，而实际电流值已接近或超过功率管所能承受的最大值，因此，在超过系统所能承受最大电流时，应自动切换为限流充电模式。

图10 电路限制电路

6 结束语

本文主要从充电装置的发展现状以及模糊控制建立的依据入手，分析了充电装置的主电路和控制电路的设计及工作原理。对其研究过程中牵涉的数据采集系统和保护电路等方面作了比较深入的探讨,完成了电路方面的研究和设计。但文章仅实现了对智能充电装置硬件电路方面的设计，对软件方面的研究尚欠缺。例如相关程序的设计、仿真电路的建立和模拟，有望在后续的研究中继续完善。

[1]林建南，郭震宁，刘祖隆.超级电容-铅酸蓄电池混合储能的太阳能充电器[J].通信电源技术，2011,28(4)：29-32

[2]徐志奇.基于模糊PID控制的铅酸蓄电池充电研究[D].甘肃：兰州交通大学电气自动化学院，2014：6-13

[3]桂长清.电动汽车用铅蓄电池的快速充电[J].蓄电池，1998，15(4)13-17

[4]毕大成，周希德.电动汽车铅蓄电池快速充电方法的研究[J].电源技术，2000，24(3)：159-161

[5]张保凯.基于单片机的蓄电池智能充放电控制器研究[D].辽宁：大连海事大学轮机工程学院，2013：6-15

[6]范良松.铅酸蓄电池快速充电技术的研究[D].吉林：长春工业大学电气与电子工程学院，2013：5-16

[7]张保凯.基于单片机的蓄电池智能充放电控制器研究[D].四川：电子科技大学自动化工程学院，2013：8-20

[8]田进.基于模糊控制的智能充电器的设计与实现[D].陕西：西北工业大学电子信息学院，2005：3-20

(责任编辑：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.12.023

2016-06-10

滁州职业技术学院质量工程项目“可编程序控制器(PLC)”教学团队(zlgc2015010)。