UPS蓄电池智能充电电路设计

武汉理工大学 黄 磊 杨 键



UPS蓄电池智能充电电路设计

武汉理工大学 黄 磊 杨 键

【摘要】在本设计中，蓄电池的充放电采用的是Buck-Boost双向功率传输电路，这种电路是把蓄电池的充电电路与放电电路组合在了一起，在市电正常时起充电电路的作用为蓄电池充电，在市电异常时作为放电电路使用，为外部电路供电。在本设计中，对蓄电电池的充电采用了恒流恒压充电方式，这种充电方式不仅能够为蓄电池快速充电，而且能够有效的保护蓄电池延长蓄电池的使用寿命。在本文中，利用Simulink对Buck-Boost电路的中蓄电池的恒流、恒压充电过程和升压放电过程进行仿真，验证这种充电电路及充电方式的可实现性。

【关键词】蓄电池；恒流恒压充电；Buck-Boost电路

0　引言

在本文中是针对UPS电源中的磷酸铁锂电池设计的一种充电电路，其中主控制芯片采用的是STM32F103ZE。由于在UPS电源中蓄电池的充电和放电总是不同时工作的，因此在本文UPS电源的充放电电路中采用了一种Buck-Boost双向DC/DC变换电路。在市电正常时，系统可以通过Buck电路为蓄电池充电；当市电出现异常时，蓄电池中的电能通过Boost电路为系统中的主电路供电。为了对蓄电池的充放电电路实现智能控制，在设计中对蓄电池的电压和电流进行采样，然后把采样到的值输送到STM32F103ZE主控芯片中进行分析处理，以保证充放电过程的稳定进行，而且还能根据这些采样值保护蓄电池和充放电电路。

1　主电路设计

在本设计中，主电路采用的是Buck-Boost双向变换电路，电路图如图1所示。在本设计中，在UPS电源内部蓄电池直流充电电压为30V。在市电正常时，系统要为24V的蓄电池进行充电，此时，主电路中的正向的Buck电路工作对蓄电池进行降压充电，而Boost电路不工作；在市电异常时，蓄电池要对外放电，此时正向Buck充电电路停止工作，反向的Boost电路开始工作，把蓄电池的电压提升到30V供给外部电路。

图1　Buck/Boost主电路

在市电正常时，主电路处于充电模式。开关管Q1工作，Q2不工作，此时，D1一直关断，而二极管D2则在Buck电路中起到续流的作用。这时从正向端看去，主电路就等效为由开关管Q1、二极管D2及电感L1组成的Buck电路，此时可以控制Q1来控制蓄电池充电电压U2和电流I2。

图1中电感L的值可由如下公式计算得出：

式中，f=10KHz，U1=30V，U2=24V，ΔI=5A，则L=0.096mH。

电容C2的计算公式如下所示：

当市电异常时，蓄电池要对外放电。开关管Q1是不工作的，开关管Q2开始工作，D1导通，而D2一直关断。从电路的反向端来看，是由电感L1、开关管Q2、二极管D1和电容C1组成的Boost电路，此时可以通过调节开关管Q2的开合调节Boost电路输出电压U1的电压值。对于电容C1的计算公式如下所示：

式中，Io=30A， D=0.2， f=10KHz，ΔV=U1-U2=6V，则C1=100µF。

2　驱动和检测电路

在主电路中，使用了开关管IGBT，由于STM32不能直接使IGBT导通，需要采用驱动电路。在本设计中采用IR2110S驱动芯片，它是美国IR公司生产的兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点。在对蓄电池进行恒流恒压充电时，需要对蓄电池的充电电压和充电电流进行有效的控制，为了能够准确的控制它们的值，就需要对充电电压和电流进行采样。在本文中对蓄电池的采样都采用霍尔传感器进行采样。

3　控制电路设计

在本文中，采用STM32F103ZE作为主控芯片，这款芯片的性能好、精度高、运算速度快。在蓄电池充放电电路中，STM32主控芯片主要起到检测蓄电池运行状况、控制蓄电池充放电电路运行及显示蓄电池信息的作用。在本设计中，使用液晶显示器来显示蓄电池各个状态的信息。当市电正常时，系统为蓄电池进行充电，此时Buck电路其作用，当检测到蓄电池电压小于18V时，为了保护蓄电池对蓄电池进行0.5A小电流充电；当蓄电池电压超过18V时，对蓄电池进行10A电流恒流充电。当检测到蓄电池的电压达到26V时，此时改用26V恒压充电。随着蓄电池电量的渐渐充满，充电电流会逐渐减少电流小于0.1A时，视为蓄电池充满，蓄电池充电过程结束。当市电异常时，Boost升压电路开始工作，把蓄电池电压提升到30V为外电路提供电能。当系统检测到蓄电池电压低于20V时，为了防止蓄电池过放电，使蓄电池停止放电。

4　仿真结果

在本文中，利用Simulink模块对Buck-Boost电路进行仿真。在本文的仿真中分别对蓄电从池充电及放电过程进行仿真分析。如图2 （a）所示为蓄电池Buck充电电路的恒流充电过程仿真电流图，在这个过程中蓄电池的充电电流保持恒定为 10 A。如图2（b） 所示为蓄电池Buck充电电路的恒压充电过程仿真电压图，在这个过程中蓄电池的充电电压保持恒定为26V。如图2（c）所示是蓄电池放电Boost仿真的电压图，在这个过程中蓄电池释放电能，Boos升压电路把蓄电池中的24V电压升高到30V供给UPS系统使用。

图2　充放电电路仿真波形图

5　结论

在本文中，采用Buck-Boost双向变换电路作为蓄电池充放电电路，电路结构简单，容易实现控制，节约成本，而且制作体积小。在本文中，充电采用了恒流恒压充电的方式，在蓄电池电量低时采用恒流充电方式能快速为蓄电池充电。当蓄电池电量达到一定程度是采用恒压充电，能够减少大电流充电对蓄电池的损坏，延长蓄电池的寿命。通过图2仿真中可以看出，恒流充电时，电流稳定在10A左右；恒压充电时，电压稳定在26V左右；在放电模式下，电压波形在开始是有一些波动，但是很快能够稳定在30V左右。因此，可以看出本文所设计的Buck-Boost双向变换充电电路可行，能够满足UPS电源中的蓄电池充放电电路的要求。

参考文献

［1］潘军.蓄电池充电系统的研究与设计［D］.南京航空航天大学，2009.

［2］赵键.基于智能控制技术的铅酸蓄电池充电设备的研究［D］.南京理工大学，2008.

［3］邓春花.UPS系统中蓄电池充电的研究［D］.华中科技大学，2008.

［4］徐志奇.基于模糊PID控制的铅酸蓄电池充电研究［D］.兰州交通大学，2014.