铅酸蓄电池充电器设计与实现

张慧颖　俞文博

摘要：本文设计了铅酸蓄电池充电器，设计中采用TMS320F2801芯片作为主控芯片，根据实时采集的蓄电池充电电压、充电电流等参数，实时调整主电路的输出电压和电流，实现铅酸蓄电池的智能控制。当蓄电池出现过压、过流、温度过高等问题时，控制电路可以及时切断主电路，有效保护蓄电池和充电系统，实现大容量铅酸蓄电池的高效充电。

关键词：铅酸蓄电池；充电电压；充电电流

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）24-0246-02

1引言

铅酸蓄电池由于其大容量、高电动势、高性能、安全可靠等特点，被广泛应用到新能源、通信、电力等众多行业中。但是现有的充电控制器充电效率很低，而且不合理的充电方式造成容量快速下降，使用寿命缩短，电池过早废弃，每年废弃电池数量非常可观，造成的经济损失很大。因此，如何高效、快速、无损地对蓄电池科学充电是业界关心的重要问题。美、日、德等国家对蓄电池的性能和理论研究一直走在前面，有关充电技术的研究起步也较早，控制技术也相对成熟，陆续提出了一些新型的充电方法，如脉冲式充电法、间歇充电法、智能充电法等。目前，国内市场上使用的智能充电控制器，多适用于市电电网[1]。但是充电时间比较长，充电方法过于单一，控制不当会对蓄电池本身造成损害，以至影响蓄电池本身的使用寿命。本文以DSP为核心控制器，采用三阶段充电策略，并结合模糊自整定PID控制策略，使充电电流自始至终保持在蓄电池可接受的充电电流曲线附近，有效提高铅酸蓄电池的充电时间和充电效率。

2总体设计思想

大容量蓄电池智能高效充电控制器的系统框图如图1所示，主要分为主电路和控制电路两个部分。包括：电源模块、充电主电路模块、模拟量检测模块、显示及报警模块和PWM驱动模块[2]。

系统工作原理：380V交流电压输入，经过变压模块和三相桥式整流、DC/DC变换模块转换成蓄电池可接受的充电电压。控制电路采用DSP芯片作为主控制器，实时采集蓄电池的充电电压、充电电流、温度等参数，通过DSP内部的AD转换为数字量并判断电池是否出现过压、过流和过热等故障。若出现故障，DSP立即关断，并发出声光报警。若检测正常，则采用

基于模糊自整定PID 控制算法产生相应占空比的PWM 脉冲来控制DC/DC变换电路，实现对电池进行充电。

3 硬件电路设计

3.1 三相全桥整流电路设计

三相全桥整流电路由六个二极管组成，采用不可控形式。将输入的380V/50Hz的交流电经过变压器变压后得到24V的单向脉动电压。之后采用电容滤波电路，滤除纹波得到较为平滑的直流信号。

3.2 DC-DC电路设计

设计中，采用BUCK电路实现DC-DC电路模块设计。电感电流工作在连续模式下。设计取浮充电压为13.4V。图中，Q1为主功率管，选用IRF640N，C1和C2主要用于滤除低频噪声，C3用来滤除高频噪声[3]。D2是为了防止蓄电池和充电器相连之间的回流对电路造成故障。

3.3驱动电路设计

DSP 产生的 PWM 信号经过缓冲器 SN74HCT244N，输出幅值为3.3V的脉冲信号，经过放大电路放大后得到幅值12V脉冲信号，输入到 IR2112 上经过隔离放大去驱动主功率管 Q1[4]。设计中，采用IR2112浮置通道驱动BUCK变换器主功率管IRF640N。

3.4温度检测电路设计

为了防止充电时的温度过高，对蓄电池的损坏，系统实时对蓄电池的温度进行监测。温度检测采用一线制数字温度检测芯片DS18B20实现。采用外接电源形式，只需一根线与单片机的IO口相连，即可完成蓄电池的温度检测。

3.5信号采集调理电路设计

为了保证系统能够安全、稳定的工作，主控单元实时对蓄电池的充电电压和充电电流进行监测。然后将监测的信息送入DSP自带的AD中，通过分析和计算得到控制信号。系统电压采样时通过电阻分压实现的，采用两级运放实现电压信号的采集，第一级运算放大器输出-5V～5V的电压信号；第二级运算放大器输出电压信号为0～3V，满足DSP的AD输入电压范围。充电电流的采样时通过采样电阻RT采样实现的[5]。电路如下图4所示。采样信号后加一个电压跟随器，提高了AD转换精度。图中的稳压二极管是用来防止采样信号电压高于3.3V对DSP造成的损坏。

4软件设计

智能充电器采用三阶段脉冲充电模式，使充电电流紧紧跟随蓄电池的可接受充电电流曲线，避免蓄电池充电末期析气，也避免因电流过大导致的热失控。首先初始化，在该阶段完成中断初始化、PWM模块初始化及定时器初始化等。进入主程序循环，ADC采样数据实时对蓄电池充电过程进行监控，并判断是否满足恒流充电；若不满足，则判断是否满足恒压充电；若满足进入恒压充电，若不满足判断是否满足浮充充电，满足则进入浮充充电[6]。为了避免极化现象，在每一阶段充电完成后，及时对蓄电池进行放电去极化处理。充电过程中实时检测蓄电池充电温度，出现超温现象即报警，并实施温度保护控制。

5结论

本文设计和研制了铅酸蓄电池充电器设计，在传统充电基础上采用三阶段充电策略，充电过程遵循马斯定律，并且在控制算法上采用传统PID算法结合智能算法的策略实现蓄电池的反馈控制。该设计具有结构简单、充电效率高等特点，广泛应用于航空航天等行业。

参考文献：

[1] 贾英江，王立冬，王维斌.铅酸蓄电池充电方法初探[J].电源技术， 2001， 25（01）：27-28.

[2] 郭凤仪，缪传海，张继华.智能型铅酸电池充电器设计与实现[J].计算机系统应用，2012，21（3）：76-79.

[3] 孔庆德.开关型智能蓄电池充放电系统的研究[D].西南交通大学，2004.

[4] 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.

[5] 裴杰，王江燕.DC/DC转换器中电流采样电路的设计[J].电子科技，2009，22（4）：33-35.

[6] 张素文，贺凯歌.基于模糊控制理论铅酸蓄电池充电器的设计[J].电源技术应用， 2008（3）：18-21.