PWM恒流充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：一種好的蓄電池充電方法是分級(jí)恒流充電。分析了PWM控制DC/DC變換的原理，給出了一種基于IGBT功率器件、單片機(jī)控制新型蓄電池恒流充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，給出了試驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：Buck變換器 PWM IGBT 80C196KC

蓄電池正常充電時(shí)，比較好的充電方法是分級(jí)定流方式，即在充電初期用較大的電流，充到一定的時(shí)間后，改用較小的電流，至充電后期改用更小的電流。這種充電方法的效率高，所需充電時(shí)間較短，充電的效果也好，并且對(duì)延長(zhǎng)電池的使用壽命有利。

針對(duì)這種要求，本文設(shè)計(jì)了可改變電流大小的恒流充電系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。交流市電經(jīng)AC/DC整流得到直流電壓Vbus，Vbus經(jīng)IGBT DC/DC斬波后供給電池作為充電電壓。

根據(jù)恒流充電的要求，將電池的充電電流作為反饋信號(hào)實(shí)施閉環(huán)控制。給定充電電流I*與實(shí)際充電電流反饋信號(hào)I比較得誤差e,經(jīng)PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后送PWM控制器產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，再經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)控制功率開關(guān)管IGBT的開與導(dǎo)通，進(jìn)行DC/DC降壓斬波，實(shí)時(shí)改變充電電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)恒流充電的功能。

1.1 斬波及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

直流DC/DC斬波電路采用Buck降壓變換器的形式，如圖2所示。電感L2之前為Buck變換器，Buck變換器有電感電流連續(xù)工作模式和不連續(xù)工作模式。適當(dāng)選取電感L1的大小，可使Buck變換器電感電流為連續(xù)狀態(tài)。而連續(xù)狀態(tài)下的電感電流為鋸齒波，為了更好地平滑電流，在變換器后再接一平波電感L2。

反饋控制系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就是保證跟蹤的快速性。由于L1及濾波電容都放大，因而時(shí)滯大，所以在此不用與電池（BAT）相串的L2電流作為反饋，而以L1的電流為反饋。

IGBT為全控型晶體管，通過控制其柵極G端高低電平可控制其導(dǎo)通與關(guān)斷。D為續(xù)流二極管。設(shè)IGBT開關(guān)周期為T，開通時(shí)間為Ton，判斷時(shí)間為Toff，占空比為d，則有關(guān)系式：

Ton+Toff=T

Uc=(Ton/T)VBus

d=Ton/T

開關(guān)周期固定，通過控制占空比d可實(shí)現(xiàn)對(duì)Uc的控制。

IGBT的驅(qū)動(dòng)采用TLP250芯片。TLP250內(nèi)部有光耦隔離。為了實(shí)現(xiàn)IGBT的快速關(guān)斷，在使其關(guān)斷時(shí)，需為G、E端提供一負(fù)偏壓。TLP250的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，穩(wěn)壓管Z+5伏，采用+20V電源供電。由于穩(wěn)壓管Z及電容C2的儲(chǔ)能作用，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，G、E之間產(chǎn)生+15伏的驅(qū)動(dòng)電壓；當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，G、E之間產(chǎn)生+5V的偏壓。G、E兩端PWM波形如圖4所示。

1.2 脈寬調(diào)制

脈寬調(diào)制（PWM）控制器選用3525芯片。該芯片內(nèi)部有一振蕩器產(chǎn)生三角波信號(hào)，誤差信號(hào)e=I*-I經(jīng)PID調(diào)節(jié)器后送內(nèi)部誤差放大器，再與三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生PWM波形。同時(shí)，3525還有閉鎖控制引腳，可將過流、過壓、短路等檢測(cè)信號(hào)送至此引腳以封鎖PWM輸出，實(shí)施保護(hù)功能。通過調(diào)節(jié)片內(nèi)振蕩器外接電容、電阻的大小可以改變PWM的周期及死區(qū)。

1.3 單片機(jī)控制

80C196KC單片機(jī)外接D/A轉(zhuǎn)換器，將單 牒同的數(shù)字電流給定信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。也可以利用單片機(jī)的高速輸出部件HSO或脈沖寬度調(diào)制器輸出PWM信號(hào)，PWM信號(hào)經(jīng)平滑濾波后變?yōu)槟M信號(hào)。

針對(duì)蓄電池的分級(jí)定流充電方式，利用80C196KC單片機(jī)進(jìn)行監(jiān)督控制，實(shí)時(shí)改變充電電流大小。80C196KC單片機(jī)內(nèi)部有8路12位的A/D轉(zhuǎn)換。選一路A/D口對(duì)電池電壓進(jìn)行檢，當(dāng)電池達(dá)到一定值后，轉(zhuǎn)入定時(shí)小電流浮充。采和80C196KC單片機(jī)的高速輸入口（HSI）對(duì)保護(hù)信號(hào)檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)過流、過壓、短路等故障時(shí)，采取相應(yīng)的動(dòng)作，如切斷市電輸入及電池輸入。

2 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

圖5、圖6、圖7、圖8為幾種情況下的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中在BUS及BAT電壓值為萬用表讀數(shù)，I值為蓄電池串接安培表讀出的充電電流值，也等于充電電流給定值。而各圖中的波形從存儲(chǔ)波器獲取，橫坐標(biāo)上面波形為電流霍爾采樣的L2電流，橫坐標(biāo)下面波形為電流霍爾采樣的L1電流（為便于與L1電流對(duì)比，取反相）。由試驗(yàn)結(jié)果得出，在0～3A充電電流給定下，取得了良好的實(shí)際充電電流，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的分級(jí)定流及涓流充電；Buck變換器后接電感L2有利于電流的平滑；當(dāng)BUS電壓在一定范圍變化時(shí)，由于功率管占空比的調(diào)節(jié)，能保持充電電流的恒定。

本恒流充電系統(tǒng)可對(duì)多節(jié)蓄電池進(jìn)行串聯(lián)恒流充電。dmin=0.2,dmax=0.8，設(shè)電網(wǎng)電壓為220V，波動(dòng)為±15%，則整流可得BUS的電壓為VBUSmin=220×75%×1.4=262V，供給BAT的最大充電電壓為263×0.8=210V。