【文章內(nèi)容簡介】 短 , 一 般 在 五 六 個 小 時 。智 能 充 電 方 法 由 充 電 系 統(tǒng) 、 智 能 控 制 回 路 和 蓄 電 池 組 成 , 將 檢 測 到 的 蓄 電 池 的 充 電 電 壓 與 充 電 電 流 送 到 控 制 模 塊 根 據(jù) 蓄 電 池 可 接 受 充 電 電 流 曲 線 動 態(tài) 調(diào) 整 充 電 電 流 , 使 蓄 電 池 在 析 氣 最 小 的 情 況 下 充 電 , 既 能 延 長 蓄 電 的 壽 命 也 能 縮 短 充 電 時 間 。 盡 管 己 經(jīng) 有 很 多 充 電 方 法 出 現(xiàn) , 但 由 于 各 種 條 件 的 限 制 , 仍 然 不 能 滿 足 最 佳 充 電 電 流 曲 線 的 要 求 。 目 前 市 場 上 使 用 最 廣 泛 的 仍 然 是 三 階 段 充 電 方 法 [8]。 充電電源的發(fā)展 狀況 目前 ,常用的充電電源主要有以下三種 :相控電源、線性電源、開關(guān)電源 ,而單片機充電發(fā)展比較慢 。 相 控 電 源 是 比 較 傳 統(tǒng) 的 電 源 , 它 是 將 市 電 直 接 經(jīng) 過 整 流 濾 波 后 輸 出 直 流 , 再 通 過 改 變 晶 閘 管 的 導(dǎo) 通 相 位 角 , 來 控 制 整 流 器 的 輸 出 電 壓 。 相 控 電 源 所 用 的 變 壓 器 是 工 頻 電 源 變 壓 器 , 它 的 體 積 比 較 龐 大 , 由 此 造 成 相 控 電 源 本 身 的 體 積 龐 大 、 效 率 低 下 , 并 且 該 類 電 源 動 態(tài) 響 應(yīng) 差 、 可 靠 性 能 低 。 目 前 相 控 電 源 己 經(jīng) 有 逐 步 被 淘 汰 的 趨 勢 。 線 性 電 源 是 另 一 種 常 見 的 電 源 , 它 是 通 過 串 聯(lián) 調(diào) 整 管 可 以 進 行 連 續(xù) 控 制 的 線 性 穩(wěn) 壓 電 源 。 線 性 電 源 的 功 率 調(diào) 整 管 總 是 工 作 在 放 大 區(qū) , 流 過 的 電 流 是 連 續(xù) 的 。 由 于 調(diào) 整 管 上 損 耗 功 率 比 較 大 , 所 以 需 要 采 用 大 功 率 調(diào) 整 管 并 且 需 要 裝 配 體 積 很 大 的 散 熱 器 。 開關(guān)電源被譽為高效節(jié)能電源 ,它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向 ,現(xiàn)己成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。近 20 多年來 ,開關(guān)電源沿著下述兩個方向不斷發(fā)展。第一個發(fā)展方向是對開關(guān)電源的核心單元 控制電路實現(xiàn)集成化。 采用單片機技術(shù)的智能充電器在我國的研究發(fā)展比較晚 ,因其體積小、動態(tài)響應(yīng) 速度快、輸出紋波小、效率高等特點 ,近年來 獲得了 國內(nèi)外的廣泛研究 和 關(guān)注 ,特別 是 在通信 和 電力等領(lǐng)域中 ,己經(jīng)得到了普遍的研究 和 使用。但 是 相對于相控電源來 講 ,它的價格高 ,而且功率器件的發(fā)熱量也較高 ,因此 ,在電力系統(tǒng)中的大功率場合 ,相控式的充電器 依然 占有較大比重。 然 而國外市場大部分充電器 都使用 Wa、WaWo、 Uamp。U 等充電曲線方式 [9],充電方式更科 學(xué)、合理 ,從而 很大程度的 提高了蓄電池的使用壽命 ,大大 地減小 了維護成本 ,簡化了充電 的 過程 ,解放了操作人員的勞動強度 ,市場前景非常廣闊。 近年來 ,國內(nèi)外人士正 在 致力于 智能 充電器 的 研究 ,智能程度較高的充電器解決了動態(tài)跟蹤電池可接受充電電流曲線的技術(shù)關(guān)鍵 ,使充電電流始終 和 可接受充電電流保持良好的匹配關(guān)系 ,使充電過程始終在最佳狀態(tài)下進行 ,比常規(guī)充電 9 模式節(jié)約 了 30%50%電能 ,還 提高了充電質(zhì)量 與 效率 ,充電工人只擔(dān)任輔助性工作 ,為充電技術(shù)和充電設(shè)備的智能化發(fā)展闖出了一條新路 [10]。 10 3 基本方案 總設(shè)計方案 本 設(shè)計采用 的是先組建多個 功能模塊分析 然后 組合的方 式 來實現(xiàn)方案。 系統(tǒng)的設(shè)計要求 ,實時監(jiān)測充電過程 。 ,如恒流充電、脈動浮充等 。 ,如短路、斷路、過流等 。 示功能。 本充電系統(tǒng)采用恒壓限流充電和脈沖充電相結(jié)合的充電方法 ,將充電過程分成幾個子充電過程 ,充電電流總體上呈逐級遞減的趨勢并保持恒定電壓 ,而每個子充電過程按“正脈沖充電一停充一負脈沖放電一停充一再正脈沖充電”這種循環(huán)過程進行 ,直至電池的容量達到額定容量的 80%以上。之后轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài) ,使電池電量完全恢復(fù) ,即達到額定容量。 智能充電方法的選擇 充電方法的選擇是 很 重要的 ,不同的充電方法 ,它 充電速度的差 距會非常 大 ,導(dǎo)致 其 充電效果的差距也會 非常 大。系統(tǒng)所 需求 的充 電方法 ,一方面要求 能夠 最大程度地加 快 蓄電池的化學(xué)反應(yīng) 速率 ,縮短 蓄電池達到滿充狀態(tài)的時間 ,使 其 充電速度 達到 最大的提 ； 另一方面 ,要 維持 蓄電池負極的吸收能力 ,使 其 負極 可以 跟得上正極氧氣產(chǎn)生的速度 ,以避免電池的極化現(xiàn)象。 恒壓限流充電和脈沖充電相結(jié)合的充電方法結(jié)合了這兩種充電方法的優(yōu)點 ,通過有規(guī)律的間歇停充來消除電池在充電過程中所產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。在整個充電時期內(nèi) ,一直 適時地采取去極化措施 ,以 避免了蓄電池在充電過程中產(chǎn)生大量氣體和溫升過高的問題 ,從而達到大大縮短充電時間和提高充電效率的目的 ,因而能夠比一般的充電方法更 快地進行充電。 11 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖 本充電系統(tǒng) 電路設(shè)計圖如 附錄二 系統(tǒng)電路的設(shè)計圖所示。 本充電系統(tǒng) 電路 的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖 1 所示 ,它包括提供充電的電源和作為管理中心的控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計中 ,充電電源采用開關(guān)電源。通常把采用“交流一直流一交流一直流”這種電路的裝置稱為開關(guān)電源。從輸入輸出關(guān)系來看 ,開關(guān)電源是一種“交流一直流”的變流裝置 ,然而由于開關(guān)電源采用了工作頻率較高的交流環(huán)節(jié) ,變壓器和濾波器都大大減小 ,因此同樣功率條件下其體積和重量遠遠小于傳統(tǒng)的相控電源。除此之外 ,工作頻率的提高還有利于控制性 能的提高。系統(tǒng)的主回路由充電電路、放電電路及控制電路組成 ,其中充電電路 使 用整流橋式電路。 圖 1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖 控制電路部分是一個實時監(jiān)測 與 控制系統(tǒng) ,包括 了 對電池溫度 、電池兩 端電壓、充電電流等參數(shù)的監(jiān)測 ,對收集信息的分析 與 計算處理 ,對充電機工作參數(shù)的設(shè)置 與 顯示等。 它的 控制過程是通過采集蓄電池的相關(guān)參數(shù) ,送入 80C196KB 單片機進行預(yù)定的分析 與 計算 ,得出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù) ,從而控制輸出電壓、電流 ,完成對蓄電池的智能充電。其中控制電路的核心 采用 80C196KB 單片機芯片 ,具有高度的集成度。 鉛酸蓄電池組 充電電源 充電控制系統(tǒng) CPU I/O 設(shè)備 12 充放電方法的控制與實現(xiàn) 在充電方法的實現(xiàn)上 ,我設(shè)計了以 80C196KB 單片機控制為主的控制方法 ,將采集到的電池溫度、電池端電壓、充電電流等狀態(tài)信息 ,送入 CPU后 再 進行處理和判斷 ,以此來 變換 充電方式 ,實現(xiàn)智能充電。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、便于操作、維修方便、成本低。 在放電方法的實現(xiàn)上 ,采用大功率 IGBT 管進行 PWM 控制 ,以控制放電電流大小 ,保持其高穩(wěn)定性。 單片機充電終止條件控制方法 利用單片機對蓄電池充足電后 ,電池的溫度 與 內(nèi)壓都會 迅速 上 升 ,同時電池的端電壓 也會 開始下降 ,出現(xiàn)電壓負增量。 假如 此時繼續(xù)進行快速大電流充電 ,會對蓄電池 造成很大損害 。 所以 ,為了保證電池能充足電又不過充電 ,須 使用 單片機采取 一定的方法來控制充電的停充等問題。 目前 采用的控制方法很多 ,通常 采取的有定時控制、電壓控制、溫度控制 和 最小終止電流等方法進行充電終止控制 [6]。 最高電壓控制 當(dāng) 電池電壓達到最大值時 ,電池 則 充足電。充電過程中 ,當(dāng)電池電壓達到規(guī)定值后 ,單片機應(yīng) 馬上 對蓄電池停止充電。 該 控制方法的缺點是 : 電池充電最高電壓 會 隨 著 環(huán)境溫度、充電速率而 改 變 ,所以 ,最高檢測電壓必須 使用 一定的溫度補償 ,并且還 要 根據(jù)充電速率加以 正確的 修正。 假如 最高檢測電壓不 會 隨溫度變化而自動調(diào)整 的話 ,當(dāng) 低溫時 ,電池 會 充不足電 ； 高溫時 ,電池充足電后仍會繼續(xù)大電流過充。這樣 ,會導(dǎo)致 電池壽命 減小 ,也 會使 電池 受到損壞 。蓄電池組中各單體電池的最高充電電壓也會有差別 ,所以 采用這種方法不可能非常準確地判斷電池已充足電。 定時控制 通常用在單片機控制的恒流充電模式中。例如 ,對于 20Ah 的蓄電池 ,采用 充電速率 ,電池 5h 可充足 : 采用 充電速率時 ,需要 10h 才 可充足電 ,所有依 據(jù)電池的容量 與 充電電流 ,能夠 容易地確定所需 求 的充電時間。充電過程中 ,達到預(yù)定的充電時間后 ,定時器 會 發(fā)出信號 ,使充電器 立即 停止充電 或 充電電流 馬上 降低至 浮充電電流。這樣 能夠 避免電池長時間大電流過充電。 該 控制方法較簡單 ,但由 13 于電池的起始充電狀態(tài)不 會完全一樣 ,有的電池充不足 ,有的電池過充電 ,又由于 充電時間是固定的 ,因此 不能 依據(jù) 電池充電前的狀態(tài)來自動調(diào)整。 所以 ,只有充電速率小于 時采用這種控制方法才最有效果。 溫度控制 為了 不 損壞電池 ,電池溫度過低時不能 馬上 開始快速充電；電池充足電后 ,充入的電量都 消耗在電池中 ,電池的溫度 會 很快上升。電池溫度上升到規(guī)定數(shù)值后 ,單片機必須 馬上 停止對蓄電池充電的過程。電池的溫度可以通過與電池在一起的溫度傳感器件來檢測 ,再反饋給單片機。當(dāng)電池溫度 大于 規(guī)定值時 ,單片機控制自動轉(zhuǎn)入浮充電模式。當(dāng)環(huán)境溫度較低時 ,規(guī)定的最高溫度值 就要偏大一點 ,這樣 會造成過充電 ,損傷電池。為了 不 損傷電池 ,經(jīng)常 采用溫升控制法 ,即當(dāng)溫升達到一定值時 ,充電器便自動轉(zhuǎn)入浮充電模式。 上述各種控制方法各有 乾坤 ,為了 使單片機 在任何情況下 ,均能準確可靠地控制電池的充電狀態(tài) ,目前快速充電器中通常采用 的是 包括 了 時間控 制、電壓控制和溫度控制的綜合控制法。 14 4 系統(tǒng)硬件 介紹及 設(shè)計 開關(guān)電源原理 充電電源采用開關(guān)電源 ,開關(guān)電源一般由功率變換主回路和控制回路兩部分組成。主回路有多種不同的拓撲結(jié)構(gòu) ?？刂苹芈肥菍崿F(xiàn)電源各種性能要求的核心 ,其控制機理有調(diào)頻調(diào)幅調(diào)寬諧振等。高頻開關(guān)電源的原理框圖如圖 2所示 [1 12]。 圖 2 高頻開關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 從圖 2 中可以看到 ,高頻開關(guān)電源主要由交流電網(wǎng)濾波電路、輸 入整流濾波電路、高頻變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護電路幾部分組成。其基本原理是 :交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、整流濾波得到一定的直流電壓 ,再通過高頻變換器將直流電壓變換成高頻交流電壓 ,最后經(jīng)過輸出整流濾波電路 ,將變換器輸交流電網(wǎng)濾波電路 輸入整流濾波電路 高頻變換器 輸出整流濾波電路 控制電路 保護電路 市電 輸出直流 15 出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓。 充電系統(tǒng)的主電路原理與設(shè)計 全橋變換電路的設(shè)計 該 充電系統(tǒng)采用的是全橋移相控制的零電壓 PWM 變換電路。它是 當(dāng)前 運 用最為 廣泛的軟開關(guān)電路之一 ,其特點是電路 非常 簡單 ,易于 操作 ,但 有 一個缺點 : 滯后臂 開關(guān)管在輕載下難以實現(xiàn)零電壓開關(guān) ,這使它不適用于負載范圍變化大的場合。 當(dāng) 電路不能實現(xiàn)零電壓開關(guān)時 ,將 會 產(chǎn)生以下幾個后果。 開關(guān)損耗的存在 ,需要增 大 散熱器的體積 。 的時候 存在很大的 di/dt,將會造成較大的 EML； 副邊二極管的反向恢復(fù) ,高頻變換器副邊漏感上的電流瞬變作用將在二極管上產(chǎn)生電壓過沖和震蕩 ,因此 在實際應(yīng)