蓄电池充电的数控恒流源设计方案

引言

蓄电池作为电能的储存装置，因其体积小、能量密度高、自放电率低等特点，被广泛应用于手机、笔记本电脑、车载导航系统等电子设备中。然而，蓄电池也有其使用上的限制，比如需要充放电过程中控制电压和电流，以避免过充或过放所带来的损害。因此，设计一种高效、可靠的蓄电池充电数控恒流源显得尤为重要。

一、系统概述

蓄电池正常充电时，比较好的充电方法是分级定流方式，即在充电初期用较大的恒定电流，充到一定时间或蓄电池达到一定电压后，改用较小的恒定电流充电。蓄电池恒流充电电源不同于普通的直流电源，其工作负载范围非常宽，输出电压可能从近似为零变到额定值。因此，在较宽的负载范围内保证蓄电池充电阶段的平滑过渡，以及不同阶段时的恒流特性是蓄电池恒流充电电源的设计难点。

二、系统结构及工作原理

2.1 系统结构

蓄电池恒流充电电源的结构框图如图1所示。该电源可对蓄电池进行两级恒流充电，两阶段的充电终止条件可分为充电时间原则、充电电压原则或时间/电压混合原则，并可自动完成两阶段电流转换、充电原则转换和相应充电参数值的调整。

2.2 工作原理

装置主电路的工作原理是首先对380V输入交流市电进行EMI滤波，采用带十二相自耦变压器的不控整流电路将交流电变换为直流电，从而有效地减少了输入级AC/DC变换产生的谐波含量，提高了功率因数，降低了输入变压器的容量。利用全桥高频逆变电路将直流电逆变为高频双极性PWM波，经高频脉冲变压器降压，双半波整流和输出滤波后，最终输出恒定的直流电流对蓄电池负载充电。

控制系统由DSP及其外围电路组成，主要完成对输出电压、电流信号的检测、采样和计算；对外部控制指令的接收和处理；对恒流充电的控制；对驱动信号的产生；对显示数据的发送及整机的控制等功能。

三、主控芯片选择及其作用

3.1 主控芯片型号

在蓄电池充电的数控恒流源设计中，可以选择以下几种主控芯片：

1. DSP（数字信号处理器）：

• TMS320F240（美国TI公司生产）：具有丰富的片内集成外设，大大减少了DSP的外围元器件，适用于复杂的控制算法实现。

• STM32F103RCT6：接口丰富、性能稳定、功耗低、价格便宜，使用ARM 32位Cortex-M3高性能内核，内置高速存储器（48KB SRAM，256KB FLASH），工作频率最高可达72MHz，适用于多种复杂控制任务。

• STM32F103T8U6：VFQFPN36封装，CPU工作频率为72MHz，工作电压为2.0至3.6V，具有64K字节闪存存储器，10K SRAM存储器，适用于低成本、高性能的充电系统设计。

2. MCU（微控制器）：

• STM32F103系列：具有高集成度，内部集成的功能部件能满足充电系统设计要求，且芯片售价较低，适合大规模应用。

3.2 主控芯片在设计中的作用

1. 数据采集与处理：

• 实时采集充电电流、电压等参数，进行A/D转换和滤波处理，确保数据的准确性和可靠性。

• 对采集到的数据进行计算和分析，判断当前充电状态，并根据预设的充电策略调整充电电流和电压。

2. 控制算法实现：

• 实现变参数积分分离PI控制算法，根据充电电流误差的正负及上升、下降趋势，调整PI参数，实现最佳充电控制。

• 通过软件编程实现复杂的控制逻辑，如充电阶段切换、充电参数调整等。

3. 通信与显示：

• 通过USART、SPI、CAN、USB等通信接口与外部设备进行数据传输和通信，实现远程监控和控制。

• 将充电过程中的关键参数和状态信息显示在LED显示屏或LCD屏幕上，方便用户观察和操作。

4. 安全保护：

• 监控充电过程中的电流、电压、温度等参数，当出现异常时及时切断充电电源，防止电池损坏或安全事故发生。

• 利用看门狗（WD）和实时中断（RTI）模块监视软件和硬件操作，确保程序运行的准确性和可靠性。

四、详细设计

4.1 输入滤波与整流

输入交流市电经过EMI滤波器进行滤波处理，去除高频干扰信号。然后采用带十二相自耦变压器的不控整流电路将交流电变换为直流电。这种设计有效地减少了输入级AC/DC变换产生的谐波含量，提高了功率因数，降低了输入变压器的容量。

4.2 高频逆变与降压

直流电经过全桥高频逆变电路逆变为高频双极性PWM波，然后通过高频脉冲变压器进行降压处理。高频逆变电路和降压变压器的设计需要考虑功率损耗、效率、散热等因素，确保系统在高功率密度下稳定运行。

4.3 输出滤波与恒流控制

降压后的高频PWM波经过双半波整流和输出滤波电路后，最终输出恒定的直流电流对蓄电池进行充电。恒流控制通过DSP或MCU实现的PI控制器进行精确调节，确保充电电流的稳定性和精度。

4.4 温度检测与保护

温度检测模块使用单总线温度传感器DS18B20进行温度检测，提供9位温度读数，温度测量范围为-55℃至125℃，精度±0.5℃。当电池温度过高或过低时，芯片将停止充电或放电，并发出警报，以防止电池遭受过热或过冷损坏。

4.5 软件设计

软件设计包括数据采集与处理、控制算法实现、通信与显示、安全保护等功能模块。通过编程实现变参数积分分离PI控制算法，根据充电电流误差的正负及上升、下降趋势调整PI参数，实现最佳充电控制。同时，软件还需要具备故障检测与保护功能，当出现异常时及时切断充电电源，防止电池损坏或安全事故发生。

五、试验结果与结论

经过实际测试，该充电电源的输出电压范围为042V，两级充电电流均为236A可调，充电电流精度小于5%。可对12V或24V等级的碱性或酸性蓄电池进行恒流循环和补充充电，也可对新蓄电池进行恒流充电。在不同充电电流给定下均取得了良好的实际充电电流波形，并且当蓄电池电压变化时，因在线的变参数PI调节，充电电流保持恒定，因此系统具有良好的动态性能和恒流特性。

该充电电源已在多艘大型船舶中使用，取得了良好的应用效果。通过优化设计和改进算法，进一步提高了系统的稳定性和可靠性，降低了成本和维护难度，为蓄电池的充电管理提供了有效的解决方案。

六、总结与展望

本文提出了一种基于DSP或MCU的蓄电池分级恒流充电电源设计方案，介绍了电源的系统结构、工作原理、控制策略及软件设计。通过实际测试和应用验证，该充电电源具有高精度、高稳定性、高可靠性等优点，适用于各种蓄电池的充电管理。

未来，随着电池技术的不断发展和充电需求的不断变化，蓄电池充电的数控恒流源设计将更加注重智能化、网络化、模块化等方面的发展。通过引入先进的控制算法和通信技术，实现更高效、更便捷、更安全的充电管理，为电动汽车、储能系统等领域提供更加优质的解决方案。