蓄电池分级恒流充电电源设计方案

引言

蓄电池作为能源存储和供电的重要设备，在电力系统、通信、交通等多个领域具有广泛的应用。在蓄电池的充电过程中，为了保证电池的寿命和性能，通常采用分级恒流充电的方式。即在充电初期采用较大的恒定电流，当电池电压达到一定值或充电时间达到预设值后，改用较小的恒定电流进行充电。本文提出了一种基于DSP（数字信号处理器）或MCU（微控制器）的蓄电池分级恒流充电电源设计方案，并详细介绍了电源的系统结构、工作原理、控制策略及软件设计。

系统结构

蓄电池分级恒流充电电源的系统结构主要包括输入滤波电路、整流电路、高频逆变电路、降压变压器、整流滤波电路、控制系统和显示监控模块等部分。

1. 输入滤波电路：

• 输入交流市电首先经过EMI滤波器进行滤波处理，去除高频干扰信号，确保电源输入的稳定性和可靠性。

2. 整流电路：

• 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。

3. 高频逆变电路：

• 直流电经过全桥高频逆变电路逆变为高频双极性PWM波。高频逆变电路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. 降压变压器：

• 高频PWM波经过高频脉冲变压器进行降压处理，为后续的整流滤波电路提供合适的电压等级。

5. 整流滤波电路：

• 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。

6. 控制系统：

• 控制系统主要由DSP或MCU及其外围电路组成，负责检测、采样和计算输出电压、电流信号，接收和处理外部控制指令，对恒流充电进行控制，产生驱动信号，发送显示数据并控制整机。

7. 显示监控模块：

• 显示监控模块用于显示充电过程中的关键参数和状态信息，如充电电流、电压、温度等，并具备故障检测和报警功能。

主控芯片型号及其作用

在主控芯片的选择上，主要考虑芯片的性能、功能、功耗、价格等因素。以下是几种适用于蓄电池分级恒流充电电源设计的主控芯片型号及其作用：

1. TMS320F240（美国TI公司生产）：

• 作用：TMS320F240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。其高速信号处理和数字控制功能特别适用于需要进行复杂算法的控制系统。

• 功能：主要用于完成对输出电压、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。

2. STM32F103RCT6：

• 作用：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。

• 功能：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。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。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。

3. STM32F103T8U6：

• 作用：STM32F103T8U6采用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。

• 功能：同样具备实时采集充电参数、A/D转换和滤波处理、数据分析与状态判断、变参数积分分离PI控制算法实现、复杂控制逻辑编程以及外部通信等功能。

控制策略

蓄电池分级恒流充电电源的控制策略主要包括PI控制算法和变参数积分分离PI控制算法。

1. PI控制算法：

• PI控制器以其结构简单、控制稳态精度高等特点，广泛应用于控制领域。传统数字PI调节器的数学模型包括比例系数Kp和积分系数KI。

• Kp值大时，系统响应快，调节精度高，但Kp值过大易造成系统超调大，甚至不稳定。因此，在误差e(k)趋于增大时需要适当减小Kp值，以防止超调；当误差e(k)趋于减小时，要增大Kp值，以提高系统响应速度。

• KI的作用主要是消除稳态误差，以提高系统的调节精度。KI值大时，误差消除能力强，但在起动过程中易出现积分饱和及调节超调量增加的现象。因此，要求KI在误差大时为零，以消除积分饱和现象；进入稳态区域时，加入积分调节。

2. 变参数积分分离PI控制算法：

• 根据上述变参数PI的控制规则，该系统采取变参数与积分分离相结合的PI算法调节逆变桥的驱动脉宽。

• 根据充电电流误差e(k)的正负及上升、下降趋势，将反馈电流一个周期的波动分为四个区间，并在不同的区间调用不同的PI参数，从而实现最佳PI调节。

• 引进积分分离PI控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有较大的改善。

软件设计

蓄电池分级恒流充电电源的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。

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。

2. 控制算法实现：

• 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。

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。

实验与测试

经过实际测试，该充电电源的输出电压范围为0-42V，两级充电电流均为2-36A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。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。

结论与展望

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。