摘要：传统蓄电池充电装置往往采用简单恒流或恒压方式，不具备实时监测充电状态的能力，极易造成过充且对蓄电池造成不可逆损坏。为克服上述缺点，针对蓄电池充电装置要求体积小、充电效率高的特殊要求，采用DSP作为核心控制器，运用现代电力电子、高频逆变以及适时放电去极化的综合数字控制技术，设计了包含AC-DC转换、全桥逆变及驱动、整流滤波等电路模块的新型蓄电池充电装置，经电路仿真及实际实验表明，所设计的蓄电池充电装置能够对电池状态进行精确监测，并具有充电效率高、功率重量比大等优点。
关键词：蓄电池；充电装置；全桥逆变；DSP
蓄电池充电设备优劣直接影响到蓄电池的性能。蓄电池由于其特殊的工作场合，要求其充电装置必须满足充电效率高、充电策略及控制算法可调整、能够对蓄电池状态进行实时监测以及体积小、重量轻、工作稳定可靠等特殊要求[1]。目前常规蓄电池充电装置由于不具备上述特点，若直接用来对蓄电池进行充电，往往会对价格昂贵的蓄电池造成极大的损害，大大缩短蓄电池的使用寿命。本文采用DSP作为核心控制器，运用现代电力电子、高频逆变以及适时放电去极化的综合数字控制技术，设计了包含AC-DC转换、全桥逆变及驱动、整流滤波及放电等电路模块的新型蓄电池充电装置，并对所设计的装置进行仿真及实际试验，实验结果表明所研制的充电系统能够满足蓄电池的要求。
1蓄电池充电策略分析
诸多学者对蓄电池的充电策略进行了研究，如文献[2]介绍了适合于多个蓄电池组串联的恒流充电方法，此方法的明显缺点就是充电初期电流偏大，后期充电电流偏大，特别是在充电后期，对电池损坏较大。文献[3]中介绍了恒压充电方法，随着电池内阻的增高，充电电流不断减小，从趋势上符合电池可接受充电电流曲线，但是恒压充电电压的选择较困难，电压太大充电开始阶段电流过大，对电池损害大，电压太小则会加长电池充电时间。文献[4]和文献[5]分别讨论了两阶段和三阶段充电方式，由于这两种充电方式易于实现，操作简单，一定程度上弥补了简单恒流恒压充电方法的缺点，所以应用比较广泛，但是其无法根据蓄电池实时状态进行电流和电压的调整。文献[6]提出了一种间歇式充电策略，不但充电效率高，而且能够有效减少析气产生，对蓄电池起到一定的保护作用。
间歇式充电策略控制过程复杂，且要求对蓄电池状态能够实时监测。通过分析，本文所设计的蓄电池充电系统采用间歇式充电策略，为了实现精确的过程控制，采用基于高性能DSP芯片作为核心控制器，并通过外围电路设计，构建高效的蓄电池充电系统。
2系统硬件设计
2.1蓄电池充电系统组成
本设计以全桥逆变电路作为功率主电路，进行功率变换，放电过程采用BOOST电路，进行升压放电。以DSP芯片为核心，对蓄电池状态实时采样，包括电流和电压，经过对采样信息分析和处理，产生一定频率PWM波，驱动逆变器和BOOST电路，形成完整的闭环控制。同时系统加入蓄电池实时保护功能，任何参数超出设定范围，均自动关断电源。DSP控制器通过RS232给设备LCD显示屏发送电池状态和充电电流、电压等信息的显示命令，同时可以接收外界输入的参数包括控制及设定等信息。2.2系统功能模块设计
2.2.1 AC-DC电路设计
系统输入为380V，50HZ三相交流电,通过整流滤波产生直流电源。本设计中，整流电路采用输出脉动较小的三相桥式全波整流电路，其由六个整流二极管构成。共阴极组的二极管依次编号为VT1、VT3、VT5，共阳极组的二极管依次编号为VT4、VT6、VT2。对于共阴极组，阳极电位最高的器件导通；对于共阳极组，阴极电位最低的器件导通。三相交流输入相角互相差120°，共阴极组和共阳极组每一时刻只有一个二极管导通的，三相桥式全控整流电路每隔60°有一个二极管要换流，由上一号二极管换流到下一号二极管触发，触发脉冲的顺序是：1→2→3→4→5→6→1，依次下去。相邻两脉冲的相位差是60°。
2.2.2 主功率电路设计
本系统的主功率电路是全桥逆变电路，功能是实现直交流变换，目的是提高频率，减小设备体积和重量，增加功率重量比。全桥逆变电路开关管使用MOS管，主要是由于MOS的导通压降小，导通电阻小，栅极驱动不需要电流，损耗小。
图1 全桥逆变电路图
图1中的A1，A2等信号是MOS管的驱动信号的输入，MOS管的开通和停止由DSP控制，DSP的PWM模块发出50KHZ占空比可调的高频方波，经过驱动电路变换成满足MOS管开通和截止条件的驱动信号。
2.2.3 输出整流滤波电路
经过全桥逆变之后，得到高频交流电，高频交流电经过高频变压器变压，产生满足蓄电池充电的电压，再经过整流滤波，得到高品质，高质量的直流电压来给蓄电池进行充电，原理如图2所示。高频变压器变比为38:4，两路输入接全桥逆变的输出，六路输出。当输入为正时，3、6两路输出为正，D1、D3导通，经过电容和电阻的滤波，输出直流电；当输入为负是，5、8两路为正正，D2、D4导通，经滤波后输出直流电。如果输入是0，四个二极管都不能导通，因为感性原件的存在，能在短时间内保持输出电压稳定。这样整体上就得到了所需要的直流电。
图2 输出整流滤波电路
3 系统的软件设计
本设计使用的控制器是DSPF28335，使用C语言编程，在CCS3.3平台上设计实现了软件控制程序。
所用的蓄电池是镉镍电池，其放电具有记忆性，如果电池没有完全放电就开始充电，那么下次放电存储的电能就不能完全放出，相当于电池容量大幅度缩减。所以每次充电之前必须要检测电池是否完全放电，如果没有完全放电首先进行大电流放电，放电完毕后再开始充电。
放电之后首先对电池进行激活充电。达到激活电压之后进行充电，可以选择充电模式，自动充电模式利用定时器预先设定好的时间对电池进行分阶段恒流充电，电流每隔一段时间减小依次，并且适时的进行放电去极化，直至检测到电池端电压下降充满电为止。如果急需使用电池，可以设定充电时间，系统根据设定的时间自动选择充电电流进行三阶段充电。
4 结论
通过系统软硬件设计，设计了蓄电池充电电路，在CCS3.3平台上编写了DSP28335控制程序，解决了不能对充电过程进行实时监测具体问题，通过仿真及实验，验证了分段恒流充电的优越性，所设计的蓄电池充电电路具有模块化、实时性、扩展性好等优点，能够得到广泛应用。
参考文献:
[4] 王伟. 基于模糊控制的 VRLA 蓄电池智能充电技术的研究[D]. 吉林: 吉林大学(硕士),2007.
5 作者简介
唐华文(1970)，男，硕士，高级工程师，云南电网有限责任公司昆明供电局变电管理一所，主要从事变电运行研究工作。
刘建宏(1977)，男，大学本科，高级技师，云南电网有限责任公司昆明供电局变电管理一所，主要从事变电运行工作。
论文作者:唐华文,刘建宏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第28期
论文发表时间:2018/1/26
标签：蓄电池论文; 电路论文; 电流论文; 电池论文; 电压论文; 逆变论文; 装置论文; 《电力设备》2017年第28期论文;