充電器原理與設(shè)計(jì)

1、引言   由于鉛酸蓄電池維護(hù)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、供電可靠、使用壽命長(zhǎng),廣泛作為汽車、飛機(jī)、輪船等機(jī)動(dòng)車輛或發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)電源,也在各類需要不間斷供電的電子設(shè)備和便攜式儀器儀表中用作一些電器及控制回路的工作電源.隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大容量蓄電池的應(yīng)用迅速增加,人們希望能快捷、安全地對(duì)蓄電池進(jìn)行充電,而現(xiàn)有市場(chǎng)銷售的充電器充電電流多為20A.為了滿足人們對(duì)大功率充電器的需求,設(shè)計(jì)了一款基于LPC933 充電電流50A、充電功率740W、功能完善、可擴(kuò)充的智能充電器. 1 充電器原理與設(shè)計(jì) 1.1 總體硬件設(shè)計(jì)   由于充電對(duì)象是鉛酸蓄電池,設(shè)計(jì)中采用電流、電壓負(fù)反饋

2、的方法來(lái)達(dá)到恒流、恒壓充電的目的,并對(duì)充電過(guò)程各種工作參量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及智能多段式充電策略的精確控制,應(yīng)用了LPC933單片機(jī)及相應(yīng)的控制電路.充電器硬件原理圖如圖1 所示. 圖1 充電器原理圖   充電器電路主要包括主電路、信號(hào)控制兩部分.主電路部分由橋式整流、PWM波形產(chǎn)生和直流濾波等組成.單相電源為220 V交流電時(shí),開關(guān)K1閉和,單相電源為110 V時(shí),開關(guān)K1斷開,經(jīng)全橋整流為300 V左右的直流電,由大電容進(jìn)行低頻濾波穩(wěn)壓,圓只MOS 器件S1、S2 組成半橋逆變器.PWM波形產(chǎn)生部分由SG3525根據(jù)反饋電壓產(chǎn)生,通過(guò)給MOS 管S1、S2 加高頻方波控制信號(hào)

3、,使S1和S2 周期性地導(dǎo)通,可得到脈寬可調(diào)的高頻交流電,經(jīng)高頻變壓器耦合到副邊,再經(jīng)整流管D2和D3整流,L1 和C4濾波,在輸出側(cè)得到低紋波直流電壓.顯示模塊是用來(lái)顯示電池的當(dāng)前電壓與充電電流,顯示狀態(tài)由面板上實(shí)現(xiàn)按鈕啟動(dòng). 1.2 電路功能設(shè)計(jì)與分析 1.2.1 PWM 寬度設(shè)置   脈寬調(diào)制控制電路采用開關(guān)電源專用集成芯片SG3525,SG3525有兩路驅(qū)動(dòng)輸出,OUT-A 與OUT-B 反向輸出,可設(shè)置死區(qū)時(shí)間.控制過(guò)程主要是移動(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)通的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率.移相PWM的相移控制是通過(guò)誤差放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,誤差放大器的同相端E/A+(腳2)接由單片機(jī)控制輸出的電壓

4、信號(hào).反相端E/A-(腳1)接主電路輸出電流或電壓的反饋信號(hào),電流和電壓負(fù)反饋信號(hào)之間的切換由肖特基二極管D1 的導(dǎo)通截止實(shí)現(xiàn).反饋信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)電位比較,差值經(jīng)放大輸出,送至移相脈寬控制器,控制OUT-A與OUT-B 之間的相位,最終調(diào)整波形占空比,使電壓和充電電流穩(wěn)定在預(yù)定值上. 電流采樣   電流采樣是大電流充電器的關(guān)鍵技術(shù)之一.通常采用電阻采樣,但在50A 以上的大電流電路中是難于適用的.為此,設(shè)計(jì)了在高頻變壓器的初級(jí)線圈處增加環(huán)形電流互感器,匝數(shù)比為1:50,不僅達(dá)到精確電流采樣的作用,還使采樣功耗控制在0.5W以內(nèi). 限流保護(hù)措施   正常情況下

5、,開關(guān)電源應(yīng)工作在額定輸出功率范圍之內(nèi),避免電源工作在超出正常輸出狀態(tài),但在實(shí)際工作中很難預(yù)測(cè),故電路將高頻變壓器輸出的電流經(jīng)電流互感器耦合輸出,再經(jīng)二極管整流,電容濾波及電阻分壓后,與比較器的同相端電壓進(jìn)行比較,當(dāng)輸出電壓過(guò)高時(shí),SG3525停止輸出方波驅(qū)動(dòng)信號(hào),從而保護(hù)電路. 散熱問(wèn)題   研發(fā)初期發(fā)現(xiàn),逆變器主要部件兩個(gè)大功率開關(guān)管S1 和S2 及直流輸出部分的全波整流管D2和D3,在充電電流大于30粵時(shí)出現(xiàn)過(guò)熱問(wèn)題,無(wú)法滿足老化要求.經(jīng)過(guò)硬件反復(fù)調(diào)試發(fā)現(xiàn),從以下幾個(gè)方面可以有效解決過(guò)熱的問(wèn)題.   (1)增加交流共模濾波電感,調(diào)試發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的高頻干

6、擾信號(hào)是造成逆變器開關(guān)管溫升異常的重要原因;   (2)在直流輸出端,增加濾波電感后,發(fā)現(xiàn)有效地減輕了開關(guān)管和全波整流管的負(fù)荷;   (3)增加散熱面積.使開關(guān)管金屬面通過(guò)導(dǎo)熱膠片壓在金屬外殼上;   (4)風(fēng)冷.   經(jīng)過(guò)以上4 個(gè)方面的改進(jìn),測(cè)試證明充電電流達(dá)到60粵時(shí)能持續(xù)工作4h 以上,完全滿足老化的設(shè)計(jì)要求. 2 充電控制技術(shù) 2.1 充電算法   充電控制技術(shù)是智能充電器系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)的核心部分.根據(jù)充電電池的原理,同種工藝的電池理想的充電曲線大致相似,而具體的電壓數(shù)值有所差別的特點(diǎn)

7、,應(yīng)用信息技術(shù)進(jìn)行控制,可達(dá)到最佳充電效果.為實(shí)現(xiàn)大電流充電,又要保護(hù)電池,蓄電池采用圖2 所示的充電方式,充電階段可以分成4 個(gè)階段. 圖2 充電曲線圖 涓流短時(shí)充電   充電器開始工作后,首先檢測(cè)蓄電池的電池電壓,若電池電壓低于9.5V,充電器不工作.若電池電壓大于怨.5V而小于10.5V,說(shuō)明蓄電池曾經(jīng)過(guò)度放電,為避免對(duì)蓄電池充電電流過(guò)大,造成熱失控,微處理器通過(guò)監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓,對(duì)蓄電池實(shí)行穩(wěn)定小電流涓流充電,激活蓄電池.在涓流充電階段,電池電壓開始上升,當(dāng)電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時(shí),則轉(zhuǎn)入恒流充電階段. 恒流充電   該階段為大電流

8、恒流充電,電流值為I2 ,因蓄電池容量而異,一般為I2 越0.1C(C 為蓄電池組的容量),持續(xù)時(shí)間為T2,在恒流充電狀態(tài)下,不斷檢測(cè)電池端電壓,當(dāng)電池電壓達(dá)到飽和電壓時(shí),恒流充電狀態(tài)終止. 恒壓充電   該階段為恒壓充電,電壓值為14.7V,它是蓄電池節(jié)數(shù)與蓄電池溫度的函數(shù),這時(shí)充電電流逐漸減小,恒壓充電時(shí),保持充電電壓不變.充電電流不斷下降,當(dāng)充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10 時(shí),終止恒壓充電. 浮充電   該階段主要用來(lái)補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量,電池電壓達(dá)到13.8V時(shí),此時(shí)標(biāo)志著充電過(guò)程結(jié)束. 2.2 充電終止控制  &#

9、160;電池在充滿電后,如果不及時(shí)停止充電,電池的溫度將迅速上升.溫度的升高將加速蓄電池板柵腐蝕速度及電解液的分解,從而縮短電池壽命、容量下降.為了保證電池充足電又不過(guò)充電,采用具有定時(shí)控制、溫度控制和電池電壓、電流控制功能的綜合控制法. 3 軟件設(shè)計(jì)   因?yàn)椴煌N類的電池有不同的充電特性,所以充電器要能根據(jù)具體電池的類型,控制不同的充電狀態(tài).在充電的關(guān)鍵階段采用了模糊控制方法,這些通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn).充電主程序流程圖如圖猿所示.程序具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:單片機(jī)首先進(jìn)行初始化,然后對(duì)蓄電池的電壓進(jìn)行測(cè)量,產(chǎn)生電壓偏差和變化率信號(hào),偏差及變化率信號(hào)進(jìn)入模糊控制器后,經(jīng)過(guò)模糊處理,輸

10、出電流信息,從而適時(shí)和正確地控制充電方式和過(guò)程.參照充電曲線圖(圖2),在充電過(guò)程中不斷檢測(cè)電池是否充滿,當(dāng)檢測(cè)己經(jīng)充滿時(shí),提示用戶電池已充足,充電器自動(dòng)進(jìn)入浮充維護(hù)狀態(tài).若在充/供電過(guò)程時(shí)出現(xiàn)故障,LPC933 微控制器會(huì)及時(shí)停止輸出并報(bào)故障.模糊處理和終止條件的判決為整個(gè)智能充電器的關(guān)鍵,關(guān)系著充電器性能的好壞. 圖3 充電主程序流程圖 4 充電器的硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)   根據(jù)生產(chǎn)商的銷售市場(chǎng)主要面對(duì)歐美市場(chǎng)同時(shí)兼顧國(guó)內(nèi)的特點(diǎn),硬件設(shè)計(jì)采用跳線的方式使產(chǎn)品可以適應(yīng)110220災(zāi)的電源和1236V的電池.110/220V的交換開關(guān)K1(如圖1所示),可以實(shí)現(xiàn)110V的倍壓整流和220V的全波整流的切換.   直流輸出電路有可擴(kuò)展端口,可以通過(guò)串、并聯(lián)的方式,生產(chǎn)出不同規(guī)格的充電器.可控的充電電流,通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RW1(如圖1 所示),調(diào)高或降低負(fù)反饋的電壓值,可以實(shí)現(xiàn)充電電流在園耀50 A范圍內(nèi)的任意設(shè)定. 5 結(jié)語(yǔ)   隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展以及移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)、電動(dòng)自行車等高附加值產(chǎn)品的普及,越來(lái)越多的產(chǎn)品需要充電的同時(shí),也要求盡可能地延長(zhǎng)電池的壽命.Power Smart公司根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論:若采用合