基于DSP的蓄電池充放電控制系統(tǒng)設計

葉天鳳

(湖北理工學院電氣與電子信息工程學院，湖北黃石435003)

0 引言

隨著全球經濟的快速發(fā)展，對能源的需求急劇增加。像石油、煤等不可再生能源正日益枯竭，且所造成的環(huán)境污染日益嚴重。因此綠色能源成為了目前開發(fā)的主要能源，如風能、太陽能等，但是這些能源的可調度性較弱，且隨機性較強[1]，因此需要相應的儲能裝置，使得在無風或無陽光的情況下還能繼續(xù)供電，從而提高綠色能源供電系統(tǒng)的可靠性。蓄電池是目前應用非常廣泛的儲存電能的裝置，它對UPS不間斷電源、可再生能源的利用等領域的發(fā)展有重要的意義。充放電控制系統(tǒng)是蓄電池最關鍵的部分，若此系統(tǒng)沒有設計好，那么蓄電池的充電效率就比較低。本充放電控制系統(tǒng)是以TMS320LF2407 DSP為核心而構建的。

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要完成對蓄電池兩端電壓、電解液溫度、電流及電池內阻的監(jiān)測，通過監(jiān)測到的參數，來改變蓄電池的充電方式，控制每種方式下的充電時間以及蓄電池端電壓的變化等。另外還可實現放出的電能回饋給充電側，提高電能的利用率，從而達到節(jié)能的目的。此外還附加了報警、過溫保護、過流與過壓保護等功能，提高了充電效率且延長了使用壽命。

在傳統(tǒng)充放電方式中[2]，大多采用晶閘管變流方式，采用這種方式時，網側功率因數低，且諧波污染嚴重，這與我國綠色產業(yè)的宗旨是違背的。本設計采用PWM變流技術，可使系統(tǒng)運行于單位功率因數，大大減少了其對電網的諧波污染。

1.2 系統(tǒng)設計方案

系統(tǒng)主要由三相電壓型PWM整流電路、溫度采集模塊、電流及電壓檢測模塊、信號調理模塊、過溫保護模塊、過流保護模塊、過壓保護模塊及報警模塊等組成。本系統(tǒng)總體設計方案框圖如圖1所示。

圖1 總體設計方案框圖

圖1中的eab為交流側的線電壓，ia、ib分別為交流側A相、B相的相電流，Idc為充電電流，Udc為充電電壓。

為了達到節(jié)能目的，在充電與放電回路中間串接了一個續(xù)流二極管。通過此續(xù)流二極管將蓄電池放出來的能量回饋給充電電路側，提高能量的利用率。

由于市網不能直接給蓄電池充電，本設計采用的是三相電壓型PWM整流電路，將市網的交流電變?yōu)橹绷麟?。整流電路的核心部件為全控型電壓驅動式功率開關元件 IGBT，其導通與截止是由DSP產生的PWM波控制的。但DSP產生的PWM波不足以直接驅動IGBT，在DSP與IGBT之間必須增加IGBT驅動電路。由DSP輸出的PWM信號去控制IGBT的開與關，從而實現對蓄電池進行脈沖充電的功能。脈沖充電[3]可以很好地減少蓄電池析出的氣體，改善由于極化現象而帶來的能量浪費，同時此方法還可以起到去硫化作用，從而提高了蓄電池的充電效率，對電池還有修復作用，延長了電池壽命。通過DSP相應的模數轉換接口可以檢測充電的電壓、電流及電池的溫度等參數。

在本方案中，溫度采集是通過溫度傳感器DS18B20，它能測量出電池的溫度，將測出的溫度轉換為電量傳給 DSP，以方便后面的控制。在交流側由電感和電容組成低通濾波器，濾除電流中的開關諧波。

TMS320LF2407 DSP現在被廣泛用于控制方面，其技術比較成熟，芯片的價格也比較便宜，運行速度快，還有一個優(yōu)點是其資源豐富[4]，將 AD、SPI、SCI、CAN、看門狗定時器、數字I/O、事件管理器EVA、EVB等模塊集成于一體，有40個通用的I/O引腳。本方案的PWM波由DSP內部事件管理器的全比較單元產生，PWM波的周期可以通過捕獲單元CAP得知。

2 硬件設計

2.1 系統(tǒng)主電路設計

通過三相可控整流電路將市網220V交流電變?yōu)橹绷麟娊o蓄電池充電，三相可控整流電路如圖2所示。采用雙向升降壓電路控制電池的電流和電壓，此電路是完成充放電過程能量雙向流動的關鍵。將蓄電池電壓、電流和溫度通過相關的電路送入DSP的ADC通道中，根據采樣信號并通過相關的算法實現對蓄電池快速脈沖充電。在控制蓄電池的電流、電壓時，采用的是升壓和降壓交替工作，為了減少高頻開關損耗，在開關管IGBT兩端并接一續(xù)流二極管。蓄電池充電的主要電路如圖3所示。

圖2 三相可控整流電路

圖3 蓄電池充電的主要電路

2.2 IGBT 驅動電路

由TMS320LF2407 DSP產生的PWM信號電壓為0～3.3 V，而 IGBT的驅動電壓是 -5～15 V，所以不能直接用DSP產生的PWM信號直接驅動IGBT。另外整流橋在工作的時候，6個開關器件都不共地。為了實現控制回路和主電路的電氣隔離，需要用驅動隔離放大電路將DSP輸出的PWM信號進行隔離并放大，使IGBT正常的導通與關斷。IGBT驅動電路如圖4所示。

圖4 IGBT驅動電路

2.3 電壓檢測電路

蓄電池兩端的電壓是很重要的參數，一般是通過該參數才能得知蓄電池是否充滿或放電是否結束，或者由該值判斷電池充放電應該進入哪一個階段，比如是恒壓階段還是涓流階段等。本設計采用型號為JLBV300FA的電壓互感器對電池兩端的電壓進行采集，并送至DSP的 ADCIN01接口，將模擬電壓信號轉換為數字信號，用于算法控制。電壓檢測電路如圖5所示。

圖5 電壓檢測電路

2.4 電流檢測電路

本系統(tǒng)的充放電主要是通過恒流來實現的，所以電流是系統(tǒng)控制的另外一重要對象。在此采用型號為CHB-25NP的霍爾電流傳感器來檢測，霍爾傳感器[5]利用霍爾效應，測量電路和輸出電路完全絕緣，脈動電流頻率可達100kHz，應用范圍廣。另外考慮到準確度和抗干擾能力，本設計采取二階濾波電路，其中R2為采樣電阻，將采樣到的電流轉換為電壓，經過二階濾波和電壓跟隨器之后送入DSP的ADCIN02接口，其電路如圖6所示。

圖6 電流檢測電路

3 軟件設計

3.1 TMS320LF2407 DSP資源的配置

TMS320LF2407 DSP芯片多數引腳為復用引腳，在實際應用過程中根據具體的要求可配置為通用I/O、PWM輸出、捕獲CAP引腳或外部中斷引腳等。在本設計中，選 IOPA6～7、IOPB0～3及 IOPE1～2作為 PWM輸出引腳，這些引腳輸出的PWM波具有死區(qū)控制特性;將IOPA5作為捕捉CAP引腳，來檢測電網的同步信號?？赏ㄟ^捕捉的時刻，獲得每一個PWM波的周期。

3.2 軟件設計流程

本控制系統(tǒng)主要是為了提高電動車蓄電池組的充放電效率以及防止出現過充、過放等現象而設計的。系統(tǒng)中蓄電池充放電采用的是三階段定脈沖充放電控制策略，即先恒流充電，接著恒壓充電，最后浮充電。在充電過程中，為防止電池在充電過程中受到損傷，在恒流充電時，必須使電池輸出的最大電壓小于最大限制電壓;而在恒壓充電階段，必須保證輸出電流不能超過電池的最大電流限制。為了保證不同階段能夠較好地完成自動轉換，根據采集到的蓄電池組端電壓、電流及溫度等信號，本設計采用分區(qū)PI算法，產生相應的PWM波控制信號來驅動IGBT做相應的開關動作。

以36V10Ah蓄電池組為例，其工作電壓范圍一般在31.5～41V之間。系統(tǒng)的整體軟件程序設計流程如圖7所示，圖中V為蓄電池組電壓，I為電流。

圖7 整體軟件設計流程圖

4 結束語

以DSP為控制核心的充放電控制系統(tǒng)，采用了PWM變流技術以及能量反饋技術，提高了網側功率因數，降低了諧波污染，同時提高了蓄電池的充電效率，在設計成本及復雜度上也有所降低。

[1]王源.電動車用動力鉛酸蓄電池快速充電技術研究[D].北京:中國農業(yè)大學，2000

[2]Wu T F，Chen Y K.Modeling PWM DC-DC Converters Out of Basic Converter Unit[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2001，12(4):870-881

[3]王艷茹.脈沖充電提高鉛蓄電池充電效率的研究[J].電池工業(yè)，2010(4):222-225

[4]周志敏，周紀海，紀愛華.充電器電路設計與應用[M].北京:人民郵電出版社，2005:5-68

[5]秦祖蔭.霍爾電流傳感器的性能及其使用[J].電力電子技術，1994(4):63-65