基于模糊控制的智能充電器的研究與設(shè)計(jì)

李文萱，趙新華

滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽滁州,239000

基于模糊控制的智能充電器的研究與設(shè)計(jì)

李文萱，趙新華

滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽滁州,239000

以鉛蓄電池高效快速充電的實(shí)現(xiàn)依據(jù)入手，結(jié)合模糊控制的基本理論繪制出了鉛蓄電池理想充電的曲線圖。通過分析智能充電裝置結(jié)構(gòu)框圖，對充電裝置的主電路和控制電路進(jìn)了設(shè)計(jì)，主電路采用全控拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制電路包括對單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。敘述了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工作過程中所監(jiān)測的充電電壓、電流和溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。為了充電裝置安全可靠地工作，系統(tǒng)中還設(shè)置了相關(guān)保護(hù)電路。由此可知，以模糊控制思路對鉛酸蓄電池進(jìn)行充電控制所設(shè)計(jì)的智能充電裝置電路是可行的。

模糊控制；智能充電器；充電裝置

由于鉛酸蓄電池電動(dòng)勢較高，放電電流大，同時(shí)具有性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得它在當(dāng)下二次電池中使用最為普遍。因此，在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域以及日常生活中都有廣泛應(yīng)用，在礦井、應(yīng)急設(shè)備、電動(dòng)汽車等方面的應(yīng)用尤為突出。

1 充電裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

鉛酸蓄電池的發(fā)明已有100多年歷史，由于影響鉛酸蓄電池充放電的因素眾多，加上技術(shù)上的不成熟，充電往往以恒壓、恒流等方式進(jìn)行。由于充電方式并沒有真正遵守蓄電池內(nèi)部物理化學(xué)變化規(guī)律，因此不可避免有過充、大量析氣、充電時(shí)間過長等弊端。如何高效、快速地對蓄電池進(jìn)行科學(xué)充電，一直是廣大電池廠家和用戶關(guān)心的問題，這也是關(guān)系到蓄電池的使用、保養(yǎng)以及壽命的問題。

目前也有相當(dāng)部分廠家和用戶采用快速充電技術(shù)，這些快速充電裝置有以下特點(diǎn)：

(1)恒流、恒壓多個(gè)階段相互組合進(jìn)行充電。這種充電方式充電時(shí)間較長，實(shí)際控制效果不好。

(2)制定一個(gè)能夠最接近蓄電池充、放電特性的數(shù)學(xué)模型，通過檢測當(dāng)前時(shí)刻的充電電流，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出下一時(shí)刻的充電電流。該控制方法由于受影響因素較多，實(shí)際控制效果也不好。

2 高效快速充電方法的原理性分析

2.1 高效快速充電的實(shí)現(xiàn)依據(jù)

鉛酸蓄電池采用恒壓充電時(shí)，前期電流較大，容易造成電池?fù)p壞；采用恒流充電時(shí)，前期電池的接受能力較強(qiáng)，一段時(shí)間后接受能力變小[1]。合理的充電方式應(yīng)該是在不同的階段使用不同的電流充電。

高效快速充電的目的就是為了縮短電池充滿電所需的時(shí)間[2]。在充電過程中，限制充電的因素從根本上說還是取決于固體PbSO4的溶解速度，而PbSO4的溶解速度又受到其的表面積、電解液濃度、溫度等諸多因素影響。從外界充電的角度來說，要縮短充電時(shí)間，必須合理加大充電電流，提高離子的擴(kuò)散速度。電池的擴(kuò)散電流密度，也就是推遲電池在充電過程中極限擴(kuò)散電流出現(xiàn)的時(shí)間，即延遲電池電壓達(dá)到析氣電壓的時(shí)間，從而加大充電電流，實(shí)現(xiàn)快速充電[3]。

2.2 模糊理論建立的實(shí)踐依據(jù)

國內(nèi)外有許多專家、學(xué)者對鉛酸蓄電池的快速充電作過研究，其中比較成熟的理論有“馬斯定律”和“鉛酸蓄電池四階動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型”理論?！榜R斯定律”描述了電池容量、電池的充放電歷史以及電池最大可接受充電電流之間的數(shù)量關(guān)系[4]。本設(shè)計(jì)采用“馬斯定律”思想，為了提升電池的充電能力、去除鉛酸蓄電池的極化問題，需要合理地實(shí)施逆向大電流放電。在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)富有經(jīng)驗(yàn)的充電工人，借助常年工作積累的經(jīng)驗(yàn)，則能在充電過程中僅通過測量蓄電池的電壓以及當(dāng)時(shí)蓄電池溫度，就能合理地加大或減小充電電流，在最短時(shí)間內(nèi)有效地完成對蓄電池的充電工作。這也就為模糊控制提供了直接的實(shí)踐依據(jù)。圖1是本文研究要實(shí)現(xiàn)的理想充電曲線圖：系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測跟蹤蓄電池的可接受電流，利用du/dt調(diào)整充電可接受電流大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充電的“智能化”。

圖1 理想充電曲線圖

3 智能充電器的電路設(shè)計(jì)

3.1 智能充電器結(jié)構(gòu)框圖分析

智能充電器結(jié)構(gòu)框圖主要有4個(gè)部分組成，如圖2所示。

(1)主電路:包括三相不可控整流電路，DC/AC逆變電路，低壓側(cè)整流電路，反向放電電路；

(2)驅(qū)動(dòng)電路:由EXB840模塊組成；

(3)控制電路:包括UC3875脈沖發(fā)生電路，單片機(jī)控制電路；

圖2 智能快速充電器的結(jié)構(gòu)框圖

(4)監(jiān)測電路:由電流、電壓及溫度采樣電路，過熱和過電流保護(hù)電路，防反接保護(hù)電路，“看門狗”電路，數(shù)據(jù)顯示電路組成[5]。

3.2 智能充電器的主電路設(shè)計(jì)

圖3 主電路設(shè)計(jì)示意圖

由于快速鉛酸蓄電池充電器的充電電流較大，電力電子器件工作頻率較高，所以本設(shè)計(jì)采用IGBT為主要變流器件。由于設(shè)計(jì)的充電裝置要求輸出電壓在20～32 V之間浮動(dòng)，設(shè)計(jì)輸出功率要達(dá)到3 KW，輸出電流值非常大，最大超過150 A，故不宜采用傳統(tǒng)的AC-DC整流技術(shù)，為此本設(shè)計(jì)采用AC-DC-AC-DC整流技術(shù)。其中AC-DC變換采用三相不可控橋式整流電路，DC-AC變換采用全橋式諧振式逆變電路。主電路設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。

3.3 控制電路的設(shè)計(jì)3.3.1 單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)

控制電路的主要功能是檢測充電狀態(tài)，根據(jù)模糊控制器的輸出值調(diào)節(jié)控制UC3875的相移角度，從而控制充電電壓。另外，還設(shè)計(jì)了LED顯示電路，顯示過熱、反接、過流等保護(hù)電路實(shí)時(shí)相關(guān)參數(shù)。設(shè)計(jì)中，將AT89C51單片機(jī)作為處理核心，整個(gè)控制電路如圖4所示，其中P1口作為控制聯(lián)絡(luò)信號，P3.0作為“看門狗”喂食信號，P0.0～P0.7作為地址、數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用總線。

圖4 智能快速充電器控制電路示意圖

3.3.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

鉛酸蓄電池在充電過程中一旦檢測到極化現(xiàn)象較為嚴(yán)重時(shí)，就得采取高頻反向放電手段，對蓄電池進(jìn)行大電流放電，以達(dá)到消除極化的目的。設(shè)計(jì)要求去極化電流為100 A，由MOSFET和大功率放電電阻串聯(lián)對蓄電池進(jìn)行高頻放電。MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 高頻放電去極化驅(qū)動(dòng)電路圖

MOSFET驅(qū)動(dòng)采用圖騰柱電路，由單片機(jī)送過來的脈沖放電信號經(jīng)7406初次放大后驅(qū)動(dòng)光耦器件LED，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路與主電路的隔離。光耦隔離后的脈沖信號經(jīng)圖騰柱電路進(jìn)行功率放大[6]?？紤]到圖騰柱電路由兩個(gè)三極管組成，如果有一個(gè)管燒壞直通，則可能造成輸出驅(qū)動(dòng)信號恒為高電平，致使MOSFET一直導(dǎo)通大電流放電，導(dǎo)致電池充電失敗、放電電阻過熱、MOSFET溫度過高等一系列事故，所以在驅(qū)動(dòng)信號輸出之前加入了隔直電容和隔直電阻。

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用是不斷監(jiān)測采集鉛酸蓄電池的端電壓、電流以及溫度相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算比較后控制充電電壓[7]。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要性不言而喻，其設(shè)計(jì)的好壞會(huì)直接影響蓄電池充電控制的精確度。

4.1 蓄電池端電壓采集設(shè)計(jì)

圖6 電壓檢測電路圖

本設(shè)計(jì)線性光偶電路如圖6所示，電壓輸入范圍為0～5 V，要求輸出電壓也為0～5 V，目的是為了對主電路和控制電路之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離，確定參數(shù)R1和R2的值。

4.2 蓄電池溫度采集設(shè)計(jì)

如圖7所示，Pt100電阻的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高。本設(shè)計(jì)采用了薄膜式鉑電阻溫度傳感器，它可以安裝在鉛酸蓄電池殼體表面，用于檢測充電過程中電池溫度變化，一般而言，鉛酸蓄電池充電時(shí)溫度不能超過45℃，因而Pt100的實(shí)際變化阻值應(yīng)在100～118 Ω之間。為了使取樣電壓變化范圍盡可能大，取R110=110Ω。

圖7 溫度采集電路圖

4.3 蓄電池充電電流采集設(shè)計(jì)

硬件實(shí)現(xiàn)如下圖8所示,電壓型霍耳元件對充電電流采樣，霍耳規(guī)格300A/5V，送出的電壓信號有兩個(gè)作用：(1)比較器檢測是否過流，如果是，則向UC3875送出過流封鎖信號；(2)送給ADC0809電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)實(shí)時(shí)控制。預(yù)取200 A為過流保護(hù)動(dòng)作電流，此時(shí)霍耳電壓為3.3 V，因此比較器比較電壓為3.3 V，由R103和R104分壓得到，取R103=48.5K,R104=25K，得到比較電壓3.29 V。

圖8 電流采集電路圖

5 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

5.1 過流保護(hù)電路

充電過程中，如果充電電流過大(一般取大于200 A)或者主電路發(fā)生短路，則可能造成蓄電池組以及內(nèi)部硬件燒壞。因此，發(fā)生過流現(xiàn)象時(shí)應(yīng)及時(shí)切斷充電電流[8]。本設(shè)計(jì)過流保護(hù)原理如圖8所示，由霍耳元件檢測充電電流經(jīng)比較器比較后，如果過流則給UC3875送出高電平信號，迫使所有輸出關(guān)斷。

5.2 過熱保護(hù)電路

由于溫度變化沒有電流變化明顯，所以針對過熱采用軟件保護(hù)的方法。充電過程中，單片機(jī)不斷采集溫度，并判斷溫度是否過高(一般取45℃)，過高的話同樣向UC3875輸出高電平信號，封鎖所有的輸出，一直到溫度下降至某個(gè)值時(shí)，恢復(fù)充電。

5.3 蓄電池防反接電路設(shè)計(jì)

蓄電池反接充電時(shí)相當(dāng)于短路狀態(tài)，大電流可能造成蓄電池以及充電裝置的損壞。防反接電路如圖9所示，如果蓄電池反接則發(fā)光二極管燈亮，三極管導(dǎo)通送出低電平信號，單片機(jī)程序運(yùn)行時(shí)一旦檢測到信號為低，則報(bào)警蜂鳴，不執(zhí)行充電過程。

圖9 蓄電池防反接電路圖

5.4 電流限制電路

電路如圖10所示，由于整個(gè)控制過程相當(dāng)于電壓環(huán)控制，根據(jù)控制規(guī)則可能會(huì)得到繼續(xù)增大充電電壓的操作，而實(shí)際電流值已接近或超過功率管所能承受的最大值，因此，在超過系統(tǒng)所能承受最大電流時(shí)，應(yīng)自動(dòng)切換為限流充電模式。

圖10 電路限制電路

6 結(jié)束語

本文主要從充電裝置的發(fā)展現(xiàn)狀以及模糊控制建立的依據(jù)入手，分析了充電裝置的主電路和控制電路的設(shè)計(jì)及工作原理。對其研究過程中牽涉的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和保護(hù)電路等方面作了比較深入的探討,完成了電路方面的研究和設(shè)計(jì)。但文章僅實(shí)現(xiàn)了對智能充電裝置硬件電路方面的設(shè)計(jì)，對軟件方面的研究尚欠缺。例如相關(guān)程序的設(shè)計(jì)、仿真電路的建立和模擬，有望在后續(xù)的研究中繼續(xù)完善。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.12.023

2016-06-10

滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目“可編程序控制器(PLC)”教學(xué)團(tuán)隊(duì)(zlgc2015010)。

李文萱(1982-)，安徽天長人，碩士，講師，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-2006(2016)12-0080-04