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基于单片机的脉冲快速充电系统设计

王萌萌?? 刘斌?? 王丹?? 武汉科技大学?? 计算机测量与控制?? 2015年06月05日 ?? 收藏4
铅酸蓄电池由于其技术成熟、成本低、容量大、内阻小、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点而被大多数电动车所使用。但是研究发现,不良的充电方式不仅会直接影响蓄电池的性能,而且对其寿命造成极大影响。所以正确的充电方式对蓄电池寿命有着非常重要的作用。

随着人们对快速充电理论的研究不断深入,电力电子技术应用的日益广泛,铅酸蓄电池快速充电技术也有了进一步改进及进入实用阶段的条件和可能。比如现代脉冲智能充电器以高频开关电源技术为基础,嵌入先进的智能控制数字电路,采用智能检测和控制技术来调节充电器的脉冲输出比例,实现可控去极化功能。在效果方面,电池的充电时间缩短,一定程度提高了电池充电的有效容量,并延长了电池的使用寿命,但同时却没有考虑到充电过程中的功耗问题。

本文采用分级定电流的脉冲快速充电方法,提出了以高频开关电源技术为基础,主要研究以超低功耗MSP430系列单片机作为主控制器的硬件设计和软件设计方案,测试结果表明,该充电方案能有效提高对蓄电池的充电速度,减少充电损耗,使延长蓄电池的使用寿命成为可能。

1 脉冲充电理论

实验证明,蓄电池充电电流接受率由下列三条基本定律决定:

(1)对于任意给定的放电电流来说,蓄电池充电电流接受率,与它已放出电荷量的平方根成反比,即:

脉冲充电理论 (1)

式(1)中:K 为放电电流常数,视放电电流的大小而定;Q 为蓄电池放出的容量。

(2)对于任意给定的放电量,蓄电池充电电流接受率,与蓄电池放电电流Id的对数成正比,即如式(2)所示:I0 =KQlg(KId) (2)

(3)蓄电池以不同的电流放电后,其最终可接受的充电电流(接受能力)等于以各种不同电流放电时的可接受充电电流之和,即:

It =I1+I2+I3+I4+……

因此 at =I0 / Qt(3)

式(3)中:It表示总的可接受电流;Qt表示蓄电池放出的金部电量;at表示总的充电电流接受率。

脉冲快速充电方法正是基于这个理论而提出的一种快速充电方式。

2 充电方法

基于上述理论,并考虑到铅酸蓄电池自身的一些特性,本文研究的快速充电装置所采用的充电方法将整个充电过程分为预充电、脉冲快速充电、补足充电和涓流充电4个阶段。根据蓄电池充电前反馈的技术指标,进入不同的充电阶段。

2.1 预充电

对于长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池进行充电时,一开始就采取快速充电会影响电池的寿命。为了避免这一问题要先对蓄电池实行稳定小电流充电,使蓄电池电压上升,当电压升到能接受大电流充电的阈值时再进行大电流快速充电。

2.2 脉冲快速充电

在快速充电过程中,采用分级定电流脉冲快速充电法,将充电电流分级。开始充电时采用大电流(约1C),随着蓄电池容量的增加,端电压升高,当蓄电池中单格电压达到2.35V即停止第一级充电(约2min)。首先停止充电B (25~40ms),称为前停歇,此阶段可以去除欧姆极化和部分浓差极化;接着再放电或反充电,使蓄电池反向通过一个较大的脉冲电流,脉冲宽度为C (25~200ms),脉冲幅值为2~5倍的充电电流,可以进一步消除浓差极化;然后再停止放电D(25ms),称为后停歇。如此反复,直至蓄电池电压上升至补足充电电压阈值时,转入补足充电阶段。采用这种方法可有效消除充电接近充满时易出现的震荡现象及过充问题。

2.3 补足充电

相对于快速充电阶段,补足充电阶段又可以称为慢速充电阶段。当快速充电阶段终止时,电池并未完全充足,还需加入补足充电过程。补足充电速率一般不超过0.3c,因为电池电压经过快速充电阶段后有所升高,所以补足充电阶段的充电电压也应该有所提升,并且恒定在某一范围之内。此阶段充电采用恒压充电,可使电池容量快速恢复。当电流下降至某一阈值时,转入涓流充电阶段。

2.4 涓流充电

在补足充电阶段后期,当检测到温度上升超过极限值或充电电流减小到一定值之后,开始用更小的电流进行充电直至满足一定的条件后结束充电。此阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量,只要电池接在充电器上并且充电器接通电源,充电器就会给电池不断补充电荷,这样可使电池总处于充足电状态。

3 脉冲快速充电系统硬件设计

3.1 总体设计

该系统硬件电路主要由开关电源电路、充放电控制电路以及显示、报警电路等模块组成。开关电源电路即功率电路为蓄电池提供充电电流和电压,充放电回路中开关管的开关动作去控制蓄电池的充电电压和电流,保证充电过程的正常进行,控制模块的显示、报警电路给用户提供充电状态信息,同时主控芯片输出PWM 信号到驱动电路,控制充放电回路中开关管的导通程度,对蓄电池的充电过程进行控制。系统的硬件结构框图如图1所示。

图1 控制电路硬件设计
图1 控制电路硬件设计

本设计采用TI的16 位单片机MSP430F149。它具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点。其工作电压为1.8V~3.6V;CPU 运行正交的精简指令集,片内寄存器数量多. 存储器可实现多种运算;MSP430F149中断源较多并可任意嵌套,系统处于省电状态,用中断请求唤醒只需6μs:它还具有丰富的片上外围模块,其12位A/D转换器带有内部参考源,采样保持,自动扫描等特性;16位定时器Timer A具有4种工作模式,可同时进行多个捕获/比较功能:48个可达独立编程的I/O口:2个串行通信接口USART0与USARTl:FLASH 存储器多达60KB,擦写次数可达10万次。本系统研究主要是鉴于其低功耗的特点。

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蓄电池? 脉冲快速充电? 低功耗? 开关电源?

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