大功率智能充電器的研究與設計

大功率智能充電器的研究與設計

引言

　　由于鉛酸蓄電池維護簡單、價格低廉、供電可靠、使用壽命長，廣泛作為汽車、飛機、輪船等機動車輛或發(fā)電機組的啟動電源，也在各類需要不間斷供電的電子設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)濟的發(fā)展，大容量蓄電池的應用迅速增加，人們希望能快捷、安全地對蓄電池進行充電，而現(xiàn)有市場銷售的充電器充電電流多為20A。為了滿足人們對大功率充電器的需求，設計了一款基于LPC933 充電電流50A、充電功率740W、功能完善、可擴充的智能充電器。

1 充電器原理與設計

1.1 總體硬件設計

　　由于充電對象是鉛酸蓄電池，設計中采用電流、電壓負反饋的方法來達到恒流、恒壓充電的目的，并對充電過程各種工作參量進行實時監(jiān)測及智能多段式充電策略的精確控制，應用了LPC933單片機及相應的控制電路。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，開關K1閉和，單相電源為110 V時，開關K1斷開，經(jīng)全橋整流為300 V左右的直流電，由大電容進行低頻濾波穩(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，通過給MOS 管S1、S2 加高頻方波控制信號，使S1和S2 周期性地導通，可得到脈寬可調的高頻交流電，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，在輸出側得到低紋波直流電壓。顯示模塊是用來顯示電池的當前電壓與充電電流，顯示狀態(tài)由面板上實現(xiàn)按鈕啟動。

1.2 電路功能設計與分析

1.2.1 PWM 寬度設置

　　脈寬調制控制電路采用開關電源專用集成芯片SG3525，SG3525有兩路驅動輸出，OUT-A 與OUT-B 反向輸出，可設置死區(qū)時間。控制過程主要是移動調節(jié)導通的占空比來調節(jié)輸出功率。移相PWM的相移控制是通過誤差放大器來實現(xiàn)的，誤差放大器的同相端E/A （腳2）接由單片機控制輸出的電壓信號。反相端E/A-（腳1）接主電路輸出電流或電壓的反饋信號，電流和電壓負反饋信號之間的切換由肖特基二極管D1 的導通截止實現(xiàn)。反饋信號和標準電位比較，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，最終調整波形占空比，使電壓和充電電流穩(wěn)定在預定值上。

1.2.2 電流采樣

　　電流采樣是大電流充電器的關鍵技術之一。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，設計了在高頻變壓器的初級線圈處增加環(huán)形電流互感器，匝數(shù)比為1：50，不僅達到精確電流采樣的作用，還使采樣功耗控制在0.5W以內。

1.2.3 限流保護措施

　　正常情況下，開關電源應工作在額定輸出功率范圍之內，避免電源工作在超出正常輸出狀態(tài)，但在實際工作中很難預測，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行比較，當輸出電壓過高時，SG3525停止輸出方波驅動信號，從而保護電路。

1.2.4 散熱問題

　　研發(fā)初期發(fā)現(xiàn)，逆變器主要部件兩個大功率開關管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粵時出現(xiàn)過熱問題，無法滿足老化要求。經(jīng)過硬件反復調試發(fā)現(xiàn)，從以下幾個方面可以有效解決過熱的問題。

　　（1）增加交流共模濾波電感，調試發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的高頻干擾信號是造成逆變器開關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)有效地減輕了開關管和全波整流管的負荷；

　　（3）增加散熱面積。使開關管金屬面通過導熱膠片壓在金屬外殼上；

　?。?）風冷。

　　經(jīng)過以上4 個方面的改進，測試證明充電電流達到60粵時能持續(xù)工作4h 以上，完全滿足老化的設計要求。

2 充電控制技術

2.1 充電算法

　　充電控制技術是智能充電器系統(tǒng)中軟件設計的核心部分。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，應用信息技術進行控制，可達到最佳充電效果。為實現(xiàn)大電流充電，又要保護電池，蓄電池采用圖2 所示的充電方式，充電階段可以分成4 個階段。

　　　　　　圖2 充電曲線圖

2.1.1 涓流短時充電

　　充電器開始工作后，首先檢測蓄電池的電池電壓，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，說明蓄電池曾經(jīng)過度放電，為避免對蓄電池充電電流過大，造成熱失控，微處理器通過監(jiān)測蓄電池的電壓，對蓄電池實行穩(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，當電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時，則轉入恒流充電階段。

2.1.2 恒流充電

　　該階段為大電流恒流充電，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)時間為T2，在恒流充電狀態(tài)下，不斷檢測電池端電壓，當電池電壓達到飽和電壓時，恒流充電狀態(tài)終止。

2.1.3 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)，這時充電電流逐漸減小，恒壓充電時，保持充電電壓不變。充電電流不斷下降，當充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10 時，終止恒壓充電。

2.1.4浮充電

　　該階段主要用來補充蓄電池自放電所消耗的能量，電池電壓達到13.8V時，此時標志著充電過程結束。

2.2 充電終止控制

　　電池在充滿電后，如果不及時停止充電，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充電，采用具有定時控制、溫度控制和電池電壓、電流控制功能的綜合控制法。

3 軟件設計

　　因為不同種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)。在充電的關鍵階段采用了模糊控制方法，這些通過程序控制實現(xiàn)。充電主程序流程圖如圖猿所示。程序具體實現(xiàn)過程為：單片機首先進行初始化，然后對蓄電池的電壓進行測量，產(chǎn)生電壓偏差和變化率信號，偏差及變化率信號進入模糊控制器后，經(jīng)過模糊處理，輸出電流信息，從而適時和正確地控制充電方式和過程。參照充電曲線圖（圖2），在充電過程中不斷檢測電池是否充滿，當檢測己經(jīng)充滿時，提示用戶電池已充足，充電器自動進入浮充維護狀態(tài)。若在充/供電過程時出現(xiàn)故障，LPC933 微控制器會及時停止輸出并報故障。模糊處理和終止條件的判決為整個智能充電器的關鍵，關系著充電器性能的好壞。

　
　　　　　　　　　　　　　　圖3 充電主程序流程圖

4 充電器的硬件設計特點

　　根據(jù)生產(chǎn)商的銷售市場主要面對歐美市場同時兼顧國內的特點，硬件設計采用跳線的方式使產(chǎn)品可以適應110~220災的電源和12~36V的電池。110/220V的交換開關K1（如圖1所示），可以實現(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展端口，可以通過串、并聯(lián)的方式，生產(chǎn)出不同規(guī)格的充電器?？煽氐某潆婋娏鳎ㄟ^調節(jié)可調電阻RW1（如圖1 所示），調高或降低負反饋的電壓值，可以實現(xiàn)充電電流在園耀50 A范圍內的任意設定。

5 結語

　　隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展以及移動電話、便攜式計算機、電動自行車等高附加值產(chǎn)品的普及，越來越多的產(chǎn)品需要充電的同時，也要求盡可能地延長電池的壽命。Power Smart公司根據(jù)多次試驗結果得出結論：若采用合適的充電方式，電池的使用壽命大約可提高30%。大量的實驗表明：采用以LPC933 和SG3525 為核心的控制電路設計的智能充電器，能夠實現(xiàn)對鉛酸電池進行大電流的充電，并能夠根據(jù)充電過程自動調整控制參數(shù)以及故障自診斷，可以實現(xiàn)充電過程的無人值守，延長電池的使用壽命。這種技術推廣到市場，必將占有一定的市場份額，從而帶來的社會效益和經(jīng)濟效益。