1、引言

蓄電池作為儲能電源已廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，但目前成品化蓄電池充電電源的充電方式單一，大部分只有兩級充電模式，有的甚至只有簡單的恒壓或恒流充電方式，使用這些方式為電池組充電時，縮短了蓄電池的壽命，不利于蓄電池的長期有效使用。充電電源的控制技術(shù)目前可大體分為兩類：類采用單片集成PWM控制器件，這類器件具有高、抗干擾性強、開關(guān)頻率高、外接元件少等優(yōu)點；第二類是采用單片機或DSP的控制技術(shù)，該類控制器采用數(shù)字運算，性能穩(wěn)定，能實現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制。本文介紹了一種基于ADUC814單片機與專用集成PWM控制器SG3525的蓄電池充電電源，它結(jié)合了兩類控制技術(shù)的優(yōu)點。

2、充電電源主電路總體設(shè)計框圖

圖1為充電電源的總體設(shè)計框圖。市電輸入后，經(jīng)過整流濾波，再經(jīng)由DC/DC變換電路，生成平滑的直流電用以給蓄電池充電。輸出的電壓或電流檢測信號送至控制芯片SG3525，與單片機所設(shè)定的充電基準電壓比較，將比較的結(jié)果生成可控電壓，用以控制PWM信號輸出，PWM信號再由IR2113專用控制芯片驅(qū)動逆變電路中開關(guān)管的通斷時間，從而達到控制輸出電壓的目的。生成驅(qū)動脈沖的同時，控制芯片SG3525還可以依據(jù)檢測信號進行電路保護，防止過壓、過流。單片機除了對檢測信號進行處理，還可以顯示輸出電壓和電流。

圖1  充電電源的總體設(shè)計框圖

3、硬件電路設(shè)計及器件選擇

3.1、主電路設(shè)計

主電路采用如圖2所示電路，220V交流電經(jīng)由保險絲和EMI濾波，在經(jīng)過橋式整流濾波電路后，得到約300V直流電，經(jīng)過全橋逆變后，在高頻變壓器副邊采用了全波整流和電感電容濾波，終得到額定24V直流輸出，送給蓄電池充電，其輸出功率可達900W。

圖2  主電路

3.2、檢測保護電路設(shè)計

檢測電路部分主要完成對電流、電壓和溫度的檢測。電流、電壓檢測電路目的主要是引入負反饋以便達到恒流、恒壓充電以及故障保護的目的，溫度檢測的目的是為了得到充電過程中電池的溫度參數(shù)，以防過度充電損壞電池。

在設(shè)計輸出電流檢測電路時選用了型號為FSM050LA的霍爾傳感器，將電流檢測結(jié)果以電壓形式輸出，送至SG3525的1腳，同時也將檢測信號送至單片機的AD轉(zhuǎn)換口，以便實時顯示，傳感器參數(shù)中變比為1:1000，設(shè)輸出電流值為30A，則外接檢測電阻RM可按如下式計算，得RM=100Ω。

30*1/100*Rm=3V

在變換器前直流側(cè)同樣采用霍爾傳感器進行檢測，將此信號直接加到SG3525的過流保護腳（10腳）。當(dāng)變換器橋臂因逆變失敗造成短路時，瞬間增大的電流會在逆變橋輸入直流側(cè)表現(xiàn)出來，此時檢測電壓信號被送入SG3525的10腳，與基準電壓1.4V比較，當(dāng)電壓超過1.4V時，輸出脈沖立即被封鎖，達到快速過流保護的目的。

電壓檢測電路的設(shè)計過程和電流檢測電路類似，在此不再贅述。溫度檢測是通過負溫度系數(shù)熱敏電阻來實現(xiàn)的，熱敏電阻兩端的電壓信號通過單片機的ADC通道實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)熱敏電阻電壓與溫度的關(guān)系曲線，得到電池的溫度參數(shù)。

3.3、顯示及報警電路設(shè)計

報警電路由一個三極管放大電路和蜂鳴器組成，如圖3所示。當(dāng)有故障或需要報警時，單片機I/O口輸出高電平，三極管導(dǎo)通，驅(qū)動蜂鳴器鳴叫，同時經(jīng)分壓電阻與單片機I/O相接的LED發(fā)光，實現(xiàn)聲光報警功能。

圖3  報警電路

3.4、脈寬調(diào)制電路設(shè)計

脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計如圖4所示，采用專用集成芯片SG3525，SG3525有兩路反相PWM脈沖輸出，PWM信號再由2片IR2113專用控制驅(qū)動芯片驅(qū)動四個開關(guān)管的通斷，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通時間來調(diào)節(jié)輸出功率。移相PWM的相移控制則是通過芯片內(nèi)部誤差放大器來實現(xiàn)的。誤差放大器的同相端（1腳）接由單片機控制輸出的電壓基準信號，反相端（2腳）接主電路電流或電壓的檢測反饋信號，反饋信號和參考基準比較，控制11腳和14腳兩路脈寬調(diào)制波形輸出之間的相位，從而調(diào)整波形占空比，使電壓和充電電流穩(wěn)定在預(yù)定值上。其中電壓電流反饋信號的切換由肖特基二極管D1和D2的導(dǎo)通截止實現(xiàn)。

脈寬調(diào)制波形的頻率主要取決于SG3525芯片6腳外接的定時電阻Rt、5腳外接的定時電容Ct和放電電阻Rd（連接在5腳與7腳之間的電阻）的大小。它們的關(guān)系滿足公式1：

公式1中f為SG3525的振蕩頻率。

圖4  脈寬調(diào)制控制電路

4、軟件充電控制技術(shù)

充電控制技術(shù)是智能充電器系統(tǒng)軟件設(shè)計中的部分。為了達到充電效果，既實現(xiàn)大電流充電，又同時保護電池，采用多段充電方式，即充電分成涓流、恒流、恒壓、浮充4個階段。

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19V，充電器不工作。若電池電壓大于19V而小于21V，說明蓄電池曾經(jīng)過過度放電，為避免對蓄電池充電時電流過大，造成熱失控，利用單片機監(jiān)測蓄電池的電壓，對蓄電池實施穩(wěn)定的小電流涓流充電，激活蓄電池。當(dāng)電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時，則轉(zhuǎn)入20A大電流恒流充電階段。在恒流充電狀態(tài)下，不斷檢測電池端電壓，當(dāng)電池電壓達到飽和電壓時，恒流充電狀態(tài)終止，轉(zhuǎn)而進入恒壓充電階段，此時充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流減小到額定充電電流的1/10時，轉(zhuǎn)入浮充階段。浮充階段主要用來補充蓄電池自放電所消耗的能量，至此充電過程結(jié)束。

軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5  充電控制流程圖

5、 試驗結(jié)果

基于以上的設(shè)計，搭建了試驗樣機，并測得幾個主要波形如圖6-8所示。圖6為SG3525生成的開關(guān)管的驅(qū)動波形，圖7和圖8分別為高頻變壓器副邊電壓及充電電源輸出電壓的波形。需要特別指出的是，充電電源與電池組之間有一個二極管，因此充電電源輸出電壓和電池組電壓并非總是相等。

從試驗結(jié)果看，在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，驅(qū)動脈沖上升沿有一定的過沖，這主要是由漏感產(chǎn)生的，綜合考慮開關(guān)損耗及開關(guān)管的開啟電壓，設(shè)計達到了驅(qū)動脈沖的要求。圖6的準方波輸出是全橋變換結(jié)構(gòu)兩個橋臂互補對稱導(dǎo)通生成逆變電壓的體現(xiàn)，圖7顯示的輸出電壓穩(wěn)定可靠，紋波電壓小。進一步的試驗表明，該電源的電壓調(diào)整率＜1％。

6、結(jié)束語

本蓄電池智能充電電源的設(shè)計，以高頻開關(guān)電源為主電路，以ADUC814單片機和SG3525為主控芯片，采用四段式充電方式，能夠依據(jù)檢測參數(shù)，自動轉(zhuǎn)換充電狀態(tài)，故障狀態(tài)時具有聲光報警功能。與傳統(tǒng)的蓄電池充電電源相比，該充電電源輸出電壓波動小，穩(wěn)定可靠，可提高充電速度，操作簡單且易于維護，實用前景廣闊。