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充电过程三个阶段具体控制策略如下:
(1)大电流恒流阶段。充电初期,当电池端压小于12 V时,表示电池电量较低,可以采用大电流进行恒流充电,使蓄电池在较短的时间内尽量充入较多的电量。当蓄电池的端电压上升到14.7 V时,水开始分解,产生极化和析气现象,此时停止充电。一段时间后,转入下一阶段。
(2)正负脉冲快速充电阶段。在脉冲的停歇阶段,随着充电电流的消失,极化现象部分消失。接着再放电,使蓄电池反向通过较大电流,可以消除析气现象产生的气体,并进一步消除极化现象,使蓄电池接受电量的速度加快。将此阶段再细分为三级,使充电电流接近蓄电池可接受充电电流,从而在快速充电的同时,不会对蓄电池造成损坏。
(3)恒压补足充电阶段。经过前两个阶段以后,并不能保证蓄电池电量已充满。此时,还应进行恒压补足充电。此阶段充电电流逐渐减小,当检测到电流下降到某一阈值时,停止充电。此时也标志着充电过程完全结束。
2 硬件电路设计
2.1 系统结构
系统结构如图2所示,主要由功率变换电路和智能控制电路组成。功率变换的作用是向蓄电池提供所需的电压、电流;智能控制电路的作用是检测蓄电池的电流、电压、温度等参数,通过数字PI闭环调节,按照提出的充电控制策略,来实现蓄电池智能充电。
2.2 功率变换电路
由于系统电路功率约在150W,故采用成本较低的单端正激DC/DC变换电路,如图3所示。首先将220V,50Hz工频交流市电连接EMI滤波器,经过整流滤波,接入DC/DC单端正激变换电路,再通过LC滤波后得到直流电源。调节单片机的PWM占空比,来控制N-MOS管Q3的导通关断,进而得到所需的直流电压和电流。同时利用两个N-MOS管Q1和Q2的间歇导通和关断来控制充电和放电脉冲的幅值和时间。Q1导通Q2关断时,实现正脉冲充电;Q2导通Q1关断时,实现负脉冲放电。
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2.3 智能控制电路及辅助电源
为防止高频功率电路对数字控制电路的干扰,系统利用高速光耦将两个电路隔离。因此,智能控制电路必须单独供电,辅助电源模块如图4所示。利用小功率交流变压器将交流市电降压到12 VAC,整流滤波后利用L7805实现+5 VDC稳压输出。
3 系统软件设计
系统软件的主要功能:通过对蓄电池电压,电流的检测使其进入相应的充电阶段,在相应的阶段内,利用数字PI控制算法不断调节单片机的PWM输出占空比,以实现所要求的恒定电流或电压值。同时检测各阶段蓄电池的温度值,若超过45℃,则报警并停止充电,此时启动散热风扇,给蓄电池降温,直到温度恢复到20℃以内。具体控制流程,如图5所示。
4 结束语
系统采用单片机数字PI控制技术与高效、低损耗的DC/DC变换电路相结合。由于单片机运算速度的限制,不可能实现精确的电压和电流输出,但对于蓄电池来说适当的电压和电流的纹波,反而有利于消除充电过程中的极化现象,更有利于充电的进行。与传统恒压恒流充电器充电相比,开发的智能充电器具有以下优点:充电速度显著提高,充电安全,电池升温低,减少了对蓄电池容量和寿命的影响;同时利用价格低廉的单片机来代替昂贵的电源管理IC,实现电源智能化管理,使其具有很强的市场竞争力。
文中完成对12 V/12 Ah蓄电池进行充电控制及其控制策略的开发、研究,该系统及其控制策略对电动车动力蓄电池充电系统的开发、应用,具有实际借鉴意义。
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