锌银蓄电池智能充电机设计

孟维艳，周大鹏，陈宁坡，蔡凌云

（1.航空四站装备修理厂，河北石家庄 050071；2.河北省机械行业协会，河北石家庄 050051；3.河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018）

锌银蓄电池智能充电机设计

孟维艳1，周大鹏2，陈宁坡3，蔡凌云3

（1.航空四站装备修理厂，河北石家庄 050071；2.河北省机械行业协会，河北石家庄 050051；3.河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018）

介绍了一种基于单片机与专用集成PWM控制器SG3525的锌银蓄电池充电机。在分析锌银蓄电池特性基础上，采用模糊算法控制和单片机智能控制，对充电状态实时监控，并采用分段式充电方案，提高充电稳定性，克服了电压突变等带来的充电假结束或不饱和的缺点。通过在常规的BUCK充电电路中设计2只开关管轮流导通方式，使开关管工作在轮流导通状态，并通过实验进行验证，解决了驱动电路变压器驱动能力问题。

智能充电；锌银蓄电池；DC/DC；Fuzzy算法

由于锌银蓄电池高能量、高功率比的特点，越来越广泛地应用在军事科技及许多领域上，然而，蓄电池的稳定性和寿命是其性能的重要指标，充电机却是其成功运用的重要装置。现有的充电机大多数采用普通的充电方法，充电电流不稳或充电冲击力大，而且充电时间长，充电过程中需人工监控，容易出现电池欠充、过充和对电池寿命造成破坏的现象。笔者在分析锌银蓄电池特性基础上采用单片机核心控制技术，配合模糊算法控制，实现蓄电池充电智能控制，提高控制精度。采用分段充电方案，保证充电质量，达到锌银蓄电池充电性能指标，提高了电池寿命［1－6］。

1 整体设计

锌银蓄电池智能充电机设计由DC/DC、电流电压采样、单片机、D/A以及显示和操作等部分构成。通过操作部分可设定充电时间、充电电压和电流，通过微处理器来控制设备自动充电，事先把设定的充电电流值以程序方式写入单片机，充电时按设定值送入PWM波发生电路，产生PWM波控制DC/DC电路输出平稳充电电压。并对输出电流、电压进行数据采样之后与给定值比较，从而调整和控制充电机充电工作状态。同时系统也对电池的电压、电流进行显示和监控。系统结构图如图1所示。

图1 总系统结构图Fig.1 System block diagram

2 蓄电池充电机控制电路设计

2.1 充电机主控制电路设计

充电机的控制电路主要由充电控制和采样控制2部分构成，微处理器是其核心处理部分。采用AVR高速微控制器ATmega16。设计时通过控制电路给定电流值，给定电流与反馈电流比较后经采样D/A转换调理送至SG3525PWM波产生电路，SG3525对经过内部和外围处理电路产生PWM波输送到电源开关电路中的Q管驱动上，控制MOSFET开关，同时将蓄电池的充电电流和电压A/D采样后反馈到主控电路单片机中，从而实现闭环控制。控制总体电路框图如图2所示。单片机通过高精度A/D采样转换器ADC7705分别对电源输出电压u和输出电流i进行采样检测，采用Fuzzy算法控制，经 D/A 模块转化后控制SG3525。实现PWM脉冲信号的生成。本系统设计时由SG3525芯片两输出引脚产生相位差为180°的PWM波经变压器后产生两路反向互补方波来控制MOSFET的导通与关闭。

2.2 SG3525 PWM波产生控制驱动电路

设计采用SG3525作为Q管PWM脉宽专用驱动芯片，SG3525是电流型PWM波产生控制器，对于N沟道MOSFET特别适用。芯片内部带有振荡器，R1，C2分别为振荡器的振荡电阻和电容，振荡器的振荡频率f由外接电阻RT和电容CT获得，f＝1/（RTCT）。通过调节SG3525第6脚R1上的阻值或电流大小可以改变振荡频率的大小，该电路中SG3525生成的PWM控制脉冲频率可通过式（1）计算：

另外，SG3525还能够直接驱动变小功率变压器。如图2所示，将变压器T1一次绕组的两端分别直接接到SG3525的2个输出端11和14引脚上，则在死区时间内可以实现变压器的自动复位。

2.3 充电方案分析

锌银蓄电池的氧化银电极充电如图3所示，因氧化银电极特性该曲线具有阶梯型特征，各充电阶段所对应的化学反应方程式如下所示。

图2 蓄电池主控制电路图Fig.2 Main control circuit of batteries

图3 锌银蓄电池充电曲线图Fig.3 Zinc－silver battery charging curve

在AB段：2Ag＋2OH－＝Ag2O＋H2O＋2e，反应开始时，在金属银与电解液的界面上进行，随后逐渐生成Ag2O，Ag2O的增加慢慢取代了电极上的Ag，Ag的面积逐渐减小，电流密度越来越大，电位越来越高。由于可氧化Ag面积逐渐减小，电极逐渐到钝化状态，电位大幅度上升，化学反应急促变化，方程为Ag2O＋2OH－＝2AgO＋H2O＋2e，反应到达C段时，因该反应剧烈，导致电压突变，出现了充电结束的现象。

根据锌银蓄电池特点和充电现象将充电分为2次进程，第1次充电进程参数设置为终止电压12.75 V，充电时间300 min，充电电流5 A，充电到达5 h后，达到充电的高峰值，此时充电第1进程结束，避开充电高峰值，然后进入第2进程充电，参数设置为充电电流5 A，终止电压12 V，充电时间360 min，因此克服了充电过程中假结束或不饱和的缺点。

3 DC/DC设计

DC/DC电路的设计方式有多种，传统的DC/DC电路虽然能给电池充满电，但电量比较虚，不能满足电量指标要求，本设计在DC电路的基础上通过控制各开关管Q1，Q2的轮流导通的方式，可使充电效率提高，避免充电不满或假饱和现象。充电机主充电电路如图4所示。

采用单端变换器应用的方式时。即采用T1单端输出控制单个Q管，当内部输出晶体管开通时，Q1导通，因此其开关频率等于内部振荡器的频率。由于采用T1为驱动变压器，只是一个方向导通，T1磁饱和，驱动能力达不到100%。由于输出电容的储能功能，使电压达到设定值，但能量达不到。且在调试过程中，输出电压达不到设计功率的要求。用示波器检测开关管Q1的漏极与源极之间的波形如图5所示：脉宽最大达到50%，不能达到设计的100%的输出。

由图4可见，采用2只开关管轮流导通，每只管子导通50%的导通时间，即在导通周期T时间内，可以分为3部分，T＝t1＋t2＋t3。t1为Q1导通时间，t2为Q2导通时间，t3为截止时间。加电实验后，工作正常。漏、源极之间的波形如图6所示。这样解决了驱动电路变压器单方向导通时的磁饱和问题，使在充电时间内克服了因受电路影响而致使充电进程受到影响造成的充电电压和能量不能满足要求的缺点。

图4 充电机主充电电路Fig.4 Main charging circuit of charger

4 控制算法设计

电源在工作过程中，随着充电时间的积累，负载参数发生了一定的变化，使充电电路也受到频率幅度等变化影响，导致充电输出电压和电流达不到指标给定值，同时负载性能功率因数也会下降，这可通过调整驱动电源电路的PWM波脉宽占空比来实现调节。Fuzzy算法控制具有动态性能好、强鲁棒性的优点，对被控对象模型的参数及结构的改变能较好的适应，Fuzzy控制算式加有调整因子，算法公式为

式中：α为调整因子；E为误差，EC为误差变化率的量化等级；UC为输出量化等级。经过仿真运算和分析，对于α，取值较小时，系统超调小，响应比较慢；取值大时，系统超调大，响应较快。因此，对于每一个等级误差引入各自适合的α，构成带有多个调整因数的控制规则。总控制算法公式如式（3）所示。

式（3）中的加权因子α0，α1，α2，α3，α4，α5∈（0，1），通过多次仿真实验调整，当α0＝0.45，α1＝0.51，α2＝0.56，…，α5＝0.76时，控制效果最好。Fuzzy控制程序和系统总控制程序流程图如图7所示。

图7 控制算法控制流程图Fig.7 Control flow chart to Control algorithm

5 结 语

针对锌银蓄电池的特性，从充电方法和充电电路设计2方面对锌银蓄电池充电机进行设计，采用单片机作为控制核心智能控制，实时电流电压采样，对充电电池监控和保护，采用专用PWM波集成芯片SG3525和单片机共同控制，结构简单，调试方便，还可通过键盘操作模块进行充电设定和调整，显示部分显示数据，该充电方案能有效地保护和改善蓄电池寿命和容量，提高充电效率，满足充电指标要求。

［1］汪殿龙，王 军，胡云岩，等.大功率高效率无源谐振软开关Boost DC－DC变换器［J］.河北科技大学学报，2009，30（4）：323－327.

［2］孟维艳，吕永超，陈卫华.智能充放电设备给航空锌银蓄电池充电的故障分析［J］.长沙航空职业技术学院学报，2011，11（3）：54－56.

［3］姚志树，周云龙.基于单片机和SG3525的程控开关电源设计［J］.江苏技术师范学院学报，2010，16（9）：29－31.

［4］ANG S，OLIVA A.开关功率变换器：开关电源的原理、仿真和设计［M］.第2版.徐德鸿译.北京：机械工业出版社，2011.

［5］胡力刚，许伟明.基于单片机的开关电源检测系统的研制［J］.自动化仪表，2010，31（1）：68－71.

［6］刘教民，李建文，崔玉龙，等.多重化大容量制氢电源的研究［J］.河北科技大学学报，2011，32（1）：26－29.

Design of smart zinc－silver battery charger

MENG Wei－yan1，ZHOU Da－peng2，CHEN Ning－po3，CAI Ling－yun3
（1.Repair Equipment Factory of Aircraft Station Four，Shijiazhuang Hebei 050071，China；2.Association of Machinery Industry in Hebei Province，Shijiazhuang Hebei 050051，China；3.College of Information Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

A smart zinc－silver battery charger based on single－chip and application－specific integrated PWM controller SG3525 is proposed.The silver－zinc battery characteristics is analyzed，Fuzzy algorithm control and MCU intelligent control are used to monitor the state of charge，and segmented charging program is adopted to improve the charge stability，which overcomes the shortcomings of the false end of charging or unsaturated charging brought by the voltage mutations.Two switch tubes of rotation conduction are added to the conventional BUCK charging circuit，The design，verified by experiments，solves the problem of drive capability of the drive circuit transformer.

intelligent charging；zinc－silver battery；DC/DC；Fuzzy algorithm

TM912

A

1008－1534（2012）04－232－04

2012－03－19

李 穆

孟维艳（1972－），女，河北石家庄人，工程师，主要从事电器设备方面的研究。