基于DSP的蓄电池充放电控制系统设计

叶天凤

(湖北理工学院电气与电子信息工程学院，湖北黄石435003)

0 引言

随着全球经济的快速发展，对能源的需求急剧增加。像石油、煤等不可再生能源正日益枯竭，且所造成的环境污染日益严重。因此绿色能源成为了目前开发的主要能源，如风能、太阳能等，但是这些能源的可调度性较弱，且随机性较强[1]，因此需要相应的储能装置，使得在无风或无阳光的情况下还能继续供电，从而提高绿色能源供电系统的可靠性。蓄电池是目前应用非常广泛的储存电能的装置，它对UPS不间断电源、可再生能源的利用等领域的发展有重要的意义。充放电控制系统是蓄电池最关键的部分，若此系统没有设计好，那么蓄电池的充电效率就比较低。本充放电控制系统是以TMS320LF2407 DSP为核心而构建的。

1 系统总体方案设计

1.1 系统功能

系统主要完成对蓄电池两端电压、电解液温度、电流及电池内阻的监测，通过监测到的参数，来改变蓄电池的充电方式，控制每种方式下的充电时间以及蓄电池端电压的变化等。另外还可实现放出的电能回馈给充电侧，提高电能的利用率，从而达到节能的目的。此外还附加了报警、过温保护、过流与过压保护等功能，提高了充电效率且延长了使用寿命。

在传统充放电方式中[2]，大多采用晶闸管变流方式，采用这种方式时，网侧功率因数低，且谐波污染严重，这与我国绿色产业的宗旨是违背的。本设计采用PWM变流技术，可使系统运行于单位功率因数，大大减少了其对电网的谐波污染。

1.2 系统设计方案

系统主要由三相电压型PWM整流电路、温度采集模块、电流及电压检测模块、信号调理模块、过温保护模块、过流保护模块、过压保护模块及报警模块等组成。本系统总体设计方案框图如图1所示。

图1 总体设计方案框图

图1中的eab为交流侧的线电压，ia、ib分别为交流侧A相、B相的相电流，Idc为充电电流，Udc为充电电压。

为了达到节能目的，在充电与放电回路中间串接了一个续流二极管。通过此续流二极管将蓄电池放出来的能量回馈给充电电路侧，提高能量的利用率。

由于市网不能直接给蓄电池充电，本设计采用的是三相电压型PWM整流电路，将市网的交流电变为直流电。整流电路的核心部件为全控型电压驱动式功率开关元件 IGBT，其导通与截止是由DSP产生的PWM波控制的。但DSP产生的PWM波不足以直接驱动IGBT，在DSP与IGBT之间必须增加IGBT驱动电路。由DSP输出的PWM信号去控制IGBT的开与关，从而实现对蓄电池进行脉冲充电的功能。脉冲充电[3]可以很好地减少蓄电池析出的气体，改善由于极化现象而带来的能量浪费，同时此方法还可以起到去硫化作用，从而提高了蓄电池的充电效率，对电池还有修复作用，延长了电池寿命。通过DSP相应的模数转换接口可以检测充电的电压、电流及电池的温度等参数。

在本方案中，温度采集是通过温度传感器DS18B20，它能测量出电池的温度，将测出的温度转换为电量传给 DSP，以方便后面的控制。在交流侧由电感和电容组成低通滤波器，滤除电流中的开关谐波。

TMS320LF2407 DSP现在被广泛用于控制方面，其技术比较成熟，芯片的价格也比较便宜，运行速度快，还有一个优点是其资源丰富[4]，将 AD、SPI、SCI、CAN、看门狗定时器、数字I/O、事件管理器EVA、EVB等模块集成于一体，有40个通用的I/O引脚。本方案的PWM波由DSP内部事件管理器的全比较单元产生，PWM波的周期可以通过捕获单元CAP得知。

2 硬件设计

2.1 系统主电路设计

通过三相可控整流电路将市网220V交流电变为直流电给蓄电池充电，三相可控整流电路如图2所示。采用双向升降压电路控制电池的电流和电压，此电路是完成充放电过程能量双向流动的关键。将蓄电池电压、电流和温度通过相关的电路送入DSP的ADC通道中，根据采样信号并通过相关的算法实现对蓄电池快速脉冲充电。在控制蓄电池的电流、电压时，采用的是升压和降压交替工作，为了减少高频开关损耗，在开关管IGBT两端并接一续流二极管。蓄电池充电的主要电路如图3所示。

图2 三相可控整流电路

图3 蓄电池充电的主要电路

2.2 IGBT 驱动电路

由TMS320LF2407 DSP产生的PWM信号电压为0～3.3 V，而 IGBT的驱动电压是 -5～15 V，所以不能直接用DSP产生的PWM信号直接驱动IGBT。另外整流桥在工作的时候，6个开关器件都不共地。为了实现控制回路和主电路的电气隔离，需要用驱动隔离放大电路将DSP输出的PWM信号进行隔离并放大，使IGBT正常的导通与关断。IGBT驱动电路如图4所示。

图4 IGBT驱动电路

2.3 电压检测电路

蓄电池两端的电压是很重要的参数，一般是通过该参数才能得知蓄电池是否充满或放电是否结束，或者由该值判断电池充放电应该进入哪一个阶段，比如是恒压阶段还是涓流阶段等。本设计采用型号为JLBV300FA的电压互感器对电池两端的电压进行采集，并送至DSP的 ADCIN01接口，将模拟电压信号转换为数字信号，用于算法控制。电压检测电路如图5所示。

图5 电压检测电路

2.4 电流检测电路

本系统的充放电主要是通过恒流来实现的，所以电流是系统控制的另外一重要对象。在此采用型号为CHB-25NP的霍尔电流传感器来检测，霍尔传感器[5]利用霍尔效应，测量电路和输出电路完全绝缘，脉动电流频率可达100kHz，应用范围广。另外考虑到准确度和抗干扰能力，本设计采取二阶滤波电路，其中R2为采样电阻，将采样到的电流转换为电压，经过二阶滤波和电压跟随器之后送入DSP的ADCIN02接口，其电路如图6所示。

图6 电流检测电路

3 软件设计

3.1 TMS320LF2407 DSP资源的配置

TMS320LF2407 DSP芯片多数引脚为复用引脚，在实际应用过程中根据具体的要求可配置为通用I/O、PWM输出、捕获CAP引脚或外部中断引脚等。在本设计中，选 IOPA6～7、IOPB0～3及 IOPE1～2作为 PWM输出引脚，这些引脚输出的PWM波具有死区控制特性;将IOPA5作为捕捉CAP引脚，来检测电网的同步信号。可通过捕捉的时刻，获得每一个PWM波的周期。

3.2 软件设计流程

本控制系统主要是为了提高电动车蓄电池组的充放电效率以及防止出现过充、过放等现象而设计的。系统中蓄电池充放电采用的是三阶段定脉冲充放电控制策略，即先恒流充电，接着恒压充电，最后浮充电。在充电过程中，为防止电池在充电过程中受到损伤，在恒流充电时，必须使电池输出的最大电压小于最大限制电压;而在恒压充电阶段，必须保证输出电流不能超过电池的最大电流限制。为了保证不同阶段能够较好地完成自动转换，根据采集到的蓄电池组端电压、电流及温度等信号，本设计采用分区PI算法，产生相应的PWM波控制信号来驱动IGBT做相应的开关动作。

以36V10Ah蓄电池组为例，其工作电压范围一般在31.5～41V之间。系统的整体软件程序设计流程如图7所示，图中V为蓄电池组电压，I为电流。

图7 整体软件设计流程图

4 结束语

以DSP为控制核心的充放电控制系统，采用了PWM变流技术以及能量反馈技术，提高了网侧功率因数，降低了谐波污染，同时提高了蓄电池的充电效率，在设计成本及复杂度上也有所降低。

[1]王源.电动车用动力铅酸蓄电池快速充电技术研究[D].北京:中国农业大学，2000

[2]Wu T F，Chen Y K.Modeling PWM DC-DC Converters Out of Basic Converter Unit[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2001，12(4):870-881

[3]王艳茹.脉冲充电提高铅蓄电池充电效率的研究[J].电池工业，2010(4):222-225

[4]周志敏，周纪海，纪爱华.充电器电路设计与应用[M].北京:人民邮电出版社，2005:5-68

[5]秦祖荫.霍尔电流传感器的性能及其使用[J].电力电子技术，1994(4):63-65