基于单片机控制的蓄电池容量校核系统设计

潘世丽，汤淋淋

（硅湖职业技术学院，江苏 昆山 215332）

0 引言

电力机车的安全性、可靠性很大一部分是取决于蓄电池技术。过去，由于技术不成熟，蓄电池的充放电、过压、欠压保护的检测都是通过人工操作完成的，精度难以保证，又浪费大量人力物力。伴随着IGBT、GRT等电力电子技术优良开关器件的出现，市面上涌现出大量新型的功率转换电路。本文采用80C196KB单片机，设计了基于单片机控制的蓄电池容量校核系统，介绍了主电路、控制电路的组成以及监控系统硬件接口的工作原理。

1 设计方案

本文设计出当电流为462 A时，蓄电池可以实现自动恒流充电、自动放电的电路，采用BUCK电路结构，实时检测蓄电池充电以及放电电流、蓄电池的容量及蓄电池组总电压，从而自动实现三充两放程序。

主电路结构：如果实验用三相全控桥操控技术，主电路处于整流的状态，则蓄电池开始充电；在放电时，存储在蓄电池里的化学能换成电能，释放到交流电网，可以节约大量能量。SCR是具有不可控性的，因为源逆变易发生颠覆，所以有可能造成逆变的失败，可靠性就会大大降低。为此，选用开关频率高，电流稳定精度高，可靠性高的BUCK电路结构。

控制电路的结构：IGBT集成模块驱动电路—EXB841会作为优先选择，它在体积、效率、可靠性等方面都比分立元件的驱动更具有优势，而且其内部有过流检测及过载慢栅压等控制功能，抗干扰能力强，保护灵敏、可靠快速。采用TL494集成芯片除了可以产生理想的PWM波外，其内部集成的误差放大器可以充分利用，形成电流闭环调节器以实现恒流充放电。高性能的80C196单片机可以实现对电压电流无误的监控调节，满足了电流的高精度等一些技术问题。充电机功率因数相对较高，电流稳定且精度高，无静态可听噪声，电路相对简单，体积较小，分量较轻，成本也较低，性价比极高。

2 系统组成

该系统是由三部分组合而成：BUCK为电路中心的恒流充电、放电主回路；驱动、检测、保护回路；以单片机控制为主的监控电路。系统的组成框如图1所示。

在充电时，触头保持原态,交流源经过三相不控桥整流滤波过后,BUCK电路再向蓄电池组提供电力。80C196KB单片机检测表明，电压达到最大容量的时候,软件控制送入一个低电平,而后接触器线圈KM就会得电,常开闭合则相应触头KM产生动作,常闭断开，电路自动转入向R0放电过程。80C196KB可以控制PWM波的占空比，外围电路构成的PI调节器实现了恒流充放电。本系统还具有过压、过流、过放电保护功能，单片机监控系统具有报警功能。汉显液晶显示可同时显示电压电流状态。单向脉动电压的电路采用的是由二极管构成的整流电路。该设计采用的是三相不控桥式整流方案。为了降低其中的脉动直流分量，必须采用滤波电路，将整流器输出的脉动直流转变成平滑的直流，同时抑制高频干扰。

2.1 充电主回路

恒流充电机主电路如图2所示，开关管由绝缘栅型三极管IGBT为主组合。如果IGBT的占空间比为D,且BUCK电路的输入电压为Ui，设置电路工作处于一种电流连续传输的状态,则输出电压公式为U0=Ui×D；结论表示：改变占空比D就能调节BUCK电路的输出电压U0。

2.2 放电主回路

蓄电池的电路采用直接对电阻放电法。为保证蓄电池的使用寿命，如图3所示的BOOST电路中，电池和电抗器串联造成电流不可突变，蓄电池的恒流放电场合是最合适的方法，缺点是BOOST电路的占空比控制起来相对复杂。BUCK电路具有应用广泛、控制简单的特点。如图4所示，将蓄电池的脉冲放电电流转换为恒定电流后，设置了一个LC滤波电路，目的是保证了蓄电池的电流的恒定。电阻反并联了一个续流的二极管，目的是为了避免等效电感所引起的开关过电压。

2.3 PWM信号产生电路

TL494作为第二代脉宽调制型电路，具有性能优越、价格低廉的特点。它由振荡器、误差放大器、触发器、基准和逻辑等多个电路组合而成。振荡器的频率由外接的Rt和Ct决定，f≈1.1/Rt×Ct。Rt可取1.8～500 kΩ，Ct取 4 700PF～10 μF, 振荡器的频率可达300 kHz。图5所示为PWM波发生电路。

2.4 IGBT-驱动电路

日本富士公司生产的EXB841，它是一个性能良好的IGBT专用驱动芯片。该芯片主要由放大器部分、过电流模块、5 V电压基准部分。管脚6是通过快速二极管VD6连接到集电极。通过检测集电极、发射级的电压来判断IGBT是否会出现短路现象。

如图6所示，主开关管IGBT过电流时，EXB841的5个管脚输出低电平，光耦VL1有输出，EXB841的15管脚被钳位，从而封锁PWM信号，然后实现对EXB841软关断，实现对主开关管IGBT保护作用。

用电压比较器，充电过程中，当传感器检测到的值，大于允许蓄电池充电达到Vmax时，此时VD导通。A点电位为“0”，EXB841的15管脚就会被钳位，从而实现PWM信号的封锁。

（1）单门限电压比较器缺点是抗干扰能力差，优点是高灵敏和简洁。

（2）Vfb中含有噪声和干扰电压时，Vo就会高低不平，导致比较器的不稳定。

（3）引入正反馈网络就构成了迟滞比较器的前提是以反相输入单门限比较器为基础。

（4）正反馈的作用会使比较器的门限电压是随输出电压Vo变化。回差电压为：

2.5 监控电路

80C196KB单片机内部电路主要由八通道模拟多路转换采集模块、10位A/D转换器以及采样保持电路组成。采用逐次比较方式来完成信号的转换，并且A/D输入的电压控制在0～Vref参考电压范围。

RAM和ROM的检测是通过CPU地址总线、数据总线以及存储器相连的。通过送出的地址码来选择RAM或ROM。双向数据通道是由数据总线、CPU和存储器构成。80C196KB单片机是没有提供专门的地址总线、数据总线和控制总线的，而用P3、P4 I/O口作为16位数据和地址复用。图7所示为单片机扩展ROM接线图。图8所示为单片机扩展RAM接线图。

3 结语

本文对蓄电池的主电路、控制电路、检测电路等多个电路结构做了较为详细的介绍，该系统的主要组成是恒流充放电主电路、监控电路。通过80C196KB单片机的控制，系统按照预先设置好的程序，自动对蓄电池的充放电进行检查。

这一系统突出的特点是充放电主回路共用一套BU CK电路装置，通过软件控制接触器KM的吸合从而控制常开常闭触头的动作，达到两种电路的自动切换。