孟維艷，周大鵬，陳寧坡，蔡凌云

（1.航空四站裝備修理廠，河北石家莊 050071；2.河北省機(jī)械行業(yè)協(xié)會(huì)，河北石家莊 050051；3.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

鋅銀蓄電池智能充電機(jī)設(shè)計(jì)

孟維艷1，周大鵬2，陳寧坡3，蔡凌云3

（1.航空四站裝備修理廠，河北石家莊 050071；2.河北省機(jī)械行業(yè)協(xié)會(huì)，河北石家莊 050051；3.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

介紹了一種基于單片機(jī)與專(zhuān)用集成PWM控制器SG3525的鋅銀蓄電池充電機(jī)。在分析鋅銀蓄電池特性基礎(chǔ)上，采用模糊算法控制和單片機(jī)智能控制，對(duì)充電狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并采用分段式充電方案，提高充電穩(wěn)定性，克服了電壓突變等帶來(lái)的充電假結(jié)束或不飽和的缺點(diǎn)。通過(guò)在常規(guī)的BUCK充電電路中設(shè)計(jì)2只開(kāi)關(guān)管輪流導(dǎo)通方式，使開(kāi)關(guān)管工作在輪流導(dǎo)通狀態(tài)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，解決了驅(qū)動(dòng)電路變壓器驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題。

智能充電；鋅銀蓄電池；DC/DC；Fuzzy算法

由于鋅銀蓄電池高能量、高功率比的特點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在軍事科技及許多領(lǐng)域上，然而，蓄電池的穩(wěn)定性和壽命是其性能的重要指標(biāo)，充電機(jī)卻是其成功運(yùn)用的重要裝置?，F(xiàn)有的充電機(jī)大多數(shù)采用普通的充電方法，充電電流不穩(wěn)或充電沖擊力大，而且充電時(shí)間長(zhǎng)，充電過(guò)程中需人工監(jiān)控，容易出現(xiàn)電池欠充、過(guò)充和對(duì)電池壽命造成破壞的現(xiàn)象。筆者在分析鋅銀蓄電池特性基礎(chǔ)上采用單片機(jī)核心控制技術(shù)，配合模糊算法控制，實(shí)現(xiàn)蓄電池充電智能控制，提高控制精度。采用分段充電方案，保證充電質(zhì)量，達(dá)到鋅銀蓄電池充電性能指標(biāo)，提高了電池壽命［1－6］。

1 整體設(shè)計(jì)

鋅銀蓄電池智能充電機(jī)設(shè)計(jì)由DC/DC、電流電壓采樣、單片機(jī)、D/A以及顯示和操作等部分構(gòu)成。通過(guò)操作部分可設(shè)定充電時(shí)間、充電電壓和電流，通過(guò)微處理器來(lái)控制設(shè)備自動(dòng)充電，事先把設(shè)定的充電電流值以程序方式寫(xiě)入單片機(jī)，充電時(shí)按設(shè)定值送入PWM波發(fā)生電路，產(chǎn)生PWM波控制DC/DC電路輸出平穩(wěn)充電電壓。并對(duì)輸出電流、電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣之后與給定值比較，從而調(diào)整和控制充電機(jī)充電工作狀態(tài)。同時(shí)系統(tǒng)也對(duì)電池的電壓、電流進(jìn)行顯示和監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 總系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System block diagram

2 蓄電池充電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

2.1 充電機(jī)主控制電路設(shè)計(jì)

充電機(jī)的控制電路主要由充電控制和采樣控制2部分構(gòu)成，微處理器是其核心處理部分。采用AVR高速微控制器ATmega16。設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)控制電路給定電流值，給定電流與反饋電流比較后經(jīng)采樣D/A轉(zhuǎn)換調(diào)理送至SG3525PWM波產(chǎn)生電路，SG3525對(duì)經(jīng)過(guò)內(nèi)部和外圍處理電路產(chǎn)生PWM波輸送到電源開(kāi)關(guān)電路中的Q管驅(qū)動(dòng)上，控制MOSFET開(kāi)關(guān)，同時(shí)將蓄電池的充電電流和電壓A/D采樣后反饋到主控電路單片機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制?？刂瓶傮w電路框圖如圖2所示。單片機(jī)通過(guò)高精度A/D采樣轉(zhuǎn)換器ADC7705分別對(duì)電源輸出電壓u和輸出電流i進(jìn)行采樣檢測(cè)，采用Fuzzy算法控制，經(jīng) D/A 模塊轉(zhuǎn)化后控制SG3525。實(shí)現(xiàn)PWM脈沖信號(hào)的生成。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)由SG3525芯片兩輸出引腳產(chǎn)生相位差為180°的PWM波經(jīng)變壓器后產(chǎn)生兩路反向互補(bǔ)方波來(lái)控制MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)閉。

2.2 SG3525 PWM波產(chǎn)生控制驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)采用SG3525作為Q管PWM脈寬專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片，SG3525是電流型PWM波產(chǎn)生控制器，對(duì)于N溝道MOSFET特別適用。芯片內(nèi)部帶有振蕩器，R1，C2分別為振蕩器的振蕩電阻和電容，振蕩器的振蕩頻率f由外接電阻RT和電容CT獲得，f＝1/（RTCT）。通過(guò)調(diào)節(jié)SG3525第6腳R1上的阻值或電流大小可以改變振蕩頻率的大小，該電路中SG3525生成的PWM控制脈沖頻率可通過(guò)式（1）計(jì)算：

另外，SG3525還能夠直接驅(qū)動(dòng)變小功率變壓器。如圖2所示，將變壓器T1一次繞組的兩端分別直接接到SG3525的2個(gè)輸出端11和14引腳上，則在死區(qū)時(shí)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)變壓器的自動(dòng)復(fù)位。

2.3 充電方案分析

鋅銀蓄電池的氧化銀電極充電如圖3所示，因氧化銀電極特性該曲線具有階梯型特征，各充電階段所對(duì)應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式如下所示。

圖2 蓄電池主控制電路圖Fig.2 Main control circuit of batteries

圖3 鋅銀蓄電池充電曲線圖Fig.3 Zinc－silver battery charging curve

在AB段：2Ag＋2OH－＝Ag2O＋H2O＋2e，反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，在金屬銀與電解液的界面上進(jìn)行，隨后逐漸生成Ag2O，Ag2O的增加慢慢取代了電極上的Ag，Ag的面積逐漸減小，電流密度越來(lái)越大，電位越來(lái)越高。由于可氧化Ag面積逐漸減小，電極逐漸到鈍化狀態(tài)，電位大幅度上升，化學(xué)反應(yīng)急促變化，方程為Ag2O＋2OH－＝2AgO＋H2O＋2e，反應(yīng)到達(dá)C段時(shí)，因該反應(yīng)劇烈，導(dǎo)致電壓突變，出現(xiàn)了充電結(jié)束的現(xiàn)象。

根據(jù)鋅銀蓄電池特點(diǎn)和充電現(xiàn)象將充電分為2次進(jìn)程，第1次充電進(jìn)程參數(shù)設(shè)置為終止電壓12.75 V，充電時(shí)間300 min，充電電流5 A，充電到達(dá)5 h后，達(dá)到充電的高峰值，此時(shí)充電第1進(jìn)程結(jié)束，避開(kāi)充電高峰值，然后進(jìn)入第2進(jìn)程充電，參數(shù)設(shè)置為充電電流5 A，終止電壓12 V，充電時(shí)間360 min，因此克服了充電過(guò)程中假結(jié)束或不飽和的缺點(diǎn)。

3 DC/DC設(shè)計(jì)

DC/DC電路的設(shè)計(jì)方式有多種，傳統(tǒng)的DC/DC電路雖然能給電池充滿電，但電量比較虛，不能滿足電量指標(biāo)要求，本設(shè)計(jì)在DC電路的基礎(chǔ)上通過(guò)控制各開(kāi)關(guān)管Q1，Q2的輪流導(dǎo)通的方式，可使充電效率提高，避免充電不滿或假飽和現(xiàn)象。充電機(jī)主充電電路如圖4所示。

采用單端變換器應(yīng)用的方式時(shí)。即采用T1單端輸出控制單個(gè)Q管，當(dāng)內(nèi)部輸出晶體管開(kāi)通時(shí)，Q1導(dǎo)通，因此其開(kāi)關(guān)頻率等于內(nèi)部振蕩器的頻率。由于采用T1為驅(qū)動(dòng)變壓器，只是一個(gè)方向?qū)?，T1磁飽和，驅(qū)動(dòng)能力達(dá)不到100%。由于輸出電容的儲(chǔ)能功能，使電壓達(dá)到設(shè)定值，但能量達(dá)不到。且在調(diào)試過(guò)程中，輸出電壓達(dá)不到設(shè)計(jì)功率的要求。用示波器檢測(cè)開(kāi)關(guān)管Q1的漏極與源極之間的波形如圖5所示：脈寬最大達(dá)到50%，不能達(dá)到設(shè)計(jì)的100%的輸出。

由圖4可見(jiàn)，采用2只開(kāi)關(guān)管輪流導(dǎo)通，每只管子導(dǎo)通50%的導(dǎo)通時(shí)間，即在導(dǎo)通周期T時(shí)間內(nèi)，可以分為3部分，T＝t1＋t2＋t3。t1為Q1導(dǎo)通時(shí)間，t2為Q2導(dǎo)通時(shí)間，t3為截止時(shí)間。加電實(shí)驗(yàn)后，工作正常。漏、源極之間的波形如圖6所示。這樣解決了驅(qū)動(dòng)電路變壓器單方向?qū)〞r(shí)的磁飽和問(wèn)題，使在充電時(shí)間內(nèi)克服了因受電路影響而致使充電進(jìn)程受到影響造成的充電電壓和能量不能滿足要求的缺點(diǎn)。

圖4 充電機(jī)主充電電路Fig.4 Main charging circuit of charger

4 控制算法設(shè)計(jì)

電源在工作過(guò)程中，隨著充電時(shí)間的積累，負(fù)載參數(shù)發(fā)生了一定的變化，使充電電路也受到頻率幅度等變化影響，導(dǎo)致充電輸出電壓和電流達(dá)不到指標(biāo)給定值，同時(shí)負(fù)載性能功率因數(shù)也會(huì)下降，這可通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電源電路的PWM波脈寬占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。Fuzzy算法控制具有動(dòng)態(tài)性能好、強(qiáng)魯棒性的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)被控對(duì)象模型的參數(shù)及結(jié)構(gòu)的改變能較好的適應(yīng)，F(xiàn)uzzy控制算式加有調(diào)整因子，算法公式為

式中：α為調(diào)整因子；E為誤差，EC為誤差變化率的量化等級(jí)；UC為輸出量化等級(jí)。經(jīng)過(guò)仿真運(yùn)算和分析，對(duì)于α，取值較小時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)小，響應(yīng)比較慢；取值大時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)大，響應(yīng)較快。因此，對(duì)于每一個(gè)等級(jí)誤差引入各自適合的α，構(gòu)成帶有多個(gè)調(diào)整因數(shù)的控制規(guī)則?？偪刂扑惴ü饺缡剑?）所示。

式（3）中的加權(quán)因子α0，α1，α2，α3，α4，α5∈（0，1），通過(guò)多次仿真實(shí)驗(yàn)調(diào)整，當(dāng)α0＝0.45，α1＝0.51，α2＝0.56，…，α5＝0.76時(shí)，控制效果最好。Fuzzy控制程序和系統(tǒng)總控制程序流程圖如圖7所示。

圖7 控制算法控制流程圖Fig.7 Control flow chart to Control algorithm

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)鋅銀蓄電池的特性，從充電方法和充電電路設(shè)計(jì)2方面對(duì)鋅銀蓄電池充電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)作為控制核心智能控制，實(shí)時(shí)電流電壓采樣，對(duì)充電電池監(jiān)控和保護(hù)，采用專(zhuān)用PWM波集成芯片SG3525和單片機(jī)共同控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，還可通過(guò)鍵盤(pán)操作模塊進(jìn)行充電設(shè)定和調(diào)整，顯示部分顯示數(shù)據(jù)，該充電方案能有效地保護(hù)和改善蓄電池壽命和容量，提高充電效率，滿足充電指標(biāo)要求。

［1］汪殿龍，王 軍，胡云巖，等.大功率高效率無(wú)源諧振軟開(kāi)關(guān)Boost DC－DC變換器［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30（4）：323－327.

［2］孟維艷，呂永超，陳衛(wèi)華.智能充放電設(shè)備給航空鋅銀蓄電池充電的故障分析［J］.長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，11（3）：54－56.

［3］姚志樹(shù)，周云龍.基于單片機(jī)和SG3525的程控開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)［J］.江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，16（9）：29－31.

［4］ANG S，OLIVA A.開(kāi)關(guān)功率變換器：開(kāi)關(guān)電源的原理、仿真和設(shè)計(jì)［M］.第2版.徐德鴻譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［5］胡力剛，許偉明.基于單片機(jī)的開(kāi)關(guān)電源檢測(cè)系統(tǒng)的研制［J］.自動(dòng)化儀表，2010，31（1）：68－71.

［6］劉教民，李建文，崔玉龍，等.多重化大容量制氫電源的研究［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，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，F(xiàn)uzzy 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

孟維艷（1972－），女，河北石家莊人，工程師，主要從事電器設(shè)備方面的研究。