UPS蓄電池智能充電電路設計

武漢理工大學 黃 磊 楊 鍵

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UPS蓄電池智能充電電路設計

武漢理工大學 黃 磊 楊 鍵

【摘要】在本設計中，蓄電池的充放電采用的是Buck-Boost雙向功率傳輸電路，這種電路是把蓄電池的充電電路與放電電路組合在了一起，在市電正常時起充電電路的作用為蓄電池充電，在市電異常時作為放電電路使用，為外部電路供電。在本設計中，對蓄電電池的充電采用了恒流恒壓充電方式，這種充電方式不僅能夠為蓄電池快速充電，而且能夠有效的保護蓄電池延長蓄電池的使用壽命。在本文中，利用Simulink對Buck-Boost電路的中蓄電池的恒流、恒壓充電過程和升壓放電過程進行仿真，驗證這種充電電路及充電方式的可實現性。

【關鍵詞】蓄電池；恒流恒壓充電；Buck-Boost電路

0　引言

在本文中是針對UPS電源中的磷酸鐵鋰電池設計的一種充電電路，其中主控制芯片采用的是STM32F103ZE。由于在UPS電源中蓄電池的充電和放電總是不同時工作的，因此在本文UPS電源的充放電電路中采用了一種Buck-Boost雙向DC/DC變換電路。在市電正常時，系統可以通過Buck電路為蓄電池充電；當市電出現異常時，蓄電池中的電能通過Boost電路為系統中的主電路供電。為了對蓄電池的充放電電路實現智能控制，在設計中對蓄電池的電壓和電流進行采樣，然后把采樣到的值輸送到STM32F103ZE主控芯片中進行分析處理，以保證充放電過程的穩定進行，而且還能根據這些采樣值保護蓄電池和充放電電路。

1　主電路設計

在本設計中，主電路采用的是Buck-Boost雙向變換電路，電路圖如圖1所示。在本設計中，在UPS電源內部蓄電池直流充電電壓為30V。在市電正常時，系統要為24V的蓄電池進行充電，此時，主電路中的正向的Buck電路工作對蓄電池進行降壓充電，而Boost電路不工作；在市電異常時，蓄電池要對外放電，此時正向Buck充電電路停止工作，反向的Boost電路開始工作，把蓄電池的電壓提升到30V供給外部電路。

圖1　Buck/Boost主電路

在市電正常時，主電路處于充電模式。開關管Q1工作，Q2不工作，此時，D1一直關斷，而二極管D2則在Buck電路中起到續流的作用。這時從正向端看去，主電路就等效為由開關管Q1、二極管D2及電感L1組成的Buck電路，此時可以控制Q1來控制蓄電池充電電壓U2和電流I2。

圖1中電感L的值可由如下公式計算得出：

式中，f=10KHz，U1=30V，U2=24V，ΔI=5A，則L=0.096mH。

電容C2的計算公式如下所示：

當市電異常時，蓄電池要對外放電。開關管Q1是不工作的，開關管Q2開始工作，D1導通，而D2一直關斷。從電路的反向端來看，是由電感L1、開關管Q2、二極管D1和電容C1組成的Boost電路，此時可以通過調節開關管Q2的開合調節Boost電路輸出電壓U1的電壓值。對于電容C1的計算公式如下所示：

式中，Io=30A， D=0.2， f=10KHz，ΔV=U1-U2=6V，則C1=100μF。

2　驅動和檢測電路

在主電路中，使用了開關管IGBT，由于STM32不能直接使IGBT導通，需要采用驅動電路。在本設計中采用IR2110S驅動芯片，它是美國IR公司生產的兼有光耦隔離（體積小）和電磁隔離（速度快）的優點。在對蓄電池進行恒流恒壓充電時，需要對蓄電池的充電電壓和充電電流進行有效的控制，為了能夠準確的控制它們的值，就需要對充電電壓和電流進行采樣。在本文中對蓄電池的采樣都采用霍爾傳感器進行采樣。

3　控制電路設計

在本文中，采用STM32F103ZE作為主控芯片，這款芯片的性能好、精度高、運算速度快。在蓄電池充放電電路中，STM32主控芯片主要起到檢測蓄電池運行狀況、控制蓄電池充放電電路運行及顯示蓄電池信息的作用。在本設計中，使用液晶顯示器來顯示蓄電池各個狀態的信息。當市電正常時，系統為蓄電池進行充電，此時Buck電路其作用，當檢測到蓄電池電壓小于18V時，為了保護蓄電池對蓄電池進行0.5A小電流充電；當蓄電池電壓超過18V時，對蓄電池進行10A電流恒流充電。當檢測到蓄電池的電壓達到26V時，此時改用26V恒壓充電。隨著蓄電池電量的漸漸充滿，充電電流會逐漸減少電流小于0.1A時，視為蓄電池充滿，蓄電池充電過程結束。當市電異常時，Boost升壓電路開始工作，把蓄電池電壓提升到30V為外電路提供電能。當系統檢測到蓄電池電壓低于20V時，為了防止蓄電池過放電，使蓄電池停止放電。

4　仿真結果

在本文中，利用Simulink模塊對Buck-Boost電路進行仿真。在本文的仿真中分別對蓄電從池充電及放電過程進行仿真分析。如圖2 （a）所示為蓄電池Buck充電電路的恒流充電過程仿真電流圖，在這個過程中蓄電池的充電電流保持恒定為 10 A。如圖2（b） 所示為蓄電池Buck充電電路的恒壓充電過程仿真電壓圖，在這個過程中蓄電池的充電電壓保持恒定為26V。如圖2（c）所示是蓄電池放電Boost仿真的電壓圖，在這個過程中蓄電池釋放電能，Boos升壓電路把蓄電池中的24V電壓升高到30V供給UPS系統使用。

圖2　充放電電路仿真波形圖

5　結論

在本文中，采用Buck-Boost雙向變換電路作為蓄電池充放電電路，電路結構簡單，容易實現控制，節約成本，而且制作體積小。在本文中，充電采用了恒流恒壓充電的方式，在蓄電池電量低時采用恒流充電方式能快速為蓄電池充電。當蓄電池電量達到一定程度是采用恒壓充電，能夠減少大電流充電對蓄電池的損壞，延長蓄電池的壽命。通過圖2仿真中可以看出，恒流充電時，電流穩定在10A左右；恒壓充電時，電壓穩定在26V左右；在放電模式下，電壓波形在開始是有一些波動，但是很快能夠穩定在30V左右。因此，可以看出本文所設計的Buck-Boost雙向變換充電電路可行，能夠滿足UPS電源中的蓄電池充放電電路的要求。

參考文獻

［1］潘軍.蓄電池充電系統的研究與設計［D］.南京航空航天大學，2009.

［2］趙鍵.基于智能控制技術的鉛酸蓄電池充電設備的研究［D］.南京理工大學，2008.

［3］鄧春花.UPS系統中蓄電池充電的研究［D］.華中科技大學，2008.

［4］徐志奇.基于模糊PID控制的鉛酸蓄電池充電研究［D］.蘭州交通大學，2014.