基于DSP的蓄電池充放電裝置的設(shè)計

作者：浙江大學(xué)高壓大功率研究所 李明月 劉金云 楊水濤
摘 要：介紹了一種利用TMS320LF2407來進(jìn)行全數(shù)字控制，采用Buck—Boost雙象限電路作為充放電主電路的蓄電池充放電裝置。采用了涓流充電、恒流充電、恒壓充電的三級充電模式，非同步采樣方法，帶滯環(huán)的PI調(diào)節(jié)器。樣機(jī)試驗結(jié)果表明控制方法可行，充放電精度高。
關(guān)鍵詞：蓄電池；充電；放電；DSP；Buck-B00st；數(shù)字控制
0 引言
蓄電池作為儲能電源已廣泛用于各個行業(yè)中。蓄電池充電裝置大多采用兩級充電模式，同步采樣方法，用不帶滯環(huán)的PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。對于深度放電的蓄電池，為保證正常的使用壽命，在一般的充電程序前必須增加涓流充電過程。同步采樣方法存在開關(guān)管動作引起的電壓和電流尖峰，從而導(dǎo)致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。本裝置采用非同步采樣方法，保證了電壓電流的采樣值更準(zhǔn)確，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。為了減少蓄電池充放電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的噪聲，提高動態(tài)響應(yīng)，引入滯環(huán)PI調(diào)節(jié)器，相對于不帶滯環(huán)的PI調(diào)節(jié)器，控制過程相對更為簡單并且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文以12V，100A·h鉛酸蓄電池為例，介紹了全數(shù)字控制蓄電池充放電電路和控制方法。
1 系統(tǒng)主電路
蓄電池充放電的Buck—Boost主電路和TMS320LF2407控制目標(biāo)板示于圖1。該電路的電流可雙向流動：當(dāng)電流由Udc流向Uba時，S1和D1輪番工作(S2和D2阻斷)，蓄電池充電；當(dāng)電流由Uba流向Ude時，S2和D2輪番工作(S1和D1阻斷)蓄電池放電，此時Ude變成負(fù)載。用傳感器對Ude、Uba和IL進(jìn)行采樣送入DSP中，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。當(dāng)程序判斷電路工作正常時送出電路啟動信號IOPB4。在這之前電路則處于關(guān)閉的不工作狀態(tài)。
2 系統(tǒng)控制原理
2．1控制方法簡介
如圖1所示，由傳感器送來的Udc、Uba和IL三路采樣信號經(jīng)過DSP內(nèi)部的AD模塊轉(zhuǎn)換。通過比較Ude和Uba電壓的大小判斷電路工作于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)。當(dāng)Ude>Uba時，電路工作于Buck(蓄電池充電)模式。根據(jù)Uba的大小判斷蓄電池工作于涓流充電、恒流充電還是恒壓充電方式。12V的蓄電池實際上是由6個單體蓄電池串聯(lián)而成，因此，UbaL=1．75 V×6=10．5 V；Uba_H=2．25×6=13．5V。當(dāng)蓄電池電壓過低，低于Uba_l,時，為了延長蓄電池壽命采用小電流對蓄電池充電，充電電流為，ILL=O．0l C。當(dāng)蓄電池電壓升高到UbaL時轉(zhuǎn)為恒流充電，充電電流為，IL_H=O．1 C。當(dāng)蓄電池電壓升高到Uba_H時(13．5V)，轉(zhuǎn)為恒壓充電，充電電壓為13．5V，此時充電電流應(yīng)該繼續(xù)減小。這里對于12V，100A．h的蓄電池來說。C=100A。當(dāng)Udc<Uba時，電路工作于Boost(蓄電池放電)模式。

2．2 三級充電模式
傳統(tǒng)蓄電池大多采用兩級充電模式，這種充電模式對于深度放電的蓄電池來說(蓄電池單體電壓低于1．75V)是不夠的。本裝置在恒流、恒壓充電模式之前增加了涓流充電模式，如圖2所示。涓流充電模式對深度放電的蓄電池來說是必不可少的。

2.3 非同步采樣方法
同步采樣方法是在開關(guān)管開始工作時進(jìn)行電壓、電流采樣，因為開關(guān)管動作會引起電壓、電流尖峰，采樣的數(shù)值就有很大偏差，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此，采用非同步采樣方法控制精度更高。如圖3所示，本裝置的PWM開關(guān)頻率為20kHz，通過在周期中斷程序中延時5μs，就可以避免開關(guān)管動作對采樣值產(chǎn)生影響，實現(xiàn)非同步采樣。
2.4帶滯環(huán)的PI調(diào)節(jié)器
DC／DC變換器的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)目標(biāo)不同。動態(tài)時要求系統(tǒng)響應(yīng)快，超調(diào)量小，此時要求調(diào)節(jié)器能有效控制系統(tǒng)振蕩，快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時要求系統(tǒng)穩(wěn)定性好，穩(wěn)定范圍寬。針對這兩種狀態(tài)，對蓄電池充放電的PI調(diào)節(jié)實行滯環(huán)調(diào)節(jié)。

式中：f[e(k)]為PI調(diào)節(jié)函數(shù)。
;
當(dāng)輸出誤差e(k)的絕對值比較小時，采用滯環(huán)兩點控制；當(dāng)e(k)在滯環(huán)外時(誤差的絕對值較大時)采用PI調(diào)節(jié)。這樣就可以既快速又平穩(wěn)地調(diào)節(jié)蓄電池充放電了。
3 軟件設(shè)計
采用DSP的通用定時器T1、T2分別產(chǎn)生PWM，、PWM2輸出，控制S1、S2的開通和關(guān)斷，選擇連續(xù)增計數(shù)模式，產(chǎn)生PWM步驟如下：
1)根據(jù)載波周期設(shè)置TxPR；
2)設(shè)置TxCON寄存器以確定計數(shù)模式和時鐘源，并啟動PWM輸出操作；
3)將對應(yīng)于PWM脈沖的在線計算寬度(占空比)的值加載到TxCMPR寄存器中。
控制主程序通過比較電路兩端電壓Uba和Uda大小來判斷蓄電池的工作方式。圖4是蓄電池充電程序流程圖，通過比較蓄電池電壓的大小來選擇充電模式。每種充電模式都包含一個滯環(huán)PI調(diào)節(jié)。圖5是蓄電池放電程序流程圖