CN205004817U - 一种基于pi和单片机控制的大功率铅酸电池充电器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种充电器，特别是涉及一种基于PI和单片机控制的大功率铅酸电池充电器，包括充电主电路模块、PI环路控制模块和单片机控制模块；所述的充电主电路模块与待充电的铅酸电池电连接，充电主电路模块与PI环路控制模块信号连接；所述的单片机控制模块分别与充电主电路模块、PI环路控制模块、待充电的铅酸电池信号连接。通过结合PI控制的自动调整加上单片机的自动化配合专门的电源管理芯片顺利的实现了待充电的铅酸电池理想的五段式高精度充电方式，提高实时响应速度，实现实时调整输出状态为恒压或恒流状态，极大的提高整个产品的效率和充电的安全性。

Description

一种基于PI和单片机控制的大功率铅酸电池充电器

技术领域

本实用新型涉及一种充电器，特别是涉及一种基于PI和单片机控制的大功率铅酸电池充电器。

背景技术

在以电池为工作电源或备用电源的用电场合，充电器具有广泛的应用前景，伴随着电池技术的发展，合理的改变充电策略，使用科学的充电控制方式，从而缩短电池充电时间，延长电池的使用寿命显得十分必要。特别是在铅酸电池的充电上，为保证铅酸电池的使用寿命，及使用时间，铅酸电池对其充电电流的大小和电压的高低有严格的要求，在电池电压或容量不同的情况下需要不同的充电状态，或需要大电流恒流充电，或需要恒压涓流充电等，过高或过低的电压、电流或者错误的充电方式容易导致铅酸电池充坏或者充不满，严重的影响了实际的使用。

传统的大功率充电器普遍采用模拟电路进行控制，通过采样反馈回来的电流或电压值调整输出的占空比借以达到控制输出电压或电流的大小，采用模拟电路进行控制的充电器虽然实时响应性比较好，但是性能比较单一，精度较差，只能简单的做到恒压或恒流方式；另外一种使用DSP控制的充电器，通过侦测电池的电压及充电电流的大小反馈至DSP并通过内置的算法来控制当前的输出状态。但在实际使用过程中由于DSP控制命令的发出到实际状态的改变有一个不确定的延迟，由于延迟的存在，DSP很容易过度调整状态，然后陷入不停修正误差的死循环当中，而失去了实时响应速度，不能及时的调整输出状态，同时系统的各种状态均需通过DSP循环判断后才能进行下一步动作，当一个过载或过流动作时，DSP不能做到及时保护，这种状态对于实际使用存在极大的安全隐患。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于PI和单片机控制的大功率铅酸电池充电器，顺利的实现了铅酸电池理想的五段式高精度充电方式，提高实时响应速度，提高整个产品的效率和充电的安全性。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种基于PI和单片机控制的大功率铅酸电池充电器，包括充电主电路模块、PI环路控制模块和单片机控制模块；所述的充电主电路模块与待充电的铅酸电池电连接，充电主电路模块与PI环路控制模块信号连接；所述的单片机控制模块分别与充电主电路模块、PI环路控制模块、待充电的铅酸电池信号连接；所述的充电主电路模块包括保护电路、EMC处理电路、整流电路、有源PFC电路、主电源管理电路、整流滤波取样电路、辅助电源电路和整流滤波电路；所述的保护电路依次与EMC处理电路、整流电路、有源PFC电路串联，所述的主电源管理电路分别与有源PFC电路、整流滤波取样电路连接；所述的辅助电源电路分别与有源PFC电路、整流滤波电路连接；所述的PI环路控制模块包括电流PI调节电路、电压PI调节电路和光电耦合器，所述的电流PI调节电路和电压PI调节电路并联后与光电耦合器连接；所述的单片机模块的电流反馈输入端与充电主电路模块中的取样电阻相连，电压反馈输入端与待充电的铅酸电池相连，电压控制输出端与电压PI调节电路相连，电流控制输出端与电流PI调节电路相连。

其中，所述的整流滤波电路与有源PFC电路、主电源管理电路和单片机模块连接。

其中，所述的保护电路由保险丝F1、NTC压敏电阻组成VR1，提供短路过载保护；所述的EMC处理电路由共模电感T1、电容C2、电容C3、电容C5组成；所述的整流电路为整流桥堆D1；所述的有源PFC电路由PFC变压器L2，功率MOS管Q1，电阻R1及PFC控制芯片U6组成；所述的主电源管理电路由主变压器绕组T3，保护电路信号检测绕组T4，功率MOS管Q3，主电源管理芯片U8组成，为待充电的铅酸电池供电；所述的整流滤波取样电路由整流二极管D3，电容C6，电流取样电阻R2组成；所述的辅助电源电路由辅助电源绕组T2，功率MOS管Q2，及辅助电源管理芯片U7组成，为整个充电器电路辅助供电；所述的整流滤波电路由整流二极管D2，电容C4组成。

其中，所述的电压PI调节电路由精密运算放大器U1、精密运算放大器U2组成；所述的电流PI调节电路由精密运算放大器U3、精密运算放大器U4组成，限制调整幅度，增加响应时间。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型专利提出了一种新的解决方案，通过结合PI控制的自动调整加上单片机的自动化配合专门的电源管理芯片顺利的实现了铅酸电池理想的五段式高精度充电方式，提高实时响应速度，实现实时调整调整输出状态为恒压或恒流状态，极大的提高整个产品的效率和充电的安全性。

附图说明

图1为：本实用新型原理方框图；

图2为：本实用新型的充电主电路模块电路原理图；

图3为：本实用新型的PI环路控制模块电路原理图；

图4为：本实用新型的单片机控制模块电路原理图；

其中：1、充电主电路模块；11、保护电路；12、EMC处理电路；13、整流电路；14、有源PFC电路；15、主电源管理电路；16、整流滤波取样电路；17、辅助电源电路；18、整流滤波电路；2、PI环路控制模块；21、电压PI调节电路；22、电流PI调节电路；23、光电耦合器；3、单片机控制模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

如图1所示，一种基于PI和单片机控制的大功率铅酸电池充电器，包括充电主电路模块1、PI环路控制模块2和单片机控制模块3；所述的充电主电路模块1与待充电的铅酸电池电连接，充电主电路模块1与PI环路控制模块2信号连接；所述的单片机控制模块3分别与充电主电路模块1、PI环路控制模块2、待充电的铅酸电池信号连接；所述的充电主电路模块1包括保护电路11、EMC处理电路12、整流电路13、有源PFC电路14、主电源管理电路15、整流滤波取样电路16、辅助电源电路17和整流滤波电路18；所述的保护电路11依次与EMC处理电路12、整流电路13、有源PFC电路14串联，所述的主电源管理电路15分别与有源PFC电路14、整流滤波取样电路16连接；所述的辅助电源电路17分别与有源PFC电路14、整流滤波电路18连接；所述的PI环路控制模块2包括电流PI调节电路22、电压PI调节电路21和光电耦合器23，所述的电流PI调节电路22和电压PI调节电路21并联后与光电耦合器23连接，根据单片机控制模块3设定的预期值自动调整输出状态为恒压或恒流状态；所述的单片机模块3的电流反馈输入端与充电主电路模块1中的取样电阻相连，电压反馈输入端与待充电的铅酸电池相连，电压控制输出端与电压PI调节电路21相连，电流控制输出端与电流PI调节电路22相连，采集待充电的铅酸电池的充电状态按照五段式充电的模式调整单片机控制模块3的设定预期值。

所述的整流滤波电路18与有源PFC电路14、主电源管理电路15和单片机模块3连接；所述的保护电路11由保险丝F1、NTC压敏电阻组成VR1，提供短路过载保护；所述的EMC处理电路12由共模电感T1、电容C2、电容C3、电容C5组成；所述的整流电路13为整流桥堆D1；所述的有源PFC电路14由PFC变压器L2，功率MOS管Q1，电阻R1及PFC控制芯片U6组成；所述的主电源管理电路15由主变压器绕组T3，保护电路信号检测绕组T4，功率MOS管Q3，主电源管理芯片U8组成，为待充电的铅酸电池供电；所述的整流滤波取样电路16由整流二极管D3，电容C6，电流取样电阻R2组成；所述的辅助电源电路17由辅助电源绕组T2，功率MOS管Q2，及辅助电源管理芯片U7组成，为整个充电器电路辅助供电；所述的整流滤波电路18由整流二极管D2，电容C4组成。

所述的电压PI调节电路21由精密运算放大器U1、精密运算放大器U2组成；所述的电流PI调节电路22由精密运算放大器U3、精密运算放大器U4组成，限制调整幅度，增加响应时间。

本实用新型的工作原理为：PI控制是取PID闭环自动控制技术中的两点，P为比例控制，I为积分控制，比例控制限制了调整幅度，积分控制增加了响应时间，通过选择合适的PI参数值对电压和电流进行闭环自动控制，当实际电压值或电流值超过或低于预期设定值时，系统会立即调整参数将实际的电压或电流值修正到预期设定值，并将修订值直接反馈给电源管理芯片U3，不需要单片机控制模块3额外干预，单片机控制模块3的主要工作就是通过采集待充电的铅酸电池的电压、电流、容量等参数后对PI环路控制模块2进行预期值设定。整个充电过程将由三个部分分开控制，PI环路控制模块2根据单片机控制模块3设定的预期值自动调整输出状态为恒压或恒流状态，电源管理芯片U3根据PI环路控制模块2的调整值输出适当的占空比控制功率MOS管Q3工作，单片机控制模块3采集待充电的铅酸电池的充电状态按照五段式充电的模式调整单片机控制模块3的设定预期值，通过三个模块的分工合作极大的提高了整个充电过程的实时响应速度，同时完成五段式充电模式的实时调整，极大的提高了整个产品的效率和充电的安全性。

如图2、图3、图4所示，一种基于PI和单片机控制的大功率铅酸电池充电器的电路原理图。220V交流电经过保险丝F1，NTC压敏电阻VR1组成的保护电路11经过共模电感T1、电容C2、电容C3、电容C5组成的EMC处理电路12后经过整流桥堆D1的整流电路13整流成高压直流电，然后经过PFC变压器L2，功率MOS管Q1，电阻R1及PFC控制芯片U6组成的有源PFC电路14，一路经过辅助电源绕组T2，功率MOS管Q2，及辅助电源管理芯片U7组成的辅助电源电路17，通过辅助电源管理芯片U7控制功率MOS管Q2的高频开关将高压直流电耦合到辅助电源绕组T2的次级并通过整流二极管D2整流及电容C4滤波组成的整流滤波电路18后给整个充电主电路模块1提供辅助供电。另一路通过主变压器绕组T3，保护电路信号检测绕组T4，功率MOS管Q3，主电源管理芯片U8组成的主电源管理电路15，通过主电源管理芯片U8控制功率MOS管Q3的高频可控开关状态将高压直流电耦合到主变压器绕组T3的次级并通过整流二极管D3整流，电容C6滤波后经电流取样电阻R2组成的整流滤波取样电路16给待充电的铅酸电池提供充电，其中保护电路信号检测绕组T4将通过互感的方式检测主电源管理电路15流经的电流大小来判断是否过载，如果过载保护电路信号检测绕组T4将信号反馈给主电源管理芯片U8，并通过主电源管理芯片U8控制功率MOS管Q3的开关状态以消除过载情况。

取样电流取样电阻R2上的电压和待充电的铅酸电池电压同时输入到单片机U5的ADC采集引脚上，通过单片机U5内置程序的运算后，通过GPIO端口将计算好的设定值输入到精密运算放大器U1、精密运算放大器U2、精密运算放大器U3、精密运算放大器U4组成的电流PI调节电路22、电压PI调节电路21中。

主电源管理芯片U8有一只管脚通过光电耦合器23与精密运算放大器U1、精密运算放大器U2组成的电压PI调节电路21，精密运算放大器U3、精密运算放大器U4组成的电流PI调节电路22进行连接，并受精密运算放大器U1、精密运算放大器U2、精密运算放大器U3、精密运算放大器U4控制，并且通过光电耦合器23反馈的信号实时的控制功率MOS管Q3的开关频率，以调制输出的电压或电流的大小。

给待充电的铅酸电池充电的电流通过电流取样电阻R2，通过单片机控制模块3，将电流信号转成电压信号输入到精密运算放大器U1的同相输入端，精密运算放大器U1通过外围的电阻组成比例放大器，对输入的电流信号进行比例放大，同时一部分电流信号与经过精密运算放大器U1出来的信号混合后一起输入到精密运算放大器U2的同相输入端，精密运算放大器U2通过外围的电阻电容组成积分电路，将对混合后的信号进行积分运算，精密运算放大器U1、精密运算放大器U2结合组成一个电流PI调节电路22；

待充电的铅酸电池的电压通过单片机控制模块3，一部分输入到精密运算放大器U3的同相输入端，到精密运算放大器U3通过外围电阻组成比例放大器，对输入的待充电的铅酸电池电压进行比例放大，同时一部分待充电的铅酸电池电压信号与精密运算放大器U3比例放大后的信号进行混合后一起输入到精密运算放大器U4的同相输入端，精密运算放大器U4与外围的电阻电容组成积分电路，将对混合的待充电的铅酸电池电压信号进行积分运算，精密运算放大器U3、精密运算放大器U4结合组成一个电压PI调节电路21，电压PI调节电路21通过二极管将信号输出到光电耦合器23，同时电流PI调节电路22也通过二极管将信号输出到光电耦合器23，同时通过光电耦合器23控制芯片U8来达到控制整个主控电源输出电压电流的大小，将自行调整输出信号以达到预设值，借此整个循环控制完成。

Claims (4)

1.一种基于PI和单片机控制的大功率铅酸电池充电器，其特征在于：包括充电主电路模块、PI环路控制模块和单片机控制模块；所述的充电主电路模块与待充电的铅酸电池电连接，充电主电路模块与PI环路控制模块信号连接；所述的单片机控制模块分别与充电主电路模块、PI环路控制模块、待充电的铅酸电池信号连接；所述的充电主电路模块包括保护电路、EMC处理电路、整流电路、有源PFC电路、主电源管理电路、整流滤波取样电路、辅助电源电路和整流滤波电路；所述的保护电路依次与EMC处理电路、整流电路、有源PFC电路串联，所述的主电源管理电路分别与有源PFC电路、整流滤波取样电路连接；所述的辅助电源电路分别与有源PFC电路、整流滤波电路连接；所述的PI环路控制模块包括电流PI调节电路、电压PI调节电路和光电耦合器，所述的电流PI调节电路和电压PI调节电路并联后与光电耦合器连接；所述的单片机模块的电流反馈输入端与充电主电路模块中的取样电阻相连，电压反馈输入端与待充电的铅酸电池相连，电压控制输出端与电压PI调节电路相连，电流控制输出端与电流PI调节电路相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于PI和单片机控制的大功率铅酸电池充电器，其特征在于：所述的整流滤波电路与有源PFC电路、主电源管理电路和单片机模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于PI和单片机控制的大功率铅酸电池充电器，其特征在于：所述的保护电路由保险丝F1、NTC压敏电阻组成VR1；所述的EMC处理电路由共模电感T1、电容C2、电容C3、电容C5组成；所述的整流电路为整流桥堆D1；所述的有源PFC电路由PFC变压器L2，功率MOS管Q1，电阻R1及PFC控制芯片U6组成；所述的主电源管理电路由主变压器绕组T3，保护电路信号检测绕组T4，功率MOS管Q3，主电源管理芯片U8组成；所述的整流滤波取样电路由整流二极管D3，电容C6，电流取样电阻R2组成；所述的辅助电源电路由辅助电源绕组T2，功率MOS管Q2，及辅助电源管理芯片U7组成；所述的整流滤波电路由整流二极管D2，电容C4组成。

4.根据权利要求1所述的一种基于PI和单片机控制的大功率铅酸电池充电器，其特征在于：所述的电压PI调节电路由精密运算放大器U1、精密运算放大器U2组成；所述的电流PI调节电路由精密运算放大器U3、精密运算放大器U4组成。