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摘要本文将模糊控制的理论应用于充电控制上,将电池的电压与电压变化率所估测的电量反馈作为控制器的输入值,加以模糊化,经由规则库模糊推论之后,产生输出值,解模糊化得到适当的充电电流,实现能自我修正充电电流的充电器,在不减少电池寿命的情况下实现快速充电。
关键词模糊控制 脉冲 光耦合
中图分类号:TP2文献标识码:A
电池大致上分为两种:一次电池及二次电池,一次电池使用过后寿命即终了,例如碱性电池、碳电池等。二次电池则可以利用充电重复使用,例如铅酸电池、镍氢电池、锂电池等。由于大容量电池是电动机车的动力来源,而铅酸电池(Lead-Acid Battery)更是目前普遍使用的电池,所以本文对12V、容量8Ah的铅酸蓄电池的充电进行研究。
铅酸电池的充电方法可以根据电池使用的场所、可以等待的充电时间等需求,以满足在符合经济效益的前提下,选择最适合电池的充电方式。
本文介绍的正负脉冲充电法,一个完整的充放电周期可如图1所示,周期t所在的区间A为模糊控制器控制充电电流大小的时间,此时间为充电器对电池充电的时间;周期t所在的区间B为放电电路开关导通的时间,此时间为充电器对电池放电的时间,如此可避免杂质结晶破坏极板以及增加杂质沉淀的时间,这将大幅改善温升现象,维持电池寿命;周期t所在的区间C为休息时间,此时间充电器对电池不做任何动作,这让电池内部的电解液获得缓冲时间,可以去除电极之气泡,其中t是依照实验经验衡量所需的时间,本实验的充电时间为2秒,放电时间为0.1秒,休息时间t为0.05秒,以避免充电时温度的升高。
图1正负脉冲充电法充电区间图
图2即为整个充电器系统方框图,其工作原理为:50Hz交流输入电压经整流滤波产生高压直流,经过转换元件的转换,将高压直流馈入转换元件,并且分割成方波的高频电压讯号,其频率在20KHz~1MHz之间,分割的频率大小及脉波的宽度由反馈及PWM控制来调整,反馈回路也要隔离,可由隔离变压器或光耦合器实现。产生的高频讯号经过一高频隔离变压器降低至所需的负载电压,再经由输出滤波器便可得到稳定的直流输出。
图2充电器系统方框图
整个电路的组成分为以下几个单元:(1)切换式整流滤波单元。(2)PIC微处理器单元。(3)脉宽调整单元。(4)光耦合器单元。(5)EMI滤波器及输出滤波器单元。
1 切换式整流滤波单元
传统的整流滤波为线性,它的缺点是体积过大,而且工作在线性区造成晶体管的功率损耗过大,所以效率只能在30%~60%左右。近来由于大功率晶体管的迅速发展,带动切换式整流滤波的发展,不仅大大缩小体积,且晶体管是工作于饱和区和截止区(MOSFET为截止和欧姆区),处于开关工作状态,不是完全导通便是截止,因此晶体管的功率损失要小很多,也因此提高效率可达70%~80%。切换式整流滤波是由直流至直流转换器延伸而来的。电路如图3。
图3顺向式电源转换器基本电路
2 PIC微处理器单元
本电路以美国Microchip公司所出品的PIC八位微处理器为核心。PIC的名称是由”Peripheral Interface Controller”的缩写而来,自问世以来,迅速为业界广为采用。
PIC12C672是一个带4路8bitA/D转换器的高性能CMOS8位单片机,仅35条精简指令,所有指令均为单周期,片内含128€?数据存储器(RAM),一百万次可反复擦写的1k字节只读程序存储器(EEPROM),14位宽指令字节和8位次宽数据通道,直接或间接相对寻址方式。8层硬件堆栈,看门狗(WDT)电路,可编程内部时钟振荡源,省电模式及睡眠唤醒功能,内部微上拉I/O口,可选择片内、片外RC振荡器或晶体振荡器,工作频率DC-10MHz。
本系统的充电过程是利用PIC的A/D转换模块,将输出反馈的电压比较讯号转换得到成比例的数值,读取并输入模糊控制程式并判断电池当前状况,依模糊推论产生的结果,调整PWM Duty Cycle的数值,依此数值设定计时器产生所需之PWM输出,控制功率开关之切换及LED的显示。
3 脉宽调整单元
本电路是以PWM方式控制的电源稳压,利用UC3845 产生PWM控制信号。UC3845是一个功能齐全、效率高且容易使用的峰值电流模式控制IC,只需要极少的元件便可以达到多样的功能。内有振荡器器(Oscillator)、误差放大器(Error Amplifier)、电流感测比较器(Current Sensing Comparator)、欠电压闩锁(Under-voltage Lockout,UVLO)、参考用电源(Reference Voltage)、以及高电流输出,特别适合用来驱动Power MOSFET。
4 光耦合器单元(Photo Coupler)
一般电路的设计上,在接收反馈信号时,必须将回反馈信号与控制IC加以隔离,而最常用的隔离元件即是光耦合器。本文所使用的光耦合器是H11L3。
5 滤波器及输出滤波器单元
为了滤除转换器高频切换所产生的高频谐波成分,在转换器的输出端必须加装LC低通滤波器。使用电感器作为输出滤波结构的主要目的有两个:一是在开关元件关断的状态下,电感器可以储存能量,使得输出电流能够连续的流至负载;第二个目的即是平滑输出电压的谐波。
综合以上各单元的介绍,本文设计的充电器选择二开关式顺向转换器作为主要整流滤波,可以适用于高电压输入的场合。控制器则采用PIC微处理器,节省设计成本,并以输出之PWM讯号控制功率开关的切换,使充电器能调整最佳的充电电流对电池充电,最后在输入端加装EMI滤波器防止高频切换产生的电磁干扰。
6 模糊控制充电方法简介
由于电池的充放电涉及复杂的电化学反应,且电池是一个非线性系统,很难用一组数学模式表示出来,因此充电方法是以实验统计经验为基础,研究适合的充电方法。为达到在电池状态不同的情况下,充电器都能适时的调整充电电流的目的,本文将采用模糊控制的理论于充电控制的设计上,实现能自我修正充电控制策略的充电器,在不减少电池寿命的情况下快速充电。下节将简述模糊逻辑的理论基础。
自1965年Zadeh 发表模糊集合理论(Fuzzy sets)后,许多学者竞相投入研究工作,并将之应用在各种领域。模糊理论的特色在于使用语句变量(Linguistic variables)代替数学变量,来描述真实世界中普遍存在的模糊现象。例如“非常快”、“稍快”、“很慢”等等。这种模拟人类逻辑思惟的模糊逻辑理论,恰可以应用在无法建立数学模型的控制系统,或是利用模糊控制器具有非线性的特性来改善传统控制器线性操作的特性。
每个模糊控制器都有三个基本步骤,分别是模糊化(Fuzzification)、决策逻辑(Decision Making Logic)、以及解模糊化(Defuzzification)。其中决策逻辑是模糊控制的核心部分,主要由研究人员对于受控系统的经验与语言表达的方式建立模糊规则库,其规则通常以 IF-THEN 条件式的方式表达。而由于模糊控制在工程的应用上,必须输入明确的数值,比如电压、电流,但模糊系统的推论过程中,所使用皆为模糊的语句变量,因此必须将输入的数值加以模糊化后,经由模糊推论,产生对应的模糊输出,再加以解模糊化,以明确的数值去控制受控体。
为了能适时反映电池状况,调整充电电流大小,采用模糊控制理论控制充电电流的方法。将电池的电压与电压变化率所估测的电量反馈作为控制器的输入值,加以模糊化,经由规则库模糊推论之后,产生输出值,解模糊化得到适当的充电电流,如图4所示。工作过程如下。
图4正负脉冲充电器模糊控制方框图
本充电器的工作过程如下:当UC3845的PWM输出电位为高电位5V时,功率管导通,此时输入的高压直流进入交换元件,并且切割成方波的高频电压讯号,频率在20KHz~1MHz之间,切割的频率大小及脉波的宽度由PWM控制来决定调整,此时在输出连接电池的一端测得的瞬时电流讯号,其频率亦与PWM的频率相同,电流大小则以一周期的平均电流计算。当PWM周期增加时,功率开关导通的时间亦增加,因此一周期之平均电流增加。在周期只有10%时,由于开关导通时间极短,因此平均电流接近18mA;而在责任周期为90%时,开关导通时间很长,因此平均电流约5.7A。
用正负脉冲充电法对额定电压为12V、容量同为8Ah,但残电量分别为30% 及80%的小型密闭式铅酸电池充电,比较其充电电压、电流的变化情形,以实际观察充电器是否能针对不同剩余电量,调整充电电流大小,对非线性的电池模型完成充电。
由实验结果比较,电池在剩余电量很少的情况下,会提高充电电流,以缩短充电时间,在剩余电量为30%时,初期电流为6A;而在剩余电量较多时,也能适时调降电流,在电量剩余80%时,初期电流虽为6A,但马上降为4A,以避免固定的大电流对电池充电造成电池损害及过充,因此本充电器能够检测电池剩余电量的多少,不断根据模糊推论来调整充电电流大小,确实达到快速充电及保护电池的目的。
7 结语
本设计以PIC单晶片为基础的模糊控制充电器,以二开关式顺向整流滤波为稳定的直流来源,配合正负脉冲充电法,以充放方式减低电池温度升高影响,由实验结果证明除了可将实验所使用之8Ah容量的铅酸电池充电时间大幅缩短外,并且可将温升控制在5℃以内,保护电池使用寿命,比起传统的定电压充电法、定电流-定电压充电法,本方法对电池的充电方式有很大改进。
参考文献
[1]王鸿麟等.智能快速充电器设计与制作.北京:科学出版社,1998.
[2]姜绍信.铅酸蓄电池快速充电.天津:天津科学技术出版社,1984.
[3]席爱民.模糊控制技术.陕西:西安电子科技大学出版社,2008.
关键词模糊控制 脉冲 光耦合
中图分类号:TP2文献标识码:A
电池大致上分为两种:一次电池及二次电池,一次电池使用过后寿命即终了,例如碱性电池、碳电池等。二次电池则可以利用充电重复使用,例如铅酸电池、镍氢电池、锂电池等。由于大容量电池是电动机车的动力来源,而铅酸电池(Lead-Acid Battery)更是目前普遍使用的电池,所以本文对12V、容量8Ah的铅酸蓄电池的充电进行研究。
铅酸电池的充电方法可以根据电池使用的场所、可以等待的充电时间等需求,以满足在符合经济效益的前提下,选择最适合电池的充电方式。
本文介绍的正负脉冲充电法,一个完整的充放电周期可如图1所示,周期t所在的区间A为模糊控制器控制充电电流大小的时间,此时间为充电器对电池充电的时间;周期t所在的区间B为放电电路开关导通的时间,此时间为充电器对电池放电的时间,如此可避免杂质结晶破坏极板以及增加杂质沉淀的时间,这将大幅改善温升现象,维持电池寿命;周期t所在的区间C为休息时间,此时间充电器对电池不做任何动作,这让电池内部的电解液获得缓冲时间,可以去除电极之气泡,其中t是依照实验经验衡量所需的时间,本实验的充电时间为2秒,放电时间为0.1秒,休息时间t为0.05秒,以避免充电时温度的升高。
图1正负脉冲充电法充电区间图
图2即为整个充电器系统方框图,其工作原理为:50Hz交流输入电压经整流滤波产生高压直流,经过转换元件的转换,将高压直流馈入转换元件,并且分割成方波的高频电压讯号,其频率在20KHz~1MHz之间,分割的频率大小及脉波的宽度由反馈及PWM控制来调整,反馈回路也要隔离,可由隔离变压器或光耦合器实现。产生的高频讯号经过一高频隔离变压器降低至所需的负载电压,再经由输出滤波器便可得到稳定的直流输出。
图2充电器系统方框图
整个电路的组成分为以下几个单元:(1)切换式整流滤波单元。(2)PIC微处理器单元。(3)脉宽调整单元。(4)光耦合器单元。(5)EMI滤波器及输出滤波器单元。
1 切换式整流滤波单元
传统的整流滤波为线性,它的缺点是体积过大,而且工作在线性区造成晶体管的功率损耗过大,所以效率只能在30%~60%左右。近来由于大功率晶体管的迅速发展,带动切换式整流滤波的发展,不仅大大缩小体积,且晶体管是工作于饱和区和截止区(MOSFET为截止和欧姆区),处于开关工作状态,不是完全导通便是截止,因此晶体管的功率损失要小很多,也因此提高效率可达70%~80%。切换式整流滤波是由直流至直流转换器延伸而来的。电路如图3。
图3顺向式电源转换器基本电路
2 PIC微处理器单元
本电路以美国Microchip公司所出品的PIC八位微处理器为核心。PIC的名称是由”Peripheral Interface Controller”的缩写而来,自问世以来,迅速为业界广为采用。
PIC12C672是一个带4路8bitA/D转换器的高性能CMOS8位单片机,仅35条精简指令,所有指令均为单周期,片内含128€?数据存储器(RAM),一百万次可反复擦写的1k字节只读程序存储器(EEPROM),14位宽指令字节和8位次宽数据通道,直接或间接相对寻址方式。8层硬件堆栈,看门狗(WDT)电路,可编程内部时钟振荡源,省电模式及睡眠唤醒功能,内部微上拉I/O口,可选择片内、片外RC振荡器或晶体振荡器,工作频率DC-10MHz。
本系统的充电过程是利用PIC的A/D转换模块,将输出反馈的电压比较讯号转换得到成比例的数值,读取并输入模糊控制程式并判断电池当前状况,依模糊推论产生的结果,调整PWM Duty Cycle的数值,依此数值设定计时器产生所需之PWM输出,控制功率开关之切换及LED的显示。
3 脉宽调整单元
本电路是以PWM方式控制的电源稳压,利用UC3845 产生PWM控制信号。UC3845是一个功能齐全、效率高且容易使用的峰值电流模式控制IC,只需要极少的元件便可以达到多样的功能。内有振荡器器(Oscillator)、误差放大器(Error Amplifier)、电流感测比较器(Current Sensing Comparator)、欠电压闩锁(Under-voltage Lockout,UVLO)、参考用电源(Reference Voltage)、以及高电流输出,特别适合用来驱动Power MOSFET。
4 光耦合器单元(Photo Coupler)
一般电路的设计上,在接收反馈信号时,必须将回反馈信号与控制IC加以隔离,而最常用的隔离元件即是光耦合器。本文所使用的光耦合器是H11L3。
5 滤波器及输出滤波器单元
为了滤除转换器高频切换所产生的高频谐波成分,在转换器的输出端必须加装LC低通滤波器。使用电感器作为输出滤波结构的主要目的有两个:一是在开关元件关断的状态下,电感器可以储存能量,使得输出电流能够连续的流至负载;第二个目的即是平滑输出电压的谐波。
综合以上各单元的介绍,本文设计的充电器选择二开关式顺向转换器作为主要整流滤波,可以适用于高电压输入的场合。控制器则采用PIC微处理器,节省设计成本,并以输出之PWM讯号控制功率开关的切换,使充电器能调整最佳的充电电流对电池充电,最后在输入端加装EMI滤波器防止高频切换产生的电磁干扰。
6 模糊控制充电方法简介
由于电池的充放电涉及复杂的电化学反应,且电池是一个非线性系统,很难用一组数学模式表示出来,因此充电方法是以实验统计经验为基础,研究适合的充电方法。为达到在电池状态不同的情况下,充电器都能适时的调整充电电流的目的,本文将采用模糊控制的理论于充电控制的设计上,实现能自我修正充电控制策略的充电器,在不减少电池寿命的情况下快速充电。下节将简述模糊逻辑的理论基础。
自1965年Zadeh 发表模糊集合理论(Fuzzy sets)后,许多学者竞相投入研究工作,并将之应用在各种领域。模糊理论的特色在于使用语句变量(Linguistic variables)代替数学变量,来描述真实世界中普遍存在的模糊现象。例如“非常快”、“稍快”、“很慢”等等。这种模拟人类逻辑思惟的模糊逻辑理论,恰可以应用在无法建立数学模型的控制系统,或是利用模糊控制器具有非线性的特性来改善传统控制器线性操作的特性。
每个模糊控制器都有三个基本步骤,分别是模糊化(Fuzzification)、决策逻辑(Decision Making Logic)、以及解模糊化(Defuzzification)。其中决策逻辑是模糊控制的核心部分,主要由研究人员对于受控系统的经验与语言表达的方式建立模糊规则库,其规则通常以 IF-THEN 条件式的方式表达。而由于模糊控制在工程的应用上,必须输入明确的数值,比如电压、电流,但模糊系统的推论过程中,所使用皆为模糊的语句变量,因此必须将输入的数值加以模糊化后,经由模糊推论,产生对应的模糊输出,再加以解模糊化,以明确的数值去控制受控体。
为了能适时反映电池状况,调整充电电流大小,采用模糊控制理论控制充电电流的方法。将电池的电压与电压变化率所估测的电量反馈作为控制器的输入值,加以模糊化,经由规则库模糊推论之后,产生输出值,解模糊化得到适当的充电电流,如图4所示。工作过程如下。
图4正负脉冲充电器模糊控制方框图
本充电器的工作过程如下:当UC3845的PWM输出电位为高电位5V时,功率管导通,此时输入的高压直流进入交换元件,并且切割成方波的高频电压讯号,频率在20KHz~1MHz之间,切割的频率大小及脉波的宽度由PWM控制来决定调整,此时在输出连接电池的一端测得的瞬时电流讯号,其频率亦与PWM的频率相同,电流大小则以一周期的平均电流计算。当PWM周期增加时,功率开关导通的时间亦增加,因此一周期之平均电流增加。在周期只有10%时,由于开关导通时间极短,因此平均电流接近18mA;而在责任周期为90%时,开关导通时间很长,因此平均电流约5.7A。
用正负脉冲充电法对额定电压为12V、容量同为8Ah,但残电量分别为30% 及80%的小型密闭式铅酸电池充电,比较其充电电压、电流的变化情形,以实际观察充电器是否能针对不同剩余电量,调整充电电流大小,对非线性的电池模型完成充电。
由实验结果比较,电池在剩余电量很少的情况下,会提高充电电流,以缩短充电时间,在剩余电量为30%时,初期电流为6A;而在剩余电量较多时,也能适时调降电流,在电量剩余80%时,初期电流虽为6A,但马上降为4A,以避免固定的大电流对电池充电造成电池损害及过充,因此本充电器能够检测电池剩余电量的多少,不断根据模糊推论来调整充电电流大小,确实达到快速充电及保护电池的目的。
7 结语
本设计以PIC单晶片为基础的模糊控制充电器,以二开关式顺向整流滤波为稳定的直流来源,配合正负脉冲充电法,以充放方式减低电池温度升高影响,由实验结果证明除了可将实验所使用之8Ah容量的铅酸电池充电时间大幅缩短外,并且可将温升控制在5℃以内,保护电池使用寿命,比起传统的定电压充电法、定电流-定电压充电法,本方法对电池的充电方式有很大改进。
参考文献
[1]王鸿麟等.智能快速充电器设计与制作.北京:科学出版社,1998.
[2]姜绍信.铅酸蓄电池快速充电.天津:天津科学技术出版社,1984.
[3]席爱民.模糊控制技术.陕西:西安电子科技大学出版社,2008.