基于PID算法的鉛酸蓄電池智能充電設(shè)計(jì)

　　摘 要：針對(duì)礦用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)饋電開(kāi)關(guān)智能控制器采用的鉛酸蓄電池在充電過(guò)程中存在充電過(guò)度、充電不足、電池過(guò)熱和充電速度慢等諸多問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種以atmega16 單片機(jī)為核心的智能充電器。采用了基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法，提高了充電器的充電速度，減少了電池?fù)p耗，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉛酸蓄電池充電過(guò)程的智能化控制。

　　目前礦用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)饋電開(kāi)關(guān)智能控制器采用鉛酸蓄電池作為備用電源。傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池充電方法有恒流限壓充電和恒壓限流充電，但充電效果都不是很理想，一方面這些方法充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溫升過(guò)快。

　　另一方面，充電過(guò)程中存在過(guò)充和欠充現(xiàn)象［1］。專(zhuān)家研究表明：鉛酸蓄電池充電過(guò)程對(duì)其壽命影響最大，過(guò)充電、充電不足以及溫升都是引起電池故障的主要原因［2，3］。

　　基于以上原因，系統(tǒng)根據(jù)蓄電池的充電特性，采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法，設(shè)計(jì)了以atmega16 單片機(jī)為核心的智能充電器，它能夠?qū)崟r(shí)采集電池充電過(guò)程中的電流、電壓、溫度等模擬量，使充電始終在最佳狀態(tài)下進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了高效、快速、無(wú)損的充電過(guò)程。

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)選取ATMEL 公司生產(chǎn)的 atmega16 單片機(jī)作為核心控制芯片?？傮w結(jié)構(gòu)包括：電源模塊、充電主電路模塊、模擬量檢測(cè)模塊、顯示及報(bào)警模塊和IGBT 驅(qū)動(dòng)模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　在充電過(guò)程中，單片機(jī)實(shí)時(shí)采集電池充電過(guò)程中的電流、電壓和溫度等模擬量，通過(guò)其內(nèi)部的A/D 轉(zhuǎn)換器將上述模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并判斷電池是否出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)溫等故障。若出現(xiàn)故障，單片機(jī)立即關(guān)斷IGBT，并發(fā)出聲光報(bào)警。若檢測(cè)正常，則采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM 脈沖來(lái)控制IGBT 開(kāi)關(guān)，通過(guò)BUCK 電路對(duì)電池進(jìn)行充電。

　　2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 充電主電路設(shè)計(jì)

　　充電主電路其實(shí)是一個(gè)BUCK 變換器，BUCK 電路屬于降壓斬波電路。充電主電路如圖3 所示。IGBT、二極管、電感L1 和電容C10 構(gòu)成BUCK 電路，220V市電經(jīng)變壓器降壓，通過(guò)整流橋整流和EMI 平滑濾波后，作為直流充電電源。在工作過(guò)程中，PWM 控制信號(hào)的高電平脈沖出現(xiàn)，使IGBT 導(dǎo)通，電感L1 的電流不斷增大，并對(duì)電容C10 儲(chǔ)能，同時(shí)對(duì)電池充電。此時(shí)，續(xù)流二極管因反向偏置而截止。PWM 信號(hào)出現(xiàn)低電平時(shí)，IGBT 截止，電感L1 維持原電流方向，與續(xù)流二極管構(gòu)成充電回路，利用L1 和C10 中存儲(chǔ)的電能向電池充電。

　　圖2 充電器實(shí)物圖。

　　圖3 充電主電路。