作者：浙江大學高壓大功率研究所 李明月 劉金云 楊水濤

摘 要：介紹了一種利用TMS320LF2407來進行全數字控制，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，帶滯環的PI調節器。樣機試驗結果表明控制方法可行，充放電精度高。

關鍵詞：蓄電池；充電；放電；DSP；Buck-B00st；數字控制

0 引言

蓄電池作為儲能電源已廣泛用于各個行業中。蓄電池充電裝置大多采用兩級充電模式，同步采樣方法，用不帶滯環的PI調節器進行PI調節。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管動作引起的電壓和電流尖峰，從而導致系統運行不穩定。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確，系統更加穩定。為了減少蓄電池充放電系統穩態時的噪聲，提高動態響應，引入滯環PI調節器，相對于不帶滯環的PI調節器，控制過程相對更為簡單并且提高了系統的穩定性。本文以12V，100A·h鉛酸蓄電池為例，介紹了全數字控制蓄電池充放電電路和控制方法。

1 系統主電路

蓄電池充放電的Buck—Boost主電路和TMS320LF2407控制目標板示于圖1。該電路的電流可雙向流動：當電流由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變成負載。用傳感器對Ude、Uba和IL進行采樣送入DSP中，進行AD轉換。當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閉的不工作狀態。

2 系統控制原理

2．1控制方法簡介

如圖1所示，由傳感器送來的Udc、Uba和IL三路采樣信號經過DSP內部的AD模塊轉換。通過比較Ude和Uba電壓的大小判斷電路工作于充電狀態還是放電狀態。當Ude>Uba時，電路工作于Buck(蓄電池充電)模式。根據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個單體蓄電池串聯而成，因此，UbaL=1．75 V×6=10．5 V；Uba_H=2．25×6=13．5V。當蓄電池電壓過低，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。當蓄電池電壓升高到UbaL時轉為恒流充電，充電電流為，IL_H=O．1 C。當蓄電池電壓升高到Uba_H時(13．5V)，轉為恒壓充電，充電電壓為13．5V，此時充電電流應該繼續減小。這里對于12V，100A．h的蓄電池來說。C=100A。當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管開始工作時進行電壓、電流采樣，因為開關管動作會引起電壓、電流尖峰，采樣的數值就有很大偏差，造成系統不穩定，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開關頻率為20kHz，通過在周期中斷程序中延時5μs，就可以避免開關管動作對采樣值產生影響，實現非同步采樣。

2.4帶滯環的PI調節器

DC／DC變換器的動態和穩態調節目標不同。動態時要求系統響應快，超調量小，此時要求調節器能有效控制系統振蕩，快速進入穩定狀態。穩態時要求系統穩定性好，穩定范圍寬。針對這兩種狀態，對蓄電池充放電的PI調節實行滯環調節。

式中：f[e(k)]為PI調節函數。
 
當輸出誤差e(k)的絕對值比較小時，采用滯環兩點控制；當e(k)在滯環外時(誤差的絕對值較大時)采用PI調節。這樣就可以既快速又平穩地調節蓄電池充放電了。

3 軟件設計

采用DSP的通用定時器T1、T2分別產生PWM，、PWM2輸出，控制S1、S2的開通和關斷，選擇連續增計數模式，產生PWM步驟如下：

1)根據載波周期設置TxPR；
2)設置TxCON寄存器以確定計數模式和時鐘源，并啟動PWM輸出操作；
3)將對應于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PI調節。圖5是蓄電池放電程序流程圖