图1  系统总体结构框图

图2  智能充放电电源主电路

(2)  控制电路
    以单片机为核心的充放电电源控制电路结构框图如图3所示。与一般的充电机相比，它能充分发挥单片机的优势，通过修改程序改变充电方式，不断优化充电算法；还可以对不同的电池、不同的使用阶段采用自适应控制技术，使应用范围更加广泛。在硬件结构上，充放电参数的现场检测单元、单片机自适应调节控制电路以及晶闸管触发电路是保证充放电控制算法实现的关键，本系统采用Intel 80C196单片机作为主控单元，以锁相环PLL为基本控制原理的CA6100晶闸管通用触发板作为中间缓冲环节，完成单个节点充放电电源的智能控制。

图3  智能充放电电源控制框图

 

①  单片机控制电路
    单片机控制电路以INTEL80C196KC为核心，包括现场充放电参数检测及A/D转换单元、总线通信单元、键盘、液晶显示报警单元、过压过流保护单元等。现场采集的蓄电池充放电电压、电流、温度等模拟量经缓冲、隔离电路后，进入80C196KC的A/D转换口，由单片机定时采样并完成A/D转换；单片机将A/D转换后的数据与设定参数进行比较和数字计算，由高速输出口HSO完成PWM输出，经隔离、整形、滤波处理后送出0~5V的调节信号给6100触发板，从而实现晶闸管输出脉冲移相范围0~180°可调。
    现场参数主要包括蓄电池组的充放电电压、电流、蓄电池在充放电过程中的温升等现场数据，检测的关键是处理好强弱电的隔离问题，采用继电器、霍尔传感器、温度继电器等器件能够较好地实现主电路和控制电路的隔离，避免产生干扰和发生危险；由于CAN总线是为分布式系统在强电磁干扰环境下可靠工作而设计的一种串行通信网络，只用两根导线，容易实现冗余设计，从适用性、可靠性和低成本的角度考虑，系统中笔者选择CAN总线来构成底层通信网络，所以总线通信单元采用PHILIPS半导体公司的SJA1000独立CAN控制器和PCA82C250CAN收发器；键盘和液晶显示单元采用北京青云创新科技发展有限公司的液晶显示模块LCM320240ZK和简易键盘，用于显示各智能检测节点单元发送来的现场数据、选择蓄电池充放电工作方式、向单片机发送调节控制命令并对蓄电池状态进行故障诊断、锁定和报警，通过键盘和液晶还可上、下、前、后翻屏查看监控信息（充放电电源状态、蓄电池状态、充放电曲线等）和更改系统参数设置（电压、电流阈值、温度补偿系数等）。

②  晶闸管触发系统
    有源逆变容易发生逆变颠覆，而造成逆变失败的因素大多和触发系统直接相关，晶闸管触发系统在蓄电池充放电电源中的作用很关键。本系统采用CA6100晶闸管通用触发板，其基本原理如图4所示。该系统利用锁相环技术进行相位跟踪和控制，采用EDA工艺，将核心的逻辑控制单元如VCO、计数器、相序检测器、鉴相器、脉冲逻辑控制电路等集成在一片ASIC芯片中，增强了系统的抗干扰能力和可靠性；输出脉冲具有高均衡对称性和强触发特性。0～5V的直流输入控制信号，通过缓冲放大后加入锁相环路，能够使输出脉冲移相范围在0~180°之间可调；另外该系统还具备一些辅助功能，如交流缺相自动禁止、软起停、快起停、相序自动测控核对，不需同步变压器，亦不需要附加连线，能够自动同步等。由于是强触发、高抖度（>1A/μs），所以对六只晶闸管的一致性要求并不太高。实验表明，该触发板触发脉冲均匀、可靠性高、抗干扰性好，非常适合于充放电设备的控制。

图4  CA6100触发板原理框图

3  软件设计

    系统的软件由两部分组成：上位机PC机软件和节点单元软件。PC机软件在WINDOWS环境下用组态软件产生友好的人机界面，实时读取各节点单元所传送的数据，拼装后在画面上显示，通过画面能及时了解各充放电电源的工作特性、工作状态，对不符合要求的电源发出报警信号，以便及时处理，找出蓄电池组的最佳工作点，保证电源的正常工作，提高蓄电池组充放电的工作效率。节点单元软件包括自检程序、多路A/D转换滤波处理程序、智能调节控制程序、LCD显示程序和通信程序等模块，采用汇编语言编写，仿真调试脱机模拟后固化于EPROM内。

4  常用充电方法分析

目前对蓄电池充电的方法基本分为常规充电法和快速充电法。

(1)  常规充电法
    一般来说，常规充电法有以下几种：恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变蓄电池串联电阻保持充电电流不变的充电方法，其控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力随着充电的进行而下降，充电后期充电电流多用于电解水，产生气体严重。恒压充电法是充电电源的电压在整个充电过程中保持恒定，随着蓄电池端电压的升高电流逐渐减小，但存在充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大等问题，容易造成蓄电池极板的弯曲，使电池报废。阶段充电法结合了恒流、恒压充电的优点，可以先恒流充电到预定值再改为恒压充完剩余的过程，可以将析气量大大减小，常用的有二阶段、三阶段充电法等。

(2)  快速充电法
    快速充电法近几年有所发展，它是围绕马斯提出的最佳充电曲线设计，比较流行的有脉冲式充电法、Reflex快速充电法、变电流间歇充电法、变电压间歇充电法、波浪式间歇正负零脉冲快速充电法等。快速充电法对于车载蓄电池等需要快速充电的场合有一定的现实意义，但实际上最佳充电曲线也是受很多因素影响的非线性曲线，有很大的不确定性，在实际工作中，要找到这条充电曲线是很困难的，即便找到了也会因为蓄电池在使用过程中的特性不断发生变化而不适应，所以依据这条曲线作为数学模型的充电控制相对复杂。

(3)  自适应智能充电法

图5  自适应智能充电曲线