基于PID算法的铅酸蓄电池智能充电设计

　　摘 要：针对矿用永磁操动机构馈电开关智能控制器采用的铅酸蓄电池在充电过程中存在充电过度、充电不足、电池过热和充电速度慢等诸多问题，设计了一种以atmega16 单片机为核心的智能充电器。采用了基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法，提高了充电器的充电速度，减少了电池损耗，实现了对铅酸蓄电池充电过程的智能化控制。

　　目前矿用永磁操动机构馈电开关智能控制器采用铅酸蓄电池作为备用电源。传统的铅酸蓄电池充电方法有恒流限压充电和恒压限流充电，但充电效果都不是很理想，一方面这些方法充电时间过长，温升过快。

　　另一方面，充电过程中存在过充和欠充现象［1］。专家研究表明：铅酸蓄电池充电过程对其寿命影响最大，过充电、充电不足以及温升都是引起电池故障的主要原因［2，3］。

　　基于以上原因，系统根据蓄电池的充电特性，采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法，设计了以atmega16 单片机为核心的智能充电器，它能够实时采集电池充电过程中的电流、电压、温度等模拟量，使充电始终在最佳状态下进行，实现了高效、快速、无损的充电过程。

　　1 系统总体结构设计

　　系统选取ATMEL 公司生产的 atmega16 单片机作为核心控制芯片。总体结构包括：电源模块、充电主电路模块、模拟量检测模块、显示及报警模块和IGBT 驱动模块。系统总体结构如图1 所示。

　　

　　图1 系统总体结构图

　　在充电过程中，单片机实时采集电池充电过程中的电流、电压和温度等模拟量，通过其内部的A/D 转换器将上述模拟量转化为数字量，并判断电池是否出现过压、过流和过温等故障。若出现故障，单片机立即关断IGBT，并发出声光报警。若检测正常，则采用基于sugeno 推理的模糊PID 控制算法产生相应占空比的PWM 脉冲来控制IGBT 开关，通过BUCK 电路对电池进行充电。

　　2 系统硬件电路设计

　　2.1 充电主电路设计

　　充电主电路其实是一个BUCK 变换器，BUCK 电路属于降压斩波电路。充电主电路如图3 所示。IGBT、二极管、电感L1 和电容C10 构成BUCK 电路，220V市电经变压器降压，通过整流桥整流和EMI 平滑滤波后，作为直流充电电源。在工作过程中，PWM 控制信号的高电平脉冲出现，使IGBT 导通，电感L1 的电流不断增大，并对电容C10 储能，同时对电池充电。此时，续流二极管因反向偏置而截止。PWM 信号出现低电平时，IGBT 截止，电感L1 维持原电流方向，与续流二极管构成充电回路，利用L1 和C10 中存储的电能向电池充电。

　　

　　图2 充电器实物图。

　　

　　图3 充电主电路。