電動叉車磷酸鐵鋰電池快充控制器設計

劉明明

（1.甘肅東方鈦業有限公司，甘肅 白銀 730900；2.甘肅澤通新能源材料有限公司，甘肅 白銀 730900）

0 引言

隨著現代工業的不斷發展，電動叉車因其清潔環保、噪聲低、運行靈活等優點已逐步替代內燃叉車占據國內市場。在電動叉車動力源選擇上也呈現出磷酸鐵鋰電池逐步取代鉛酸蓄電池的趨勢。相較鉛酸蓄電池，磷酸鐵鋰電池免維護，衰減緩慢，在達到4 000次循環充電時，放電率仍可達到80%，性能約為鉛酸蓄電池的4倍。能量轉換效率更高，充電效率為95%，相比之下鉛酸蓄電池的充電效率僅為75%。

目前，市場上大部分充電器只是單純地采用恒壓充電或者恒流充電，長期過充容易損傷電池，加快老化。而一款匹配電池特性的充電控制器可以有效延長磷酸鐵鋰電池的使用壽命，降低電動叉車的維護成本，減少充電時間，提高工作效率。

本設計以此為背景，以容量為48 V/500 Ah的電動叉車用磷酸鐵鋰電池為對象，設計了一款具有數據采集、充電管理、顯示等功能的智能控制器。

1 設計原理

根據蓄電池的充電特性曲線，可將充電過程劃分為以下三個階段：

蓄電池有終止放電電壓，過度放電會造成電池電壓低于終止電壓，如直接恒壓充電，會因過流損傷電池。所以，充電前需對電壓過低的蓄電池進行預充電。

恒流充電階段通常選用蓄電池可以接受的最大電流進行快速充電。實踐證明，最大充電電流設置成蓄電池容量的0.15～0.25倍時，電池的使用壽命最長[1]。在這一階段，蓄電池電量得到快速補充，電池電壓也會快速上升。

恒壓充電階段又叫作補足充電或慢速充電階段，目的是將電池電量完全充滿。在這一階段會出現蓄電池充電電流迅速減小的現象，隨著電量的繼續增加，電流一直減小到額定電流的10%。

通過這兩個階段，可以將電池電量充到總容量的90%左右。最后再采用涓流使電池趨于滿電量。

2 方案設計

本設計采用單片機來控制整個電路，并將硬件劃分為以下幾個模塊：

數據采集模塊，采用共模采集法采集電壓，精密電阻測量法采樣電流，并將采集到的模擬量輸出給單片機處理。

開關電源模塊，將AC220 V的市電轉換成符合蓄電池輸入的直流充電電壓。采用EMI/EMC濾波電路來消除市電電網中的干擾成分。因為三段式充電過程存在恒流階段、恒壓階段，所以需要電壓等級可調，直流輸出穩定，以電流型[2]為最優，故DC-DC環節采用單端反激型變換器。

單片機控制部分，接收和處理采集模塊傳送來的數據，輸出不同占空比的PWM控制信號至開關電源模塊，以此來控制充電電壓和電流，并實時顯示電池的電壓、電流以及充電狀態。

3 硬件電路設計

硬件電路總體設計如圖1所示。

圖1 硬件電路圖

3.1 開關電源電路

3.1.1 UC3842及其外圍電路

啟動電路選取阻值50 kΩ的電阻R2對輸入進行降壓，電容C7兩端的電壓隨著充電逐漸上升，當該電壓大于芯片管腳7處的啟動電壓16 V時，芯片完成啟動，轉由供電電路為芯片供電。

供電電路直接從反饋繞組取得電壓，經過阻值為10 Ω的電阻R3，二極管D3送入管腳7，以對芯片持續供電，該電壓只要維持在10～30 V便可以確保芯片的正常工作，工作電流在15 mA左右。穩壓管D1可以防止出現過電壓損毀芯片。

誤差放大器性能改善電路由電阻R8、電容C16構成，將電容電阻并聯，分別接在管腳1和管腳2，用來改善芯片內部誤差放大器的增益和頻率特性[3]。

振蕩電路由時間電容C9、時間電阻R4以及濾波電容C10構成，管腳4是振蕩頻率的輸入端，管腳8輸出5 V正電壓。振蕩頻率大小為1.72/RC[4]。

電流反饋電路由電流采樣電阻R7、電阻R6、電容C11構成，管腳3是芯片的電流反饋端。當開關管導通時，流過采樣電阻R7的電流逐漸增大，即它兩端的電壓降也發生相應的變化，電阻R6將這個電壓反饋給管腳3，實現過流保護。R6和C11的作用是濾除開關管導通時的尖峰電流，以免產生誤動作。

PWM輸出電路由電阻R5、二極管D6構成，管腳6輸出大小為1 A的PWM波以驅動開關管的導通和關斷。電阻R5的作用是限制芯片的輸出電壓，以防止其過高而損壞開關管。二極管D6的作用是防止開關管電壓翻轉，對電路起到保護作用[5]。

3.1.2 濾波整流電路

本設計的電源是220 V的市電，所以通過濾波整流電路將AC220 V轉換成直流電，再通過DC-DC變換器進行降壓。

EMI/EMC濾波電路由電容CX1、CX2、電感L構成。電容CX1和CX2是防治EMI元件，對低頻段的EMI的抗干擾能力較強。配置泄放電阻RX。電容CY1及CY2則是用來降低高頻干擾信號對系統的影響。整流電路由全橋整流橋和濾波電容C5構成，可將AC220 V整流成DC308 V。

3.1.3 DC-DC電路

本設計選用Buck-Boost型變換器作為DC-DC轉換部分，該變換器由開關管Q1、高頻變壓器（帶反饋繞組）、二極管D4以及電容C13構成。其中R1、C8、D2構成緩沖電路，該部分的作用是防止開關管Q1關斷瞬間會有尖峰電壓產生。二次側的電阻R12和電容C12以及快速恢復二極管D5構成D4的緩沖電路，以減小二極管D4截止時產生的尖峰電壓。

3.1.4 反饋電路

開關電源的反饋電路部分主要由TL431和EL817及其外圍電路構成，TL431通過其內部的2.45 V的基準電壓源構成一個誤差電壓放大器，并將誤差以電流信號的形式傳遞給EL817的另一端，再將這個信號以電壓的形式傳遞到UC3842的誤差電壓放大器輸入端，從而實現對DC-DC變換器輸出電壓的精確調整。電阻R24、R9和R10是變換器輸出端的分壓電阻，輸出電壓經過這三個電阻的分壓后，電阻R10上得到一個2.5 V左右的采樣電壓，用內部基準電壓與之比較并在管子內部相應地產生一個1～100 mA的電流。當輸出端電壓升高時，誤差電壓為正，導通能力增強，流過光耦控制端的電流變大，通過電-光-電后，在另一端產生線性相關的電壓信號，并傳輸到UC3842的2腳。當UC3842的2腳檢測到電壓變大時，內部的PWM發生器產生的脈沖信號占空比減小，MOSFET管的導通時間縮短，輸出電壓降低，從而實現穩壓的功能；反之亦然。

3.1.5 RC低通濾波放大電路

這一部分電路的作用主要是將單片機輸出的PWM脈沖轉換成0～5 V的模擬電壓輸出，然后將這個電壓信號加到UC3842的管腳2上面，通過與UC3842內部的電壓基準源比較，來調節芯片管腳6輸出的PWM波的占空比，從而起到控制開關電源電壓大小的作用[6]。其中電阻R1和電容C1共同構成一階RC濾波電路，降低紋波電流。隨后使用運算放大器來提高RC濾波電路濾波后的電壓等級，放大倍數由電阻R2和R3的阻值大小決定。

3.1.6 過電壓、欠電壓、過流保護電路

當供電電壓超過AC265 V時，電壓反饋腳3腳的電壓也急劇上升，當上升超過0.3 V時輸出被關閉，實現過壓保護。當供電電壓低于AC85 V時，管腳1電壓降大于1 V，PWM比較器輸出高電平，輸出被關閉，實現欠壓保護。過流保護是通過電阻R6將采樣電阻上的電壓反饋給管腳3，當壓降達到1 V時，即采樣電流超過1.5 A時，電流比較器發生翻轉，鎖存器復位，芯片輸出關閉。

3.2 數據采集電路

本設計將開關電源輸出電壓經過分壓電阻來獲得電壓采樣信號，電阻R1和R2是分壓電阻，電阻R3和R4是二級分壓電阻，電容C1是濾波電容。經過這個電路可將輸出電壓衰減至原電壓的1/20左右（小于5 V）。運算放大器將電流采樣電阻兩端的電壓轉化至單片機AD通道所需的范圍。電阻R4和R5的作用是將輸出的電壓鉗制在正電壓范圍內。

3.3 微處理器及拓展電路

單片機采用最小單元設計，外圍電路包括外部時鐘電路、蜂鳴器電路、復位電路。外部時鐘電路由晶振、電容連接到XTAL1、XTAL2引腳。蜂鳴器電路供電電壓為正5 V，由單片機輸出的PWM波驅動，發出聲音報警。復位電路提供一個按鈕將控制器復位至初始狀態，上拉電阻R2可以防止干擾引起誤復位。

3.4 輔助電源電路

輔助電源模塊由變壓器、整流濾波元件和LM7805搭建而成。采用線性變壓器將AC220 V轉換成AC10 V，并經過全橋進行整流。電容C1和C2是濾波電容。電容C4過濾高頻干擾信號，電容C3防止電路產生自振蕩，抵消電路中的電感效應。

4 軟件設計

主程序流程如圖2所示，程序開始運行后，首先完成系統的初始化，執行模數轉換子程序來完成電池電壓和充電電流的檢測，根據衰減倍數對數據進行還原，以得到準確的實時電壓和電流，并將這一數據進行存儲，以供顯示程序或者充電控制程序調用。隨后進入電壓電流控制程序，這是電動叉車充電控制的主要程序，先對電池電壓進行檢測，并依此來選擇充電模式[7]。當電壓低于45 V時，電池處于過度放電狀態，選擇預充模式；在45～57.5 V，且充電10 s后電池電壓明顯上升，電池處于低電量，選擇快充模式（先恒流充電，后恒壓充電）；當電壓無顯著上升時，則采用涓流充電模式，并開啟計時器2。系統根據不同的模式設置對應的PWM波的占空比。當充電電壓高于58.8 V或計時器2時間結束時關閉PWM輸出，并進行報警，表示電池充滿電。顯示程序實時運行，面板第一行顯示充電狀態（充電階段）和充電時間，第二行顯示電量估計、充電電壓和充電電流。

圖2 主程序流程圖

5 結束語

本設計是基于單片機控制，以單端反激式開關電源為輸出的電動叉車用智能型充電控制器。該充電控制器還具有充電電壓、電流實時監測顯示，過電壓、欠電壓自動保護，過電流自動調節，電池充滿后自動報警的功能。同時，外圍電路簡單，實現容易，而且具有良好的電壓調整率，充電過程匹配蓄電池的充電規律，有利于電池的保護和使用壽命的延長。