用于煤礦機(jī)車蓄電池的智能充電機(jī)設(shè)計
0 引言
本文介紹的智能充電機(jī)為高頻開關(guān)電源式，大大減小了整個系統(tǒng)的體積，提高了充電效率；充電方法采用變電流脈沖充電法，使得充電電流更好地逼近蓄電池的可接受充電電流曲線，從而加快了充電的速度，有效地保護(hù)了蓄電池，延長了電池的循環(huán)使用壽命。
1 鉛酸蓄電池充電理論及智能充電工藝
1967年美國科學(xué)家馬斯（J．A．MAS）以蓄電池充電時的最低析氣率為前提，提出了蓄電池能夠接受的最大充電電流和可接受的充電電流曲線（稱為馬斯曲線）。如圖1所示，任意充電時刻的蓄電池可接受的充電電流
從圖1可以看出，蓄電池在充電之初可接受電流很大，但是衰減很快，這是由于在充電的過程中蓄電池內(nèi)部產(chǎn)生了極化現(xiàn)象，阻礙了電池的繼續(xù)充電。電池的極化分為歐姆極化、電化學(xué)極化和濃差極化3部分，其中，歐姆極化和電化學(xué)極化在充電停止時即可消失，而濃差極化的消除比較緩慢，在數(shù)秒內(nèi)逐漸降低并消失。另外，由鉛酸蓄電池的電化學(xué)理論可知，當(dāng)充電電流大于蓄電池的可接受電流時，多出的電能將用于水的電解反應(yīng)，導(dǎo)致電池極板上產(chǎn)生氣泡，電池內(nèi)部溫度上升，進(jìn)而損壞電池。因而，充電過程中的電流必須盡可能地逼近馬斯曲線，比較普遍的充電法有恒流遞減式充電法和脈沖充電法。
20世紀(jì)90年代末，廈門大學(xué)的陳體銜教授在VRLA電池充電實驗的基礎(chǔ)上提出了變電流間歇充電法（見圖2），其特點是在變電流間歇恒流充電段設(shè)定停充電壓，當(dāng)電池端電壓達(dá)到停充電壓時便停止充電一段時間，以后逐次減小充電電流值。為將電池恢復(fù)至完全充電態(tài)，充電后期采用恒壓均充電，充電電流逐漸減小，達(dá)到涓充電流后保持不變，在設(shè)定時間之內(nèi)若無變化則結(jié)束充電過程。
本文中介紹的智能充電方法是在變電流間歇充電法的基礎(chǔ)上，在各個恒流充電段中加入很短時問的停充間隔，這樣各段的恒流充電可以看成是由一系列幅值和脈寬相同的脈沖電流組成（見圖3），采用這樣的方法更有利于前面所述的3種極化現(xiàn)象的消除。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
2．1主電路設(shè)計
智能充電機(jī)的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，該系統(tǒng)采用交一直一交一直型電路結(jié)構(gòu)。輸入為三相380V交流電，經(jīng)三相橋式整流后得到486～530V的直流電壓，當(dāng)中加濾波電容和均壓電阻。直流一交流變換部分采用H橋變換電路，功率開關(guān)器件IGBT的選?。海?）耐壓值，Voc=537V，留2倍裕量，取 vcEs=1200V；（2）通態(tài)電流值，=52A，取，=100A；（3）開關(guān)頻率在30～40kHz。故選用EUPEC公司的DB— FF100R12KS4系列IGBT模塊。該模塊內(nèi)部集成了2個IGBT功率管，每個功率管上并聯(lián)了保護(hù)二極管。IGBT功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷由PWM發(fā)生器SG3525產(chǎn)生的驅(qū)動信號來控制，由此控制輸出電壓和輸出電流的大小。高頻變壓器的副邊輸出采用全波整流電路，經(jīng)電感、電容濾波后對蓄電池進(jìn)行充電。該充電機(jī)最大輸出電流為80A，最大輸出電壓為280V，最大功率22．4kW，屬于大功率充電機(jī)。
2．2控制系統(tǒng)設(shè)計
?。?）DSP芯片2407
充電機(jī)的控制系統(tǒng)采用DSP芯片，選用了TI公司的TMSLF240X系列的2407芯片。該系列DSP片內(nèi)提供有32K字的FLASH程序存儲器空間，高達(dá)1．5K字的數(shù)據(jù)／程序RAM，544字的雙口RAM和2K字的單口RAM。含有2個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括2個16位通用定時器，16通道的1O位的A／D轉(zhuǎn)換器。外部配以采樣電路（電池端電壓、充電電流和電池溫度等）、輸出控制電路、EEP．ROM讀寫電路（讀取和存儲重要充電參數(shù)）、鍵盤掃描電路和SCI串行通信電路（用于上位機(jī)控制和聯(lián)機(jī)通訊）等。DSP還通過并行線與顯示屏驅(qū)動芯片T6963C相連接，用戶通過鍵盤和顯示屏組成的人機(jī)界面可以方便地翻閱菜單，設(shè)置充電參數(shù)，控制整個充電過程。
?。?）采樣電路在該系統(tǒng)中，DSP通過采樣電路負(fù)責(zé)對輸出電流、蓄電池端電壓、直流母線電壓、高頻變壓器溫度、蓄電池溫度等多個模擬量進(jìn)行采樣。其中，充電電流、蓄電池端電壓和蓄電池溫度值在顯示屏上實時顯示，以使用戶能夠及時方便地知道充電參數(shù)值以及充電過程正處于哪個階段；同時，DSP通過對各個溫度值的檢測，決定系統(tǒng)是否應(yīng)處于工作狀態(tài)（指處于對蓄電池的充電狀態(tài)），當(dāng)檢測到任意一種溫度值超過允許值時，立即停機(jī)。此外，充電電流和蓄電池端電壓這2個反饋量與DSP的輸出給定量構(gòu)成電流和電壓閉環(huán)控制，其比較值經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器，作為PWM控制器的輸入信號。
?。?）PWM控制芯片SG3525PWM控制芯片用以輸出控制功率管導(dǎo)通關(guān)斷的信號。在該控制電路中選用的是美國硅通用公司的SG3525芯片。 SG3525由輸出5．1V、溫度系數(shù)1％的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源、誤差放大器、振蕩頻率在100～400Hz的鋸齒波振蕩器、翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器和保護(hù)電路組成，能夠輸出兩路占空比相等，且相位相差180。的驅(qū)動信號。DSP芯片的輸出經(jīng)過電壓和電流閉環(huán)后，各輸出兩路信號，經(jīng)過IGBT集成驅(qū)動芯片M57959的放大，傳至IGBT的柵極，控制H橋逆變電路上處于對角位置的IGBT功率開關(guān)管。
2．3軟件設(shè)計
充電機(jī)的軟件程序是在ccs2（C2000）開發(fā)系統(tǒng)下編制而成，程序用c語言編寫，采用模塊化程序設(shè)計方法，整個系統(tǒng)工作的主程序如圖5所示。
充電機(jī)的軟件程序中為用戶設(shè)計了豐富的功能菜單。用戶進(jìn)入運行界面后，可以選擇充電方式，并根據(jù)蓄電池的不同，設(shè)置各個充電階段的充電參數(shù)，包括：起充電流、停充電壓、充電時間、變電流系數(shù)和脈沖占空比等，并可將這些重要參數(shù)保存進(jìn)EEP．ROM，以供下次相同蓄電池充電的需要。根據(jù)具體充電運行情況的不同，用戶可通過操作鍵盤在充電過程中加大或減小充電電流。
3 實驗結(jié)果
在充電實驗中，所用的電機(jī)車蓄電池由淮南顧橋煤礦提供，每臺機(jī)車所用的蓄電池為由96節(jié)蓄電池串聯(lián)而成的蓄電池組，完全充電后電壓為192V左右。根據(jù)具體情況，充電機(jī)的首段充電電流為80A，停充電壓值為2．55V／cell，電流遞減系數(shù)為0．6，在試驗中，一般經(jīng)過3～4段恒流脈沖問歇充電后，轉(zhuǎn)為恒壓均充電。經(jīng)過多次充電試驗表明，該智能充電機(jī)能夠?qū)C(jī)車用鉛酸蓄電池組進(jìn)行安全和有效地充電。
將蓄電池從完全放電態(tài)充至完全充電態(tài)，整個充電時問可控制在14h以內(nèi)。充電過程中，電池內(nèi)部僅有很少量的氣泡冒出，且電池溫度也始終在較低的范圍之內(nèi)。完全充電后的鉛酸蓄電池可供礦車連續(xù)運行9～10h。與傳統(tǒng)充電工藝相比，不僅充電時間短，而且能源的利用率也大大增加。
本文介紹的智能充電機(jī)為高頻開關(guān)電源式，大大減小了整個系統(tǒng)的體積，提高了充電效率；充電方法采用變電流脈沖充電法，使得充電電流更好地逼近蓄電池的可接受充電電流曲線，從而加快了充電的速度，有效地保護(hù)了蓄電池，延長了電池的循環(huán)使用壽命。
1 鉛酸蓄電池充電理論及智能充電工藝
1967年美國科學(xué)家馬斯（J．A．MAS）以蓄電池充電時的最低析氣率為前提，提出了蓄電池能夠接受的最大充電電流和可接受的充電電流曲線（稱為馬斯曲線）。如圖1所示，任意充電時刻的蓄電池可接受的充電電流
從圖1可以看出，蓄電池在充電之初可接受電流很大，但是衰減很快，這是由于在充電的過程中蓄電池內(nèi)部產(chǎn)生了極化現(xiàn)象，阻礙了電池的繼續(xù)充電。電池的極化分為歐姆極化、電化學(xué)極化和濃差極化3部分，其中，歐姆極化和電化學(xué)極化在充電停止時即可消失，而濃差極化的消除比較緩慢，在數(shù)秒內(nèi)逐漸降低并消失。另外，由鉛酸蓄電池的電化學(xué)理論可知，當(dāng)充電電流大于蓄電池的可接受電流時，多出的電能將用于水的電解反應(yīng)，導(dǎo)致電池極板上產(chǎn)生氣泡，電池內(nèi)部溫度上升，進(jìn)而損壞電池。因而，充電過程中的電流必須盡可能地逼近馬斯曲線，比較普遍的充電法有恒流遞減式充電法和脈沖充電法。
20世紀(jì)90年代末，廈門大學(xué)的陳體銜教授在VRLA電池充電實驗的基礎(chǔ)上提出了變電流間歇充電法（見圖2），其特點是在變電流間歇恒流充電段設(shè)定停充電壓，當(dāng)電池端電壓達(dá)到停充電壓時便停止充電一段時間，以后逐次減小充電電流值。為將電池恢復(fù)至完全充電態(tài)，充電后期采用恒壓均充電，充電電流逐漸減小，達(dá)到涓充電流后保持不變，在設(shè)定時間之內(nèi)若無變化則結(jié)束充電過程。
本文中介紹的智能充電方法是在變電流間歇充電法的基礎(chǔ)上，在各個恒流充電段中加入很短時問的停充間隔，這樣各段的恒流充電可以看成是由一系列幅值和脈寬相同的脈沖電流組成（見圖3），采用這樣的方法更有利于前面所述的3種極化現(xiàn)象的消除。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
2．1主電路設(shè)計
智能充電機(jī)的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，該系統(tǒng)采用交一直一交一直型電路結(jié)構(gòu)。輸入為三相380V交流電，經(jīng)三相橋式整流后得到486～530V的直流電壓，當(dāng)中加濾波電容和均壓電阻。直流一交流變換部分采用H橋變換電路，功率開關(guān)器件IGBT的選?。海?）耐壓值，Voc=537V，留2倍裕量，取 vcEs=1200V；（2）通態(tài)電流值，=52A，取，=100A；（3）開關(guān)頻率在30～40kHz。故選用EUPEC公司的DB— FF100R12KS4系列IGBT模塊。該模塊內(nèi)部集成了2個IGBT功率管，每個功率管上并聯(lián)了保護(hù)二極管。IGBT功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷由PWM發(fā)生器SG3525產(chǎn)生的驅(qū)動信號來控制，由此控制輸出電壓和輸出電流的大小。高頻變壓器的副邊輸出采用全波整流電路，經(jīng)電感、電容濾波后對蓄電池進(jìn)行充電。該充電機(jī)最大輸出電流為80A，最大輸出電壓為280V，最大功率22．4kW，屬于大功率充電機(jī)。
2．2控制系統(tǒng)設(shè)計
?。?）DSP芯片2407
充電機(jī)的控制系統(tǒng)采用DSP芯片，選用了TI公司的TMSLF240X系列的2407芯片。該系列DSP片內(nèi)提供有32K字的FLASH程序存儲器空間，高達(dá)1．5K字的數(shù)據(jù)／程序RAM，544字的雙口RAM和2K字的單口RAM。含有2個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括2個16位通用定時器，16通道的1O位的A／D轉(zhuǎn)換器。外部配以采樣電路（電池端電壓、充電電流和電池溫度等）、輸出控制電路、EEP．ROM讀寫電路（讀取和存儲重要充電參數(shù)）、鍵盤掃描電路和SCI串行通信電路（用于上位機(jī)控制和聯(lián)機(jī)通訊）等。DSP還通過并行線與顯示屏驅(qū)動芯片T6963C相連接，用戶通過鍵盤和顯示屏組成的人機(jī)界面可以方便地翻閱菜單，設(shè)置充電參數(shù)，控制整個充電過程。
?。?）采樣電路在該系統(tǒng)中，DSP通過采樣電路負(fù)責(zé)對輸出電流、蓄電池端電壓、直流母線電壓、高頻變壓器溫度、蓄電池溫度等多個模擬量進(jìn)行采樣。其中，充電電流、蓄電池端電壓和蓄電池溫度值在顯示屏上實時顯示，以使用戶能夠及時方便地知道充電參數(shù)值以及充電過程正處于哪個階段；同時，DSP通過對各個溫度值的檢測，決定系統(tǒng)是否應(yīng)處于工作狀態(tài)（指處于對蓄電池的充電狀態(tài)），當(dāng)檢測到任意一種溫度值超過允許值時，立即停機(jī)。此外，充電電流和蓄電池端電壓這2個反饋量與DSP的輸出給定量構(gòu)成電流和電壓閉環(huán)控制，其比較值經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器，作為PWM控制器的輸入信號。
?。?）PWM控制芯片SG3525PWM控制芯片用以輸出控制功率管導(dǎo)通關(guān)斷的信號。在該控制電路中選用的是美國硅通用公司的SG3525芯片。 SG3525由輸出5．1V、溫度系數(shù)1％的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源、誤差放大器、振蕩頻率在100～400Hz的鋸齒波振蕩器、翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器和保護(hù)電路組成，能夠輸出兩路占空比相等，且相位相差180。的驅(qū)動信號。DSP芯片的輸出經(jīng)過電壓和電流閉環(huán)后，各輸出兩路信號，經(jīng)過IGBT集成驅(qū)動芯片M57959的放大，傳至IGBT的柵極，控制H橋逆變電路上處于對角位置的IGBT功率開關(guān)管。
2．3軟件設(shè)計
充電機(jī)的軟件程序是在ccs2（C2000）開發(fā)系統(tǒng)下編制而成，程序用c語言編寫，采用模塊化程序設(shè)計方法，整個系統(tǒng)工作的主程序如圖5所示。
充電機(jī)的軟件程序中為用戶設(shè)計了豐富的功能菜單。用戶進(jìn)入運行界面后，可以選擇充電方式，并根據(jù)蓄電池的不同，設(shè)置各個充電階段的充電參數(shù)，包括：起充電流、停充電壓、充電時間、變電流系數(shù)和脈沖占空比等，并可將這些重要參數(shù)保存進(jìn)EEP．ROM，以供下次相同蓄電池充電的需要。根據(jù)具體充電運行情況的不同，用戶可通過操作鍵盤在充電過程中加大或減小充電電流。
3 實驗結(jié)果
在充電實驗中，所用的電機(jī)車蓄電池由淮南顧橋煤礦提供，每臺機(jī)車所用的蓄電池為由96節(jié)蓄電池串聯(lián)而成的蓄電池組，完全充電后電壓為192V左右。根據(jù)具體情況，充電機(jī)的首段充電電流為80A，停充電壓值為2．55V／cell，電流遞減系數(shù)為0．6，在試驗中，一般經(jīng)過3～4段恒流脈沖問歇充電后，轉(zhuǎn)為恒壓均充電。經(jīng)過多次充電試驗表明，該智能充電機(jī)能夠?qū)C(jī)車用鉛酸蓄電池組進(jìn)行安全和有效地充電。
將蓄電池從完全放電態(tài)充至完全充電態(tài)，整個充電時問可控制在14h以內(nèi)。充電過程中，電池內(nèi)部僅有很少量的氣泡冒出，且電池溫度也始終在較低的范圍之內(nèi)。完全充電后的鉛酸蓄電池可供礦車連續(xù)運行9～10h。與傳統(tǒng)充電工藝相比，不僅充電時間短，而且能源的利用率也大大增加。
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