基于DSP的船用蓄電池分級恒流充電控制系統(tǒng)

李小謙，謝 煒，耿 攀，雷 津

(1．武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064;2．海軍駐719所軍事代表室，湖北 武漢 430064)

基于DSP的船用蓄電池分級恒流充電控制系統(tǒng)

李小謙1，謝 煒1，耿 攀1，雷 津2

(1．武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064;2．海軍駐719所軍事代表室，湖北 武漢 430064)

提出了1種基于DSP的船用蓄電池分級恒流充電控制器的方案，分析了控制器硬件及軟件的結(jié)構(gòu)和功能，并在大功率直流電力系統(tǒng)平臺上進行了實驗驗證，結(jié)果表明控制器的性能良好。

DSP;分級恒流控制;船用蓄電池

1 概述

某些船舶采用電力推進方式，其特點是一次動力源為柴油發(fā)動機，二次動力源為蓄電池，在柴油機動力不足或者特殊工況下由蓄電池提供主要動力。另外，蓄電池還能增加其水下續(xù)航能力，提高作戰(zhàn)隱蔽能力。本文研究的蓄電池充電系統(tǒng)包括4臺整流柴油發(fā)電機、2組蓄電池、直流負載、保護裝置及充電控制系統(tǒng)等。該系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中1號和3號柴油發(fā)電機為1組，Icf1和Icf3為2臺柴發(fā)充電電流，與1號蓄電池組直接并聯(lián)，蓄電池充電電流為Idc1;2號和4號柴油發(fā)電機為1組，Icf2和Icf4為2臺柴發(fā)充電電流，與2號蓄電池組直接并聯(lián)，蓄電池充電電流為Idc2;2組蓄電池分別并接負載后通過限流保護裝置Rx并聯(lián)。蓄電池分級恒流充電控制系統(tǒng)作為充電系統(tǒng)的核心，要求其盡可能地在延長蓄電池使用壽命的基礎(chǔ)上在規(guī)定的時間內(nèi)使蓄電池快速充足電量。它的主要任務(wù)是根據(jù)給定的電流級別經(jīng)過計算輸出4～20 mA的恒流控制信號，該信號經(jīng)過勵磁調(diào)節(jié)器放大后去控制柴油發(fā)電機的勵磁電流，從而使2組蓄電池的充電電流值達到給定的充電電流級別。

圖1 恒流充電等效模型Fig.1 Equivalence model of constant-current charge

2 蓄電池充電系統(tǒng)的控制策略

充電系統(tǒng)的充電電源為4臺柴油發(fā)電機，有恒流或恒壓2種工作模式，一般發(fā)電機恒壓充電工作于手動工況，需要實時調(diào)節(jié)控制電位器來調(diào)節(jié)充電電流，操作強度大，而自動充電工作于恒流模式，采用多級恒流與浮充恒壓充電方案，自動充電方案具體如下：

1)將充電過程分段

將蓄電池整個充電過程分為6個恒流階段和1個浮充階段。根據(jù)經(jīng)驗選擇2 400 A，1 800 A，1 200 A，900 A，600 A和300 A作為上述6個恒流階段的充電設(shè)定值。

2)各充電階段終止控制策略

主要基于每階段的蓄電池端電壓值。當蓄電池端電壓達到設(shè)定的閾值時，便進入恒壓充電階段，充電電流將逐漸減小，同時提示轉(zhuǎn)入下一充電階段。

3)浮充階段的充電控制策略

當切換到浮充檔后若此時蓄電池端電壓沒有達到所設(shè)定的浮充電壓值，則充電電流限制在100 A內(nèi)。當達到浮充電壓值時，控制蓄電池組的充電電流為0，使蓄電池組處于既不充電又不放電的狀態(tài)。

4)發(fā)電機的投入和推出策略

柴油發(fā)電機的工作電流有最大上限，有功率缺額時，需要提示投入新的柴油發(fā)電機彌補缺額，并且操作投入柴油發(fā)電機后能自動均流，減小沖擊;柴油發(fā)電機處于輕載或空載狀態(tài)，特別是在柴發(fā)低于25%負載并聯(lián)運行時易出現(xiàn)振蕩，需要提示退出柴油發(fā)電機，避免振蕩，提高燃油效率。

5)功率保護越限策略

在柴發(fā)滿功率的情況下，不是所有的情況下柴發(fā)都能輸出額定電流，當蓄電池電壓升高到一定值后，需要實時計算此時的最大充電電流上限值，避免柴油發(fā)電機功率越限。

3 基于DSP的充電控制器硬件電路設(shè)計

如圖2所示，整個硬件電路主要包括2組蓄電池電壓電流檢測及采樣電路、4臺柴油發(fā)電機投入狀態(tài)開關(guān)量檢測電路、4臺柴油發(fā)電機勵磁狀態(tài)開關(guān)量檢測電路、充電電流分級開關(guān)信號檢測電路、4臺柴油發(fā)電機控制信號D/A輸出及隔離電路、CAN通訊接口電路等。

圖2 充電控制系統(tǒng)硬件總體框圖Fig.2 General diagram of charging control system

3.1 蓄電池組電壓電流檢測及采樣電路

2組蓄電池組的電壓、電流的取樣都是通過霍爾傳感器來實現(xiàn)的，其采樣信號經(jīng)過調(diào)理電路、RC濾波電路接入芯片 TLV2544的模擬輸入通道，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，通過高速光耦隔離電路6N137將串行數(shù)據(jù)送入DSP。

3.2 4路恒流控制信號輸出電路

DSP計算的控制量是數(shù)字量，因此需要將其轉(zhuǎn)化為模擬信號才能作為4臺柴油發(fā)電機勵磁的輸入信號。4路數(shù)字控制信號通過光耦隔離電路，驅(qū)動4路具有獨立隔離電源的模轉(zhuǎn)換芯片DAC7512產(chǎn)生輸出0～5 V的電壓信號，柴油發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)器是由電流信號驅(qū)動的，故采用由AD694恒流源電路把0～5 V電壓信號轉(zhuǎn)化為4～20 mA的電流信號。

3.3 電壓限幅值下傳通訊電路

蓄電池使用一段時間后，充電特性會發(fā)生變化，為便于維護蓄電池，上位機可以通過CAN隔離通訊接口將修改后的電壓保護限幅值下傳到控制板上，并在數(shù)據(jù)效驗合格后存儲于EPROM中，提供快捷的用戶接口。

4 基于DSP的充電控制器軟件設(shè)計

在以TMS320LF2407為核心構(gòu)成的蓄電池恒流充電控制系統(tǒng)中，其軟件功能可分解如下：

1)實現(xiàn)檢測信號的A/D變換和控制信號的D/A轉(zhuǎn)換;

2)實現(xiàn)蓄電池多級充電電壓限幅數(shù)據(jù)下載存儲;

3)實現(xiàn)電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的PI控制算法;

4)實現(xiàn)4臺柴油發(fā)電機的投入和退出邏輯控制及指示。

主程序要完成系統(tǒng)和所需各個功能模塊的初始化，進入主程序中循環(huán)執(zhí)行，等待T1周期中斷的發(fā)生。T1中斷周期為20 ms，是程序調(diào)用的最小時間節(jié)拍。一旦T1周期中斷發(fā)生，DSP自動執(zhí)行T1周期中斷服務(wù)子程序，完成0～9的循環(huán)計數(shù)，即一個調(diào)節(jié)時間步長為200 ms，其間以時間片來調(diào)度蓄電池電壓、電流共4路檢測信號的A/D變換、PI調(diào)節(jié)算法、投入邏輯控制、D/A轉(zhuǎn)換及通訊接口的數(shù)據(jù)查詢。

在蓄電池恒流充電控制系統(tǒng)中，由于柴油發(fā)電機輸出恒定電流，而充電電流的變化會直接影響端電壓的變化，設(shè)計了電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)的PI控制結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中電壓環(huán)為外環(huán)，在2 400 A，1 800 A，1 200 A，900 A和600 A充電電流級別時，設(shè)定的電壓給定值為蓄電池的過充保護電壓值，在300 A時設(shè)定為浮充電壓值。當端電壓沒有達到該電壓值時，電壓環(huán)將輸出與充電電流級別關(guān)聯(lián)的飽和值，這時電流環(huán)起主要作用;當蓄電池達到該電壓值時，電壓環(huán)才起作用。

圖3 電壓、電流環(huán)雙環(huán)PI控制原理Fig.3 Diagram of voltage-current double loop PI Controling system

電壓環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)采用PI調(diào)節(jié)器。根據(jù)雙環(huán)控制的結(jié)構(gòu)特點，選用增量式PI調(diào)節(jié)器算法。增量式PI調(diào)節(jié)器算法的表達式是［1］：

圖4給出了PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)框圖，為了防止溢出，設(shè)置了輸出飽和限制。PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)值(k1和k2)整定比較復(fù)雜［2］，需要通過實驗來整定。

圖4 PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structural diagram of PI controller

根據(jù)上面的主要思想，可以得到系統(tǒng)的電壓和電流雙環(huán)PI控制流程圖如圖5所示。

圖5 電壓、電流環(huán)PI控制流程Fig.5 Flow process chart of voltage-current double loop PI Controling system

5 試驗結(jié)果

在進行實際系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實驗時，在蓄電池充電系統(tǒng)模擬測試平臺上根據(jù)幾種典型的工況驗證了控制器的性能。

第1種工況：蓄電池并聯(lián)充電，1和2號發(fā)電機投入，將充電電流級別從1 200 A逐級切換到0 A檔，觀察蓄電池各級充電電流響應(yīng)情況。以1 200 A切換到900 A為例，圖6給出了充電電流較大一組蓄電池的響應(yīng)情況。

圖6 充電電流較大一組蓄電池的響應(yīng)情況Fig.6 Battery charging response with higher current

由圖6可看出，充電電流調(diào)節(jié)過渡過程比較平緩，調(diào)節(jié)時間為12 s左右，符合實際系統(tǒng)的要求。

第2種工況：蓄電池并聯(lián)充電，1和2號發(fā)電機投入，將充電電流級別切換為900 A，觀察蓄電池充電電壓上升，達到保護值545 V時充電電流的變化。

圖7 恒壓保護時蓄電池充電電流變化Fig.7 Battery charging response with constant-voltage protecting

從圖7可見，蓄電池端電壓達到設(shè)定值時，充電電流會逐漸減小。這時充電電流的控制進入電壓、電流雙環(huán)調(diào)節(jié)的階段，為了維持端電壓恒定，充電電流必然要減小，但變化過程要求比較平緩。

6 結(jié)語

該控制器的各項性能指標完全達到了設(shè)計的預(yù)期要求。在后續(xù)的研究中還要繼續(xù)2方面的工作：一是設(shè)計友好方便的人機界面或者交互接口;二是反饋PI環(huán)參數(shù)和電壓、電流的采樣值和方向，用于監(jiān)控控制器的工作狀態(tài)，以提高控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。

［1］高金源．計算機控制系統(tǒng)－理論、設(shè)計與實現(xiàn)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001．

GAO Jin-yuan．Computercontrollersystem-theoryand design and implementation［M］．Beijing：Beijing Aerospace University Press，2001．

［2］賴壽宏．微型計算機控制技術(shù)［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2003．

LAI Shou-hong．A micro-computer control technology［M］．Beijing：Mechanical Industry Press，2003．

Research on multi-constant current charging control system for batteries used in ship power station

LI Xiao-qian1，XIE Wei1，GENG Pan1，LEI Jin2
(1．Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China;2．Navy Representation Office at 719 Research Institute，Wuhan 430064，China)

This paper presents a ship multi-constant current batteries charging controller based on DSP is designed，and the specific properties of the controller are verified through experiment on the highpower DC power system platform．

DSP;Multi-constant current charging;marin battery

U664．14

A

1672－7649(2012)05－0074－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.05.017

2011－06－27

李小謙(1983－)，男，工程師，研究方向為船舶電氣及其自動化。