蓄電池大功率恒流放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王會(huì)鋒，王文理，張 琦，韓曉霞

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,河北 保定071000)

蓄電池在軍事、鐵路、通信、電力等各行各業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用，逐漸成為日常生活中非常重要的備用電源[1-2]。在蓄電池的生產(chǎn)和使用過(guò)程中，性能檢測(cè)是一項(xiàng)必不可少的工作。對(duì)其進(jìn)行恒流放電是研究蓄電池性能最為直接、有效的一種方法。目前對(duì)蓄電池進(jìn)行放電的方法有：采用固定電阻、可變電阻、電阻箱等作為放電負(fù)載，這需要人工調(diào)節(jié)放電電流，控制精度低[3]；采用開關(guān)電源升壓電路的方法，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比控制加在負(fù)載兩端的電壓，這種方法開關(guān)損耗大，電流有脈動(dòng)[4]。

為解決上述問(wèn)題，研制了一套以功率MOSFET管作為電子負(fù)載，能夠自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)整個(gè)放電過(guò)程，以足夠的密度記錄放電過(guò)程中電壓、電流的變化，并能以圖形化的界面顯示的蓄電池性能綜合測(cè)試儀。

1 總體設(shè)計(jì)

蓄電池大功率恒流放電系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、串口單元、控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、放電單元和數(shù)據(jù)采集單元等。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 控制單元設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)PID控制器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高，在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并且取得了良好的控制效果。但是對(duì)于時(shí)變性和非線性系統(tǒng)，即使對(duì)被控對(duì)象整定了一組滿意的PID參數(shù),但當(dāng)對(duì)象特性發(fā)生變化時(shí)，也難以保證良好的控制性能[5]。經(jīng)過(guò)對(duì)恒流放電控制系統(tǒng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出采用模糊PID控制方法較為合適。

模糊PID控制器主要由PID控制器和模糊控制器兩部分構(gòu)成，模糊控制器的輸入為誤差e和誤差變換率ec，然后采用模糊推理方法對(duì)PID參數(shù)Kp、Ti、Td進(jìn)行在線整定，以滿足不同時(shí)刻的誤差e和誤差變化率ec對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，從而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能[6]。其機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模糊PID控制機(jī)構(gòu)圖

本系統(tǒng)采用的控制芯片為單片機(jī)C8051F020，控制器的輸入為上位機(jī)發(fā)送的電壓命令，系統(tǒng)的輸出為驅(qū)動(dòng)單元的輸出電壓。反饋的實(shí)際電壓信號(hào)與給定的電壓信號(hào)相比較得出電壓誤差信號(hào)，通過(guò)模糊PID控制器計(jì)算出精確的PID參數(shù)調(diào)整因子，從而達(dá)到調(diào)整PID控制器參數(shù)的目的，然后計(jì)算出控制信號(hào)，控制信號(hào)再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)放電路轉(zhuǎn)換為MOSFET的柵極電壓，從而調(diào)節(jié)放電單元的輸出電流。

3 恒流放電方案的研究與設(shè)計(jì)

3.1 放電類型的選擇

目前對(duì)蓄電池進(jìn)行放電的方法主要分為兩類：能耗型和能饋型。能耗型是把流進(jìn)電子負(fù)載的直流電傳遞到特殊的直流／交流轉(zhuǎn)換器(逆變電路)，然后再送回交流電網(wǎng)。這種類型的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省電能，節(jié)約空間，不需要冷卻[7]。但是它的放電電流具有波動(dòng)性，精度低，并且容易給電網(wǎng)造成諧波污染。能耗型是指把蓄電池放出的電能通過(guò)功率管消耗掉，以熱能或其他形式的能量釋放出去。能耗型的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、精度高等，缺點(diǎn)是有能量消耗，需要良好的散熱系統(tǒng)。但是對(duì)蓄電池性能測(cè)試來(lái)說(shuō)，由于為了保證的是恒流放電的精度，所以采用能耗型的放電方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 不同放電方案研究分析

對(duì)于能耗型恒流放電,目前可采用3種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

方案1：電流直接采樣法，即通過(guò)霍爾電流傳感器檢測(cè)流入電子負(fù)載的總電流，再與設(shè)定電流相比較，判斷是否達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值。如果沒有達(dá)到，則需要通過(guò)一定的算法對(duì)給定電壓Vg進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終使負(fù)載電流穩(wěn)定在設(shè)定值。方案2：電阻采樣反饋法，即在MOSFET管的源極串接采樣電阻，將電流轉(zhuǎn)換成電壓，反饋至高增益誤差放大器的反相端。電阻采樣反饋法的簡(jiǎn)單原理圖如圖3所示。在同向端輸入給定電壓信號(hào)，如果Rd上的電壓小于Vg，也就是運(yùn)算放大器反向端的電壓小于同向端電壓，則運(yùn)放輸出電壓加大，使MOSFET導(dǎo)通電流加大;如果Rd上的電壓大于給定值Vg，則運(yùn)算放大器的輸出減小，使MOSFET導(dǎo)通電流減小，這樣電流最終維持在恒定的給定值上,也就實(shí)現(xiàn)了恒流工作。

圖3 電阻采樣反饋原理示意圖

方案1電流變化范圍大，適合大電流放電；缺點(diǎn)是響應(yīng)速度比較慢。方案2優(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；但由于采樣電阻的功率一般較小，使電子負(fù)載的電流受到很大限制，容易受外界干擾，不適合大電流放電。

針對(duì)以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了方案3：把方案2的幾個(gè)放電支路并聯(lián)運(yùn)行，即采用多路放電支路并聯(lián)設(shè)計(jì)思想[8]。但由于功率開關(guān)管以及支路控制電路參數(shù)的差異，流過(guò)各個(gè)支路開關(guān)管的電流不可能完全相等。因此，需要設(shè)計(jì)專門的均流電路實(shí)現(xiàn)各支路之間的電流均分，從而實(shí)現(xiàn)支路的功率均分，避免某些支路的功率過(guò)大，以致燒毀功率開關(guān)管[9-10]。這樣既可以進(jìn)行大功率放電，又能保證每個(gè)支路都工作在較小電流范圍內(nèi)。但是對(duì)于各支路之間需要采用均流電路進(jìn)行控制，而均流電路是由許多相同參數(shù)的電阻、運(yùn)放等理想器件組成。由于實(shí)際器件的參數(shù)是不完全相同的，因而給均流電路帶來(lái)了很大的誤差。

3.3 放電方案的最終設(shè)計(jì)

均流電路會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)不可避免的誤差，因此不再采用均流電路，而直接用單片機(jī)來(lái)控制各支路給定電壓Vg，使各支路給定電壓相等從而實(shí)現(xiàn)各支路均流，以消除均流電路帶來(lái)的誤差。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度，用霍爾電流傳感器采集蓄電池放出的總電流，并反饋給C8051F020單片機(jī),單片機(jī)通過(guò)模糊PID控制算法來(lái)調(diào)節(jié)各支路給定電壓Vg的大小來(lái)控制各支路電流，從而達(dá)到精確控制總電流的目的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了能更加直接地檢驗(yàn)恒流放電的效果，本實(shí)驗(yàn)用11 V～13 V變化的電壓信號(hào)代替蓄電池，系統(tǒng)用5個(gè)放電支路并聯(lián)放電，總電流設(shè)定為15 A。圖4是恒流放電的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

基于C8051F020單片機(jī)的蓄電池恒流放電系統(tǒng)采用多支路并聯(lián)的思想，實(shí)現(xiàn)了大功率放電；通過(guò)軟件控制各支路電流的大小，保障了各支路都能工作在額定功率以內(nèi)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；采用模糊PID控制法，提高了系統(tǒng)放電的精度。另外,還可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)放電過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄，為蓄電池性能的分析提供了便利。

圖4 仿真結(jié)果

[1]王成山，王守相.分布式發(fā)電供能系統(tǒng)若干問(wèn)題研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(20)：1-4.

[2]傅書逷.中國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展建議[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（10）：23-26.

[3]陳杰，徐劍紅.閥控密封鉛酸蓄電池失效機(jī)理及檢測(cè)[J].電源技術(shù)，1999，23(6)∶332-334.

[4]高嘉英，高玉峰,劉亞龍.基于新型電子負(fù)載恒流放電設(shè)備的研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2007,10(8)∶48-51.

[5]Liu Jinkun.Advanced PID control and simulation by Matlab[M].Beijing：Publishing Houseof Electronics Industry,2003.

[6]黃正午.直流電子負(fù)載控制算法的研究[D].柳州：廣西工學(xué)院，2011.

[7]汪浩.一種燃料電池測(cè)試系統(tǒng)的電子負(fù)載設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué),2007.

[8]閆之峰，馬曉軍,魏曙光.一種新穎蓄電池恒流放電裝置研究[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,20(3)∶90-92.

[9]張肅文.高頻電子線路(第二版)[M].北京：高等教育出版社，1984.

[10]HOFER P，KARRER N.Paralleling intelligent IGBT power modules with active gate-controlled current balancing[C].27thAnnual IEEE Power E1ectronics Specialists Conference,1995：342-346.