基于脈沖技術(shù)的蓄電池可編程電源設(shè)計(jì)

王丹， 李敏， 王磊

(1.國(guó)網(wǎng)濱州供電公司,山東 濱州 256600;2.殼牌中國(guó)勘探與生產(chǎn)有限公司,四川 成都 610000;3.國(guó)網(wǎng)東營(yíng)供電公司,山東 東營(yíng) 257000)

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基于脈沖技術(shù)的蓄電池可編程電源設(shè)計(jì)

王丹1， 李敏2， 王磊3

(1.國(guó)網(wǎng)濱州供電公司,山東 濱州 256600;2.殼牌中國(guó)勘探與生產(chǎn)有限公司,四川 成都 610000;3.國(guó)網(wǎng)東營(yíng)供電公司,山東 東營(yíng) 257000)

蓄電池的快速充電技術(shù)是應(yīng)用過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定了進(jìn)行能量傳遞的效率以及推廣應(yīng)用的前景?；诿}沖充電技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套蓄電池可編程快速充電裝置，可用于實(shí)現(xiàn)蓄電池的快速充放電。此外，可利用可編程功能，研究不同類型、不同容量的蓄電池最佳充放電曲線。

效率;蓄電池;可編程;快速充電;脈沖技術(shù)

0 引 言

近年來(lái)，新能源的利用引起世界各國(guó)的重視，混合動(dòng)力電動(dòng)車和電動(dòng)自行車等的推廣為蓄電池技術(shù)的研究和發(fā)展提供了最佳平臺(tái)，加速了蓄電池充放電技術(shù)及其使用技術(shù)的革命[1-2]。

傳統(tǒng)充電技術(shù)，最初采用單一恒流或恒壓對(duì)蓄電池進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)持續(xù)充電，而后發(fā)展為階段式充電，一般為包括恒流充電、恒壓充電及浮充電的三段式[3]。上述方法解決了蓄電池過充電問題，但由于充電過程中蓄電池極化現(xiàn)象，其可接受的充電電流沿指數(shù)曲線下降，實(shí)際充電時(shí)間長(zhǎng)，充電效率低[4-5]。

充電過程中利用短時(shí)、大電流負(fù)脈沖進(jìn)行瞬時(shí)放電，可消除極化影響[6]。本文依據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一套基于脈沖充放電技術(shù)的新型快速充放電電源，并著重從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理以及系統(tǒng)控制策略等方面進(jìn)行分析和研究，并制造出一套10 kVA樣機(jī)，進(jìn)行相關(guān)充放電試驗(yàn)。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1為鉛蓄電池快速充電電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)從電氣結(jié)構(gòu)上來(lái)分析，是一款大功率的低壓大電流開關(guān)電源，而功能上是一套蓄電池充放電管理系統(tǒng)，因此要求能實(shí)現(xiàn)蓄電池的充、放電控制，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池容量，防止過充、過放。

系統(tǒng)電源取自380 V交流電網(wǎng)，經(jīng)過變壓器降壓、隔離后，由三相橋式不控整流模塊整流為直流電。由于變壓器T存在勵(lì)磁涌流問題，故設(shè)計(jì)變壓器上電限流回路。由輔助接觸器KM2、限流電阻R1、R2和R3構(gòu)成。KM1的線圈通過一個(gè)時(shí)間繼電器串聯(lián)到KM2的主觸點(diǎn)回路，系統(tǒng)上電后，首先合上接觸器KM2，電阻R1、R2和R3接入主電路，避免了變壓器勵(lì)磁涌流問題的發(fā)生。通過調(diào)整時(shí)間繼電器的計(jì)時(shí)裝置，使接觸器KM1閉合延遲于KM2閉合1 s～2 s，同時(shí)，將接觸器KM2及電阻R1、R2和R3短路。

系統(tǒng)提供獨(dú)立的蓄電池放電通道，控制部分的電路結(jié)構(gòu)分為兩級(jí)。第一級(jí)為由一組IGBT模塊構(gòu)成的開關(guān)控制回路，用于實(shí)現(xiàn)放電電阻的投切和隔離，由圖1中所示的VT1、VT2、D1和D2構(gòu)成，通過PWM脈沖控制實(shí)現(xiàn)低頻開關(guān)功能：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于充電模式時(shí)，VT1開通，VT2關(guān)斷，隔離放電電阻；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于放電模式時(shí)，VT2開通，VT1關(guān)斷，放電電阻被投切到蓄電池放電回路中。第二級(jí)為另一套IGBT模塊構(gòu)成的高頻開關(guān)，由于此處工作電流較大，可采用兩組完全相同的IGBT模塊并聯(lián)的方式構(gòu)成，從而提高系統(tǒng)的耐受電流等級(jí)，即圖1 中所示的VT3(5)、VT4(6)、D3(5)和D4(6)，其與電感L1、L2，電容C1、C2和C構(gòu)成兩回路的DC/DC雙向直流調(diào)壓電路。

圖2所示為系統(tǒng)工作在BUCK降壓模式下，參考圖1可知，該模式下，IGBT模塊中的VT2、VT4及VT6處于關(guān)斷狀態(tài)，VT1導(dǎo)通，將由整流橋得到的直流電Ud輸送至后級(jí)的BUCK電路中。其中，由于電容C在上電時(shí)存在較大的充電電流，可能對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，故加入充電限流電阻R4，當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，R4被短路。后級(jí)的IGBT模塊中，VT3、VT5由高頻PWM脈沖控制通斷，將電壓Udc降壓后，得到所需的穩(wěn)定電壓或電流輸出至蓄電池端，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

圖1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 BUCK工作模式

實(shí)際系統(tǒng)中存在六個(gè)IGBT開關(guān)管，故控制程序中需要同時(shí)對(duì)六路PWM脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。任一時(shí)刻，系統(tǒng)應(yīng)工作在四種主階段的其中之一：充電脈沖階段、放電脈沖階段、前零流階段或者后零流階段。其中，前零流階段和后零流階段是短暫的靜置期，在這兩個(gè)階段時(shí)，需將六路脈沖全部封鎖；充電脈沖階段即前文所述的BUCK工作模式，該階段下，電池側(cè)的端電壓和電流作為采樣反饋值，與給定值進(jìn)行比較，計(jì)算占空比，向不同的IGBT輸出相應(yīng)的PWM脈沖；放電脈沖階段為Boost工作模式，其控制原理與充電脈沖階段相似，二者的區(qū)別僅在于執(zhí)行通斷功能的IGBT不同。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)需要完成信號(hào)采集和處理、PWM脈沖計(jì)算和輸出及各階段工作模式的判斷和切換，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高。本裝置選用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的TMS320C28335系列DSP(Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器)作為系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)采樣及信號(hào)處理、PWM計(jì)算與控制、串行通信接口SCI及通訊參數(shù)處理等功能，主控程序流程如圖3所示。

圖3 主程序控制流程

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用C++編程技術(shù)，構(gòu)建基于Microsoft Visual Studio 6.0的上位機(jī)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人機(jī)界面，實(shí)驗(yàn)人員可下達(dá)操作指令，改變系統(tǒng)的工作模式及更新實(shí)驗(yàn)參數(shù)。采用RS232全雙工通信模式，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)(人機(jī)系統(tǒng))與下位機(jī)(CUP數(shù)據(jù)庫(kù))的關(guān)聯(lián)，分別制定相應(yīng)的通信規(guī)約，并在通信規(guī)約中加入CRC校驗(yàn)功能，以保證通信過程中DSP接受數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 三段式充電

傳統(tǒng)的三階段充電方式是在對(duì)馬斯充電曲線進(jìn)行最佳擬合的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，主要包括恒流充電、恒壓充電和浮充電三個(gè)階段，恒流充電時(shí)采用1/4倍率制，針對(duì)6 V/700 A·h電池組，充電電流為175 A；恒壓充電過充限壓值為6.8 V，浮充電壓為6.5 V。表1所示為各階段充電參數(shù)設(shè)定值。經(jīng)過7小時(shí)后，蓄電池容量增加至100%，達(dá)到充滿飽和狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

表1 三階段組合參數(shù)

圖4 三階段組合充電

三階段充電方式是一種較為成熟的充電方法，有效利用了馬斯定律對(duì)蓄電池特性的探究，由圖3可以看出，本裝置可以方便的實(shí)現(xiàn)任一階段的系統(tǒng)控制，較好地完成了各個(gè)工作階段下不同工作模式的電壓、電流控制，并實(shí)現(xiàn)了設(shè)定點(diǎn)的階段跳轉(zhuǎn)，完成了對(duì)蓄電池的三階段充電。但是，這種充電方法依然是一種慢速充電方法，完成一次從虧電到100%容量的完整充電過程耗時(shí)較長(zhǎng)。

2.2 脈沖式充電

利用脈沖模式對(duì)鉛蓄電池進(jìn)行多階段充電，可以解決傳統(tǒng)充電方式中蓄電池充電接受比不斷下降，充電時(shí)間長(zhǎng)，且蓄電池充電容量虛高等問題。

圖5 脈沖式充電

圖5(a)、(b)所示分別為負(fù)脈沖600 A和1 000 A模式下，以500 A正電流充電時(shí)，正、負(fù)電流及前、后零流時(shí)間的切換過程。采用含有短時(shí)大電流負(fù)脈沖的連續(xù)充電模式，可以在較大程度上消除極化現(xiàn)象，加快充電速度，針對(duì)700 A·h牽引用鉛酸蓄電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可節(jié)省60%以上的充電時(shí)間，且對(duì)蓄電池使用壽命的影響較小。由圖5 c)可以看出，單體電池電壓在短時(shí)間內(nèi)快速上升，對(duì)已虧電的蓄電池完成一次完全充電只需要2 h～3 h，節(jié)約了充電時(shí)間，提高了蓄電池地利用效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用脈沖充電方式的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套可編程的蓄電池快速充放電裝置。相關(guān)試驗(yàn)證明，相較于傳統(tǒng)的三段式充電，多階段脈沖式充電具有充電時(shí)間短，充電效率高等優(yōu)勢(shì)。此外，本裝置操作靈活性高，能量轉(zhuǎn)換效率高，能適應(yīng)多種類型的蓄電池，可方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)各類蓄電池的充放電研究。

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Design of a Programmable Storage Battery Based on Pulse Technology

Wang Dan1, Li Min2, Wang Lei3

(1. State Grid Binzhou Power Supply Co., Binzhou Shandong 256600, China;2. Shell China Exploration and Production Co., Ltd.,Chengdu Sichuan 610000, China;3. State Grid Dongying Power Supply Co., Dongying Shandong 257000, China)

Rapid charging technology for storage battery is a key factor in its application, and determines its efficiency of energy transfer and prospect of its popularized application. Based on pulse charging technology, this paper gives the design of a set of rapid charging device for the storage battery, which can be used to realize fast battery charging and discharging. Furthermore, its programmable function can be used to study optimal charging/discharging curves of batteries of different types or capacities.

efficiency;storage battery;programmable; rapid charging; pulse technology

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.018

TM912；TN86

A

1000-3886(2016)04-0056-03

王丹(1986-)，男，山東人，碩士生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

定稿日期: 2015-11-17