礦用鉛酸蓄電池高頻智能快充充電器控制系統(tǒng)研究

鄧永紅，李圓紅，陳海宇，張全柱

(華北科技學(xué)院 信息與控制技術(shù)研究所，北京 東燕郊 065201)

礦用鉛酸蓄電池高頻智能快充充電器控制系統(tǒng)研究

鄧永紅，李圓紅，陳海宇，張全柱

(華北科技學(xué)院 信息與控制技術(shù)研究所，北京 東燕郊 065201)

針對礦用鉛酸蓄電池充電器，研究了一款高頻智能快充充電器的控制系統(tǒng)，由多環(huán)節(jié)功率變換單元組成，能量雙向流動。在分析其工作原理的基礎(chǔ)上，基于DSP給出了系統(tǒng)的硬件電路、軟件實現(xiàn)方案及電路結(jié)構(gòu)，采用移相PWM控制算法，實現(xiàn)了變電流智能快速充電放電方法。實驗表明了該充電器控制系統(tǒng)設(shè)計的可行性和正確性，可自動匹配最佳充電放電曲線，實現(xiàn)了快速充電放電，性能指標(biāo)優(yōu)越，可以在行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。

PWM控制單元；鉛酸蓄電池組；高頻智能快充充電器；變電流快速充放電

0 引言

充電器裝置是與鉛酸蓄電池組配套使用的重要電氣裝備，其性能好壞直接影響到鉛酸蓄電池的運(yùn)行效率、充電速度、使用壽命及運(yùn)行的可靠性[1-3]。目前使用的充電器以晶閘管相控充電器為主，充電時間長，充電電流脈動大，充電模式粗獷，易充壞蓄電池組，智能化程度低，不能實現(xiàn)安全環(huán)?？焖俪潆姡僮鲝?fù)雜[4-10]。智能充電器也有在用，但其充電時間還可以縮短[11-12]。上述兩種充電器都不能給蓄電池快速充放電，不能自適應(yīng)兩種輸入電源(AC380V/AC660V)完全不能實現(xiàn)放電功能，也難以實現(xiàn)給所有規(guī)格蓄電池組充電[1-4]。制約礦用充電器快速充放電的關(guān)鍵技術(shù)是其控制系統(tǒng)，依據(jù)礦山充電器的實際要求和快速充電的需要，研究能量雙向流動快速充電放電的充電器控制系統(tǒng)，有重要的意義及廣闊的市場前景。

1 系統(tǒng)組成及硬件電路設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

依據(jù)礦山充電器的實際應(yīng)用需要和快充理論[11-12]，提出的快速充電器拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由6個部分組成，PWM整流單元，雙向DC/DC變流器，雙向H橋變流器1(快速整流模塊1)，高頻變壓器，快速整流模塊2(雙向H橋變流器2)以及控制系統(tǒng)1和2等。其中高頻變壓器的變比設(shè)定為1∶1。

當(dāng)系統(tǒng)處于充電運(yùn)行工況時，三相交流輸入電源，通過PWM整流器的整流工況運(yùn)行，輸出穩(wěn)定的直流電壓DC650/1100V，提供給雙向DC/DC變流器輸出穩(wěn)定的直流電壓最高為DC600V，最低約為DC170V，雙向DC/DC變流器、雙向H橋變流器1(快速整理模塊1)、高頻變壓器、快速整流模塊2(雙向H橋變流器2)協(xié)調(diào)運(yùn)行給各種規(guī)格的蓄電池組快速充電，反之充電器可以快速給鉛酸蓄電池組放電，經(jīng)過雙向DC/DC變流器輸出穩(wěn)定的直流電壓DC670V/DC1150V給PWM整流單元，回饋電網(wǎng)。完成能量的雙向流動，實現(xiàn)鉛酸蓄電池組的快速充放電，安全節(jié)能環(huán)保。

PWM整流單元[13-15]，在充電時工作在整流工況，可輸出穩(wěn)定的直流電壓，能夠適應(yīng)波動范圍較大的輸入電源；在放電時工作在逆變工況，將蓄電池組的能量快速回饋電網(wǎng)，無需外加放電電阻單元，提高了充電器的充電器速度[11-12]、控制性能、隔爆性能、可靠性，使輸入電流正弦化，提高了系統(tǒng)單位功率因數(shù)。

1.2 硬件電路設(shè)計

設(shè)計的充電器控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，主要由兩個控制系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)1控制PWM整流器單元，控制系統(tǒng)2控制雙向DC/DC變流器、雙向H橋變流器1和2。兩控制系統(tǒng)以CAN總線通訊交換數(shù)據(jù)，兩個控制系統(tǒng)都分別由4個部分組成：(1)由TMS320F28035單片機(jī)、外部端子數(shù)字量輸入信號等組成的DSP數(shù)字系統(tǒng)，它能完成各種數(shù)字計算、外部端子控制、充電器的起?？刂?、運(yùn)行等功能；(2)模擬量接口電路，控制系統(tǒng)1由網(wǎng)測電壓、電流和中間直流電壓檢測與調(diào)理，溫度檢測與調(diào)理等組成；控制系統(tǒng)2由中間直流電壓和充電電壓、充電電流檢測與調(diào)理，溫度檢測與調(diào)理等組成。電壓、電流檢測電路主要是將強(qiáng)電信號轉(zhuǎn)換為弱電信號，供DSP進(jìn)行數(shù)字采樣；(3)IGBT驅(qū)動電路[15]，將DSP系統(tǒng)發(fā)出的PWM信號、移相PWM信號等轉(zhuǎn)化為可驅(qū)動IGBT的脈沖信號，同時當(dāng)IGBT發(fā)生短路或過流故障時，向DSP系統(tǒng)反饋故障信；(4)CAN通信電路，上位PC機(jī)顯示及操作電路，可以通過鍵盤設(shè)定各種給定指令和參數(shù)，如實現(xiàn)充電器的起動與停止，設(shè)定充電電流值、選擇充電曲線等；可以顯示充電器的各種狀態(tài)，并記錄蓄電池組信息和歷史運(yùn)行故障等。

1.2.1 電流檢測電路

電流檢測分為網(wǎng)測電流檢測(i1,i2,i3)、中間直流電流IDC1、中間直流電流IDC2、充電電流IDC。電流的檢測對于充電器控制系統(tǒng)十分重要，網(wǎng)測電流檢測的值將作為PWM單元同步PI解耦電流控制時的指令電流；IDC1、和IDC2的值將作為雙向DC/DC變流器和雙向H橋變流器2的電流限定保護(hù)值；充電電流IDC的值將作為充電器變電流快速充電時移相PWM控制的指令電流，檢測的可靠性與精度是首要考慮的指標(biāo)，這里選用傳感器檢測方案。按設(shè)計功率考慮，充電器電流最大不超過120 A，考慮到一些裕量，選用的電流傳感器為LEM公司的LA100-P.SP50交流電流傳感器，該傳感器初次級絕緣，分辨率1000∶1，測量范圍120 A，用于精密測量直流、交流和脈沖電流。其額定輸出電流有效值為50 mA，電源電壓±15 V。系統(tǒng)中電流調(diào)理電路基本一致，如圖3 所示，左側(cè)為傳感器，需要檢測的線路傳感器2腳接入，1腳輸出。電流檢測值輸出經(jīng)過磁珠(抑制高頻干擾與尖峰)后流過采樣電阻R1，使電流信號變?yōu)殡妷盒盘?，然后?jīng)過差分電路運(yùn)放調(diào)理，使輸出電壓在0～3.3 V之間，最后經(jīng)過DAN217箝位保護(hù)后輸入DSP的AD口。當(dāng)測量不同的電流時，調(diào)整圖中采樣電阻R1的值和運(yùn)放的差分比例關(guān)系，就實現(xiàn)不同位置電流值的測量。圖中的R2電阻為交流電流輸入時的加法電路，其目的是將交流電流的負(fù)輸入變成正輸入，而測量直流電流時，則不焊接。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

圖3 充電器電流檢測電路

1.2.2 電壓檢測電路

電壓檢測電路分為網(wǎng)測電壓(ua,ub,uc)，中間直流電壓UDC1、中間直流電壓UDC2、充電電壓。電壓的檢測對于充電器控制系統(tǒng)也是非常關(guān)鍵，網(wǎng)測電壓值作為PWM單元同步PI解耦電流控制的指令，實現(xiàn)解耦算法；中間直流電壓UDC1作為同步PI解耦電流控制的外環(huán)控制反饋指令，實現(xiàn)PWM整流單元輸出穩(wěn)定的直流電壓，在能量回饋電網(wǎng)時作為雙向DC/DC變流器的PI調(diào)節(jié)電壓指令；中間直流電壓UDC2在充電時作為雙向DC/DC變流器1的PI調(diào)節(jié)電壓指令，在能量回饋電網(wǎng)時作為雙向H橋變流器2的PI調(diào)節(jié)器電壓指令；充電電壓作為充電時的恒壓充電指令。根據(jù)檢測的精度和不同電壓等級要求，故選擇電壓傳感器的型號為HNV025，該型號傳感器初級與次級絕緣，可用于測量直流、交流和脈沖電壓，額定輸入電流±10 mA，輸出電流±25 mA，電源電壓為±15 V。所有的電壓檢測電路是一致的，如圖4 所示給出了電壓的檢測電路圖。檢測電壓經(jīng)過傳感器輸入側(cè)限流電阻R1和R2輸入，經(jīng)過磁珠M1和采樣電阻R3后變?yōu)殡妷盒盘?，再?jīng)過差分電路運(yùn)放調(diào)理，使輸出電壓在0～3.3 V之間，最后經(jīng)過DAN217箝位保護(hù)后輸入DSP的AD口。

當(dāng)測量不同的電壓時，調(diào)整圖4中輸入限流電阻R1、R2和采樣電阻R3的值以及運(yùn)放的差分比例關(guān)系，就實現(xiàn)不同位置電壓值的測量。圖中的R4電阻為交流電壓輸入時的加法電路，其目的是將交流電壓的負(fù)輸入變成正輸入，而測量直流電流時，則不焊接。

圖4 充電器電壓檢測電路

圖5 充電器溫度檢測電路

1.2.3 溫度檢測電路

高頻快速充電器控制系統(tǒng)的功率器件安裝在密閉的隔爆殼里面，一般采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，依靠安裝在散熱器系統(tǒng)外壁上的散熱風(fēng)機(jī)來加強(qiáng)散熱效果，但隔爆殼里面的高頻變壓器、電感都是采取自然冷卻的散熱方式，加之井下環(huán)境使得散熱風(fēng)機(jī)功率不能過大，充電器工作的時候溫度會急劇升高，長期使用，冷卻效果會出現(xiàn)不理想的情況，會使溫度過高，從而損壞充電器，所以對其充電器各個發(fā)熱部分溫度的檢測非常重要。溫度檢測采用PT100溫度傳感器來完成[15]，如圖5所示，PT100與系統(tǒng)散熱器表面以及各個發(fā)熱器件充分接觸，發(fā)熱部分溫度發(fā)生變化時，PT100的阻值也隨之變化，利用圖5所示的電路可以測得阻值的變化，從而測出系統(tǒng)的溫度。圖5中TL431構(gòu)成穩(wěn)壓電路，提供精準(zhǔn)+5 V電壓，運(yùn)算放大器TL082和電阻組成一個200 mA恒流源電路，利用恒流源將PT100的阻值轉(zhuǎn)換為電壓信號，再利用AD620調(diào)理信號后，再將信號送入DSP的AD口進(jìn)行轉(zhuǎn)換。整個溫度檢測電路將實時反饋充電器各個發(fā)熱部分的溫度情況，利用DSP可以實現(xiàn)實時監(jiān)測與溫度保護(hù)。

圖6 CAN通訊電路

1.2.4 CAN通訊電路

圖6所示為CAN通訊電路，采用隔離CAN口，作為兩個控制系統(tǒng)進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示設(shè)置等。圖6(a)所示為隔離的供電模塊電路，將5 V電壓轉(zhuǎn)換成隔離的5V電電源，提供給CAN隔離光耦和收發(fā)器，增加了CAN總線穩(wěn)定和抗干擾能力。圖6(b)所示為CAN光電隔離電路，我們采用高速光耦6N137，CPU發(fā)送的信號CANTXD，接收信號CANRXA，經(jīng)過光耦隔離后，提高抗干擾能力，使信號傳輸更加及時、穩(wěn)定、可靠。圖6(c)所示為CAN差分接收電路，采用PCA82C50芯片，可以對CAN總線提供差動發(fā)送能力和接收能力，將接收的CPU總線信號變成穩(wěn)定的差分信號，在經(jīng)過后續(xù)的濾波電路，進(jìn)一步提高了信號的穩(wěn)定性和抗干擾能力，同時使CAN工作在高速模式，提高CAN的工作效率。

2 控制算法分析

鉛酸蓄電池高頻智能快充充電器控制系統(tǒng)采用的是變電流快速充電放電方法，如圖7(a)所示，即為充電器采用的最佳充電曲線[11,12]，結(jié)合蓄電池的快速充電理來設(shè)定充電電流，根據(jù)檢測的蓄電池組當(dāng)前電壓，以及充電電壓變化率，實現(xiàn)變電流快速充電放電。當(dāng)充電器充電和放電時，對PWM整流器單元采用同步PI解耦電流控制算法[13-15]。對雙向DC/DC變流器采取恒壓限流，電壓PI控制算法。對于雙向H橋變流器1在充電時，采取變電流快速充電放電方法，恒流限壓，基于電流PI的移相PWM控制算法[1-4][16]；放電時，對于雙向H橋變流器2，采取恒壓限流，基于電壓PI的移相PWM控制算法[16]。當(dāng)UDC1高于DC670(1150)V時，蓄電池能量自動回饋電網(wǎng)。圖7(b)為雙向H橋變流器控制算法框圖，充電時Ug和Ig為給定或者DSP計算出來的電流和限定電壓值，檢測充電電壓、電流值，通過電流PI控制器，計算出移相PWM控制的移相角，實現(xiàn)變電流智能化快速充電；放電時，H橋變流器2的移相角設(shè)定為0度，輸出最高電壓，快速釋放蓄電池中的能量或者虛壓，結(jié)合雙向DC/DC變流器輸出UDC1高于DC670(1150)V，快速回饋電網(wǎng)，實現(xiàn)快速放電，從而實現(xiàn)變電流快速充電放電方法。

圖8 充電器軟件流程圖

3 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件程序主要由主程序、AD定時器中斷服務(wù)程序、捕獲中斷服務(wù)程序、CAN通信中斷程序、移相PWM控制中斷程序等組成。軟件流程圖如圖8所示。

主程序主要完成初始化變量和數(shù)據(jù)設(shè)置，特殊功能寄存器和外部事件管理寄存器的初始化設(shè)置，各種中斷設(shè)置，開中斷等功能，以及完成外部端子的信號采樣，管理充電器的起停、CPU的復(fù)位信號，輸出故障信號等。故障信息發(fā)給鍵盤顯示，同時接收鍵盤的設(shè)置命令。捕獲中斷服務(wù)程序，主要完成電網(wǎng)相位、相序和頻率的采樣計算。移相PWM控制中斷服務(wù)程序，主要完成周期寄存器和占空比的更新，占空比的計算以及移相角的生成輸出等。

AD定時器中斷主要完成以下工作：(1)充電器電流、電壓， IGBT溫度采樣計算。(2)完成死區(qū)補(bǔ)償、PWM周期寄存器的值以及過載過流計算等。(3)完成變電流智能化快速充電放電控制算法的計算。

CAN中斷服務(wù)程序，主要完成兩控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，各種設(shè)定顯示值等。

4 實驗

上述高頻智能快充充電器進(jìn)行了實驗，系統(tǒng)主要參數(shù)為：充電器額定功率55 kW，輸入電壓AC380V，鉛酸蓄電池組額定電壓DC192V，充電電流DC75A。圖9(a)(b)是運(yùn)行時測得的CAN總線數(shù)據(jù)幀。圖9(a)為CAN總線數(shù)據(jù)一幀的數(shù)據(jù)波形，由10個字節(jié)組成。圖9(b)為控制系統(tǒng)CAN總線數(shù)據(jù)幀發(fā)送接收，每隔120ms傳送一幀數(shù)據(jù)。圖10(a)(b)為充電器控制系統(tǒng)移相PWM控制算法的兩路波形，另外兩路完全互補(bǔ)。(a)為移相角為0°時的波形，(b)為移相角為180°時的波形。從圖10(a)(b)中可以看出，移相PWM波形載波頻率為20.5k,存在死區(qū)時間，故實際占空比為47.5%。當(dāng)移相角從0°到180°移動時，結(jié)合PWM整流器，充電時，實現(xiàn)快速充電，放電時，實現(xiàn)瞬間放電。圖10(C)為充電器充電時，高頻變壓器的輸出波形，輸出穩(wěn)定。經(jīng)過實際的安裝調(diào)試和運(yùn)行試驗，該高頻智能快速充電器快速充電等方面的設(shè)計都能滿足實際運(yùn)用的要求。

圖9 CAN總線波形

圖10 充電器工作時波形

5 結(jié)論

針對礦用鉛酸蓄電池組高頻智能快速充電器，以及不斷要求的快充電需求，提出了一種高頻智能快充充電器，成功運(yùn)行實現(xiàn)。研究了其電路結(jié)構(gòu)、硬件電路、軟件算法，開發(fā)了基于DSP的控制系統(tǒng)以及變電流快速充電放電控制算法。設(shè)計的控制系統(tǒng)電路簡潔，模塊化強(qiáng)，參數(shù)設(shè)置靈活，動態(tài)性能好，能量雙向流動、安全環(huán)保充電且充電速度快，能夠適應(yīng)波動范圍較大的輸入電源，能給所有規(guī)格的蓄電池組充電，具有較好的工程實用及應(yīng)用推廣價值。

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Researchonthecontrolsystemoffastintelligenthighfrequencychargerforminelead-acidbattery

DENG Yong-hong, LI Yuan-hong, CHEN Hai-yu, ZHANG Quan-zhu

(InstituteofInformationandControlTechnology,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

For intelligent lead-acid batteries charger, this paper studies the control system of high-frequency smart fast charger consisting of a multi link power conversion unit with bidirectional energy flow. Based on the analysis of its working principle, the hardware circuit, software implementation scheme and circuit structure of the system are given based on DSP, and phase-shifting PWM control algorithm is adopted to realize the variable current intelligent fast charging and discharging method. The experiment shows the feasibility and correctness of the design of the charger control system, and shows that the charger can automatically match the best charging curve and realize fast charging and discharging. The performance index is superior, and it can be popularized and applied in the industry.

PWM control unit; lead-acid batteries; high-frequency smart fast charger; variable current rapid charge and discharge

2017-09-25

中國煤炭工業(yè)協(xié)會項目(MTKJ2017-308)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142013101, 3142016022)

鄧永紅(1975-)，男，湖南漣源人，碩士，華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所副教授，研究方向：電力電子與電傳動。E-mail:dyhsyjdyx@163.com

TM912.1

A

1672-7169(2017)05-0046-09