電力機(jī)車蓄電池溫度補(bǔ)償充電控制電路的設(shè)計(jì)

李華柏，謝永超，鄧 智

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412001；2.廣州機(jī)車檢修段，廣東廣州 510000）

蓄電池是機(jī)車上備用電源，它與電源柜并聯(lián)運(yùn)行，起著十分重要的作用。在升弓以前，提供機(jī)車所需的電能，升弓以后，機(jī)車電源柜（PSU）充電電路對(duì)蓄電池補(bǔ)充電。每臺(tái)機(jī)車備用電源由48 節(jié)DLM-170 型單體蓄電池串聯(lián)組成，單體為閥控式密封鉛酸蓄電池，容量170 Ah，額定電壓2 V。

某機(jī)務(wù)段HXD3 機(jī)車自上線運(yùn)用以來，發(fā)生較多的蓄電池虧電與鼓脹現(xiàn)象，部分蓄電池提前失效，使用壽命縮短。故障分析認(rèn)為PSU 裝置的輸出電流太小，不能滿足快速充電要求，導(dǎo)致電池組長(zhǎng)期虧電狀態(tài)下使用；PSU 蓄電池充電環(huán)境溫度補(bǔ)償功能出現(xiàn)異常，無法正常充電，有可能使電池組過充，也可能欠充，非正常使用會(huì)使蓄電池使用壽命縮短。

一般情況下，機(jī)車PSU 要同時(shí)為機(jī)車供電和給蓄電池組充電，設(shè)計(jì)最大輸出電流55 A（25 ℃）。蓄電池充電電流需要25～34 A，機(jī)車控制系統(tǒng)工作需要30 A。當(dāng)需求電流大于55 A 時(shí)觸發(fā)PSU 輸出保護(hù)，導(dǎo)致PSU 在限流區(qū)工作，蓄電池充電不足。

本文針對(duì)此情況，制定了蓄電池溫度自動(dòng)補(bǔ)償充電控制電路，該電路可以提高充電質(zhì)量，保證機(jī)車蓄電池組的正常運(yùn)行使用。

1 蓄電池充電模式的管理

PSU 是機(jī)車的直流電源柜，它除了給機(jī)車提供DC 110 V控制電源，還需要對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充電。電源柜根據(jù)蓄電池的電壓與荷電情況手動(dòng)或自動(dòng)切換均衡充電、快速充電和浮充電三種模式。

1.1 浮充方式

當(dāng)蓄電池電壓U0＞108 V，按浮充方式充電。25 ℃時(shí)，浮充電壓為108 V（2.25 V/單節(jié)），電流設(shè)置為0.15C（25.5 A），確保蓄電池滿荷電狀態(tài)。

1.2 均衡充電模式

當(dāng)蓄電池的浮充電壓產(chǎn)生偏差，會(huì)造成蓄電池組充電不足，蓄電池長(zhǎng)期充電不足將降低蓄電池的使用壽命。當(dāng)靜態(tài)開路擱置3 個(gè)月以上、連續(xù)工作3 個(gè)月或全浮充運(yùn)行2 個(gè)月，需對(duì)蓄電池均衡充電。均衡充電時(shí)，PSU 設(shè)置充電電壓112.8 V(2.35 V/單節(jié)，25 ℃)，電流0.1C（17 A），充電24 h。

1.3 快速充電模式

蓄電池有時(shí)采用快速充電模式充電。快速充電模式有2種，模式一見圖1，模式二見圖2。

圖1 快速充電模式一(25 ℃)

圖2 快速充電模式二(25 ℃)

模式一充電，蓄電池組帶載電壓U＞96 V，以110 V（2.29 V/節(jié)）、25.5 A 進(jìn)行恒流充電；當(dāng)U=110 V 時(shí)，進(jìn)入恒壓充電階段；這時(shí)充電電流逐慚減小，當(dāng)充電電流I＜7 A 時(shí)，轉(zhuǎn)為浮充方式；浮充電壓108 V(2.25 V/節(jié))，浮充至電流連續(xù)3 h 不再下降，充電過程結(jié)束[1-2]。為了延長(zhǎng)電池使用壽命，一般不連續(xù)使用模式一。

模式二充電，蓄電池組帶載電壓U≤96 V，以112.8 V(2.35 V/節(jié))、34 A 進(jìn)行恒壓限流充電；當(dāng)U≥112.8 V 時(shí)轉(zhuǎn)為恒壓充電；當(dāng)充電電流I＜25.5 A 時(shí)，轉(zhuǎn)為110 V(2.29 V/節(jié))恒壓充電；當(dāng)I＜7 A 時(shí)，轉(zhuǎn)為108 V(2.25 V/節(jié))進(jìn)行浮充充電。此模式可以連續(xù)使用。

2 溫度自動(dòng)補(bǔ)償充電控制方法

2.1 充電電壓、溫度與使用壽命的關(guān)系

機(jī)車蓄電池主要是浮充使用，電池的使用壽命與浮充電壓及環(huán)境溫度有較大的關(guān)系。電池使用壽命/設(shè)計(jì)壽命與浮充電壓的關(guān)系見圖3。當(dāng)浮充電壓為2.25 V 時(shí)，使用壽命最長(zhǎng)。浮充電壓過高，蓄電池內(nèi)部溫度升高，容易引起失水；浮充充電電壓過低，蓄電池可能充電不足，長(zhǎng)此以往使用壽命變短。蓄電池浮充壽命與溫度關(guān)系見圖4。由圖4 可見，環(huán)境溫度越高，浮充壽命越短。

圖3 電池使用壽命/設(shè)計(jì)壽命與浮充電壓的關(guān)系[3]

圖4 電池使用壽命與溫度的關(guān)系[3]

研究表明，閥控式密封鉛酸蓄電池充電過程中的失水是導(dǎo)致蓄電池失效的主要因素之一。長(zhǎng)期浮充電壓過高，氣體析出量增加，再化合效率降低，引起失水。同時(shí)過充導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部溫度增加，而負(fù)極上產(chǎn)生的氫在電池內(nèi)部積累，產(chǎn)生的壓力使安全閥處于開啟狀態(tài)，增加水的揮發(fā)，進(jìn)一步造成失水[3]。

2.2 溫度補(bǔ)償原理

根據(jù)蓄電池使用壽命與浮充電壓、溫度之間相關(guān)性，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，只用恒壓充電，蓄電池可能無法滿充電；當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，較高充電電壓會(huì)使蓄電池過充，極板逐漸軟化甚至有活性物質(zhì)脫落，電池失水、過熱，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致電池鼓脹。

蓄電池充電電壓應(yīng)隨溫度變化進(jìn)行調(diào)整，補(bǔ)償蓄電池在不同溫度情況下的化學(xué)反應(yīng)活性，保證充電的正常進(jìn)行。蓄電池最佳使用溫度為25 ℃。其浮充、快充、均充電壓都以25 ℃為基準(zhǔn)。環(huán)境溫度高于或低于25 ℃時(shí)，需要采用溫度補(bǔ)償方法對(duì)充電電壓進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，浮充與快充電壓溫度補(bǔ)償系數(shù)為每單節(jié)-3 mV/℃。均衡充電電壓按每單節(jié)-4 mV/℃進(jìn)行補(bǔ)償。

本文采用TMS320F 2812PGFA 處理器作為控制核心，設(shè)計(jì)蓄電池的溫度監(jiān)測(cè)與電壓自動(dòng)補(bǔ)償裝置。

2.3 充電溫度補(bǔ)償方法

式(1)為溫度補(bǔ)償計(jì)算公式：

式中：V補(bǔ)償為蓄電池組的電壓補(bǔ)償值；k為溫度補(bǔ)償系數(shù)，浮充與快充時(shí)k=0.003，均充時(shí)k=0.004；θo為環(huán)境溫度。

按照式(1)進(jìn)行溫度線性補(bǔ)償，一方面受制于蓄電池組的溫度、電壓、電流的測(cè)量精度要求，另一方面會(huì)增加控制的難度與復(fù)雜性。參考蓄電池性能參數(shù)，綜合考慮充電效果與控制方式，本文對(duì)浮充與均衡充電采用階段式溫度補(bǔ)償，以每5 ℃的變化范圍作為區(qū)間進(jìn)行電壓補(bǔ)償，如表1、表2 所示。

表1 浮充方式階段電壓調(diào)整值

表2 均充方式階段式電壓調(diào)整值

對(duì)于快速充電模式，充電電壓為多段設(shè)置，可根據(jù)式(1)對(duì)充電電壓進(jìn)行線性溫度補(bǔ)償。

2.4 基于TMS320F2812 溫度補(bǔ)償控制電路

2.4.1 溫度補(bǔ)償控制電路組成

溫度補(bǔ)償控制電路以DSP-TMS320F 2812PGFA 為核心，補(bǔ)償控制電路原理見圖5。溫度傳感器、電流傳感器和電壓測(cè)量模塊完成對(duì)電壓、電流、溫度的采樣，數(shù)據(jù)傳送給處理器，進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理。處理器輸出控制信號(hào)與電壓調(diào)整模塊的控制端相連，完成對(duì)電壓的調(diào)整。監(jiān)視模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視、故障報(bào)警等功能[4]。

圖5 蓄電池充電溫度自動(dòng)補(bǔ)償電路原理

充電控制界面采用觸摸屏形式，觸摸屏通過串口與DSP處理器進(jìn)行通訊，控制操作的菜單可以選擇均充、浮充和快充模式。顯示屏顯示控制參數(shù)及監(jiān)測(cè)參數(shù)，并循環(huán)顯示三個(gè)溫度傳感器實(shí)時(shí)溫度和平均溫度。

為防止單個(gè)溫度傳感器虛接或開路故障導(dǎo)致的溫度補(bǔ)償異常，電路中配置三路溫度傳感采樣電路，每個(gè)溫度采樣電路與處理器的A/D 采樣口獨(dú)立連接。機(jī)車配置電池組，裝在三層框架式機(jī)箱內(nèi)，每層蓄電池安裝一個(gè)DS18B20 溫度傳感器。將三個(gè)傳感器取樣結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。溫度正常波動(dòng)時(shí)，取平均值作為溫度補(bǔ)償值。若其中一個(gè)傳感器數(shù)據(jù)異常，則取其它兩個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。最后利用平均溫度θo來計(jì)算溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)精度的優(yōu)化。

2.4.2 溫度補(bǔ)償控制

在觸摸屏上設(shè)置充電模式。蓄電池均充與浮充時(shí)，處理器根據(jù)實(shí)測(cè)溫度，確定溫度區(qū)間，然后發(fā)出PWM 脈沖控制信號(hào)，使PSU 充電單元輸出與溫度區(qū)間相對(duì)應(yīng)充電電壓；若實(shí)測(cè)溫度超出溫度閾值則報(bào)警，并自動(dòng)調(diào)整至浮充電壓進(jìn)行充電。溫度電壓補(bǔ)償控制閾值見表1、表2。

快充模式下，處理器預(yù)設(shè)兩種快充充電電壓曲線，并根據(jù)實(shí)測(cè)溫度，按式(1)進(jìn)行溫度補(bǔ)償與電壓調(diào)整。

充電電壓溫度補(bǔ)償具體流程如下：

A 設(shè)定帶載充電電壓臨界值U0=96 V，調(diào)用25oC 快速充電模式一與模式二的溫度-電壓曲線，按表1 與表2 設(shè)定階段溫度區(qū)間；

B 測(cè)量蓄電池實(shí)際電壓U1和環(huán)境溫度θ0；

C 通過觸摸屏設(shè)定充電模式，可選均衡充電、浮充、快充等模式。選擇快充模式時(shí)，進(jìn)入步驟D，選擇均衡充電模式進(jìn)入步驟G，否則進(jìn)行步驟H；

D 快充模式，如果U1＞U0，進(jìn)入下一步驟E；否則，進(jìn)入步驟F；

E 按快充模式一曲線進(jìn)行充電(見圖2)，依據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得溫度θ0，按式(1)進(jìn)行線性溫度補(bǔ)償，輸出控制信號(hào)，調(diào)整充電電壓；

F 按快充模式二曲線進(jìn)行充電(見圖3)，依據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得溫度θ0，按式(1)進(jìn)行線性溫度補(bǔ)償，輸出控制信號(hào)調(diào)整充電電壓；

G 均衡充電，依據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得溫度θ0，判斷溫度區(qū)間，單片機(jī)輸出控制信號(hào)，根據(jù)表2 調(diào)整充電電壓；

H 單一浮充充電，依據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得溫度θ0，判斷溫度區(qū)間，單片機(jī)輸出控制信號(hào)，根據(jù)表1 調(diào)整充電電壓。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，人為改變環(huán)境溫度，對(duì)系統(tǒng)溫度補(bǔ)償電壓自動(dòng)調(diào)整功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由表3 可知，采用浮充與均充模式時(shí)，經(jīng)溫度補(bǔ)償，考慮測(cè)量誤差，調(diào)整后的實(shí)際充電電壓基本與表1、表2 所示階段電壓補(bǔ)償值一致。

表3 階段溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在快充模式下，溫度補(bǔ)償后的電壓采用線性調(diào)整，由表4可知，實(shí)際充電電壓值基本符合式(1)的線性調(diào)整規(guī)律。

表4 快充模式二線性溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

在對(duì)電力機(jī)車蓄電池使用壽命與充電電壓、溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了分析基礎(chǔ)上，對(duì)充電方式進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)以TMS320F 2812PGFA 為控制核心的蓄電池充電溫度自動(dòng)補(bǔ)償控制電路，依據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電壓，提高了充電質(zhì)量，保證了蓄電池組的正常使用壽命。