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1 引言
大容量蓄電池在工業(yè)、交通、電信、國防等部門中的應(yīng)用越來越廣。一般蓄電池出廠時必須進(jìn)行“三充兩放”和容量校核，用戶在使用過程中也必須通過定期的充放電消除極化效應(yīng)，合理地進(jìn)行蓄電池充放電對蓄電池的管理至關(guān)重要。目前常規(guī)的蓄電池維護(hù)大部分采用充電器、放電器兩套設(shè)備，放電時以純電阻為負(fù)載，大量的電能轉(zhuǎn)變成熱能而浪費(fèi)了；在對蓄電池集中充電時，充電人員要對多臺充電機(jī)不斷地巡視、記錄、調(diào)整各臺充電機(jī)的充電參數(shù)，勞動強(qiáng)度大且易出差錯。針對這些場所充電機(jī)比較集中的特點(diǎn)，有必要研制開發(fā)集散式蓄電池充放電智能控制系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖
解決大批量大容量蓄電池的充放電問題，采用集散式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一種較好的辦法。集散式的系統(tǒng)采用一臺帶有CAN總線接口適配卡的PC機(jī)作為上位機(jī)，用于整個系統(tǒng)的監(jiān)控和信息管理；現(xiàn)場控制節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相同的智能充放電電源，數(shù)據(jù)采集及單片機(jī)控制電路充當(dāng)控制單元；CAN總線網(wǎng)絡(luò)作為通信媒介，通信介質(zhì)可采用雙絞線，負(fù)載連接在CANH和CANL之間，終端匹配阻抗值為信號的特征阻抗值，約為120Ω，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。集散控制網(wǎng)絡(luò)上傳送的信息主要有：PC機(jī)發(fā)送給各智能充放電電源的控制命令和數(shù)據(jù)，現(xiàn)場各充放電電源送給PC機(jī)的自身狀態(tài)和數(shù)據(jù)。
2.1 智能充放電電源硬件結(jié)構(gòu)
集散控制系統(tǒng)的核心是智能充放電電源，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括主電路和控制電路。
(1) 主電路
主電路采用了晶閘管三相全控橋，能同時滿足整流器和有源逆變器的功能，結(jié)構(gòu)如圖2所示。在整流狀態(tài)，蓄電池組通過直流接觸器和全控橋同向并聯(lián)，交流電源經(jīng)可控整流后向電池負(fù)載充電；在有源逆變狀態(tài)，蓄電池組反接，存儲在蓄電池內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，釋放到交流電網(wǎng)上，從而節(jié)約了大量能源。主變壓器采用 Δ/Y接法。為減小換相重疊角，提高有源逆變的可靠性，變壓器的漏感要盡量小。由于工作環(huán)境的限制，噪聲和溫升都不能太高。
圖2 智能充放電電源主電路
(2) 控制電路
以單片機(jī)為核心的充放電電源控制電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。與一般的充電機(jī)相比，它能充分發(fā)揮單片機(jī)的優(yōu)勢，通過修改程序改變充電方式，不斷優(yōu)化充電算法；還可以對不同的電池、不同的使用階段采用自適應(yīng)控制技術(shù)，使應(yīng)用范圍更加廣泛。在硬件結(jié)構(gòu)上，充放電參數(shù)的現(xiàn)場檢測單元、單片機(jī)自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制電路以及晶閘管觸發(fā)電路是保證充放電控制算法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用Intel 80C196單片機(jī)作為主控單元，以鎖相環(huán)PLL為基本控制原理的CA6100晶閘管通用觸發(fā)板作為中間緩沖環(huán)節(jié)，完成單個節(jié)點(diǎn)充放電電源的智能控制。
圖3 智能充放電電源控制框圖
① 單片機(jī)控制電路
單片機(jī)控制電路以INTEL80C196KC為核心，包括現(xiàn)場充放電參數(shù)檢測及A/D轉(zhuǎn)換單元、總線通信單元、鍵盤、液晶顯示報警單元、過壓過流保護(hù)單元等。現(xiàn)場采集的蓄電池充放電電壓、電流、溫度等模擬量經(jīng)緩沖、隔離電路后，進(jìn)入80C196KC的A/D轉(zhuǎn)換口，由單片機(jī)定時采樣并完成A/D轉(zhuǎn)換；單片機(jī)將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較和數(shù)字計(jì)算，由高速輸出口HSO完成PWM輸出，經(jīng)隔離、整形、濾波處理后送出0~5V的調(diào)節(jié)信號給6100觸發(fā)板，從而實(shí)現(xiàn)晶閘管輸出脈沖移相范圍0~180°可調(diào)。
現(xiàn)場參數(shù)主要包括蓄電池組的充放電電壓、電流、蓄電池在充放電過程中的溫升等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，檢測的關(guān)鍵是處理好強(qiáng)弱電的隔離問題，采用繼電器、霍爾傳感器、溫度繼電器等器件能夠較好地實(shí)現(xiàn)主電路和控制電路的隔離，避免產(chǎn)生干擾和發(fā)生危險；由于CAN總線是為分布式系統(tǒng)在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠工作而設(shè)計(jì)的一種串行通信網(wǎng)絡(luò)，只用兩根導(dǎo)線，容易實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，從適用性、可靠性和低成本的角度考慮，系統(tǒng)中筆者選擇CAN總線來構(gòu)成底層通信網(wǎng)絡(luò)，所以總線通信單元采用PHILIPS半導(dǎo)體公司的SJA1000獨(dú)立CAN控制器和PCA82C250CAN收發(fā)器；鍵盤和液晶顯示單元采用北京青云創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司的液晶顯示模塊LCM320240ZK和簡易鍵盤，用于顯示各智能檢測節(jié)點(diǎn)單元發(fā)送來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)、選擇蓄電池充放電工作方式、向單片機(jī)發(fā)送調(diào)節(jié)控制命令并對蓄電池狀態(tài)進(jìn)行故障診斷、鎖定和報警，通過鍵盤和液晶還可上、下、前、后翻屏查看監(jiān)控信息（充放電電源狀態(tài)、蓄電池狀態(tài)、充放電曲線等）和更改系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置（電壓、電流閾值、溫度補(bǔ)償系數(shù)等）。
② 晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)
有源逆變?nèi)菀装l(fā)生逆變顛覆，而造成逆變失敗的因素大多和觸發(fā)系統(tǒng)直接相關(guān)，晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)在蓄電池充放電電源中的作用很關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用CA6100晶閘管通用觸發(fā)板，其基本原理如圖4所示。該系統(tǒng)利用鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行相位跟蹤和控制，采用EDA工藝，將核心的邏輯控制單元如VCO、計(jì)數(shù)器、相序檢測器、鑒相器、脈沖邏輯控制電路等集成在一片ASIC芯片中，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性；輸出脈沖具有高均衡對稱性和強(qiáng)觸發(fā)特性。0～5V的直流輸入控制信號，通過緩沖放大后加入鎖相環(huán)路，能夠使輸出脈沖移相范圍在0~180°之間可調(diào)；另外該系統(tǒng)還具備一些輔助功能，如交流缺相自動禁止、軟起停、快起停、相序自動測控核對，不需同步變壓器，亦不需要附加連線，能夠自動同步等。由于是強(qiáng)觸發(fā)、高抖度（>1A/μs），所以對六只晶閘管的一致性要求并不太高。實(shí)驗(yàn)表明，該觸發(fā)板觸發(fā)脈沖均勻、可靠性高、抗干擾性好，非常適合于充放電設(shè)備的控制。
圖4 CA6100觸發(fā)板原理框圖
3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件由兩部分組成：上位機(jī)PC機(jī)軟件和節(jié)點(diǎn)單元軟件。PC機(jī)軟件在WINDOWS環(huán)境下用組態(tài)軟件產(chǎn)生友好的人機(jī)界面，實(shí)時讀取各節(jié)點(diǎn)單元所傳送的數(shù)據(jù)，拼裝后在畫面上顯示，通過畫面能及時了解各充放電電源的工作特性、工作狀態(tài)，對不符合要求的電源發(fā)出報警信號，以便及時處理，找出蓄電池組的最佳工作點(diǎn)，保證電源的正常工作，提高蓄電池組充放電的工作效率。節(jié)點(diǎn)單元軟件包括自檢程序、多路A/D轉(zhuǎn)換濾波處理程序、智能調(diào)節(jié)控制程序、LCD顯示程序和通信程序等模塊，采用匯編語言編寫，仿真調(diào)試脫機(jī)模擬后固化于EPROM內(nèi)。
4 常用充電方法分析
目前對蓄電池充電的方法基本分為常規(guī)充電法和快速充電法。
(1) 常規(guī)充電法
一般來說，常規(guī)充電法有以下幾種：恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變蓄電池串聯(lián)電阻保持充電電流不變的充電方法，其控制方法簡單，但由于電池的可接受電流能力隨著充電的進(jìn)行而下降，充電后期充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體嚴(yán)重。恒壓充電法是充電電源的電壓在整個充電過程中保持恒定，隨著蓄電池端電壓的升高電流逐漸減小，但存在充電初期蓄電池電動勢較低，充電電流很大等問題，容易造成蓄電池極板的彎曲，使電池報廢。階段充電法結(jié)合了恒流、恒壓充電的優(yōu)點(diǎn)，可以先恒流充電到預(yù)定值再改為恒壓充完剩余的過程，可以將析氣量大大減小，常用的有二階段、三階段充電法等。
(2) 快速充電法
快速充電法近幾年有所發(fā)展，它是圍繞馬斯提出的最佳充電曲線設(shè)計(jì)，比較流行的有脈沖式充電法、Reflex快速充電法、變電流間歇充電法、變電壓間歇充電法、波浪式間歇正負(fù)零脈沖快速充電法等。快速充電法對于車載蓄電池等需要快速充電的場合有一定的現(xiàn)實(shí)意義，但實(shí)際上最佳充電曲線也是受很多因素影響的非線性曲線，有很大的不確定性，在實(shí)際工作中，要找到這條充電曲線是很困難的，即便找到了也會因?yàn)樾铍姵卦谑褂眠^程中的特性不斷發(fā)生變化而不適應(yīng)，所以依據(jù)這條曲線作為數(shù)學(xué)模型的充電控制相對復(fù)雜。
(3) 自適應(yīng)智能充電法
圖5 自適應(yīng)智能充電曲線
根據(jù)蓄電池的充電特性，以提高充電效率，延長電池壽命和實(shí)現(xiàn)快速充電等為目的，參考蓄電池的最佳接收特性，以大量的試驗(yàn)為基礎(chǔ)，在此提出自適應(yīng)智能充電法，其充電曲線如圖5所示。在充電的第一階段，用t1的時間進(jìn)行小電流充電，單片機(jī)通過對充電電流、電壓以及溫度等參數(shù)的檢測，就電池的好壞與荷電狀態(tài)作出判斷，決定下一步的充電電流Im1的大小。隨后，以Im1的電流進(jìn)行充電，單片機(jī)繼續(xù)檢測充電電流、電壓、溫度等參數(shù)，進(jìn)一步作出綜合判斷，決定t2和Im2的大小。依此類推，直至電池充滿自動關(guān)閉電源。需要強(qiáng)調(diào)指出的是，這一充電曲線不是固定不變的，它是分段恒流充電思想的延伸，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于閉環(huán)控制過程的自適應(yīng)能力。在充電的任何階段，單片機(jī)都能根據(jù)所檢測到的電流、電壓、溫度等參數(shù)值及其變化趨勢給出蓄電池所能接受的最大充電電流Im1、Im2……，實(shí)現(xiàn)快速充電。這里Im1、Im2……的確定是關(guān)鍵，除了參考蓄電池的最佳接受特性曲線外，還需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)。為提高安全性、可靠性，在軟件設(shè)計(jì)上必須增加故障診斷功能，設(shè)置極限參數(shù)。同時，由于充電電流、電壓、溫度等是決定充電曲線的基本參數(shù)，其正確與否直接影響到充電效果和充電的安全性，所以軟件設(shè)計(jì)中還必須考慮當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時的自我保護(hù)和報警。
5 結(jié)語
這種集散式充電控制系統(tǒng)控制可靠，充電效率高，組態(tài)靈活，既能單臺使用，又可以大規(guī)模集群使用，應(yīng)用場合廣泛，同時解決了大批量、大容量蓄電池的快速充電問題。該系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場鑒定，從出廠實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)場應(yīng)用已一年有余，充放電工作正常，為以后大容量蓄電池組充放電設(shè)備的生產(chǎn)奠定了較好的基礎(chǔ)。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號