基于dsp的大容量蓄電池自動(dòng)充電裝置設(shè)計(jì)

基于dsp的大容量蓄電池自動(dòng)充電裝置設(shè)計(jì)

0蓄電池的充電特性電池是一種能源交換裝置。充電時(shí)將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能儲(chǔ)存起來,放電時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。蓄電池的使用壽命是專業(yè)人員及使用人員普遍關(guān)注的問題,除蓄電池本身的物理性能外,電池的管理技術(shù)、不合理的充放電模式是造成電池壽命縮短的主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì),在我國(guó),從日漸普及的電動(dòng)自行車用蓄電池組到航天用蓄電池組,都不同程度的存在著因充電不當(dāng),蓄電池組的使用壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命的問題,許多蓄電池的實(shí)際使用壽命還不到設(shè)計(jì)壽命的一半,造成了很大的浪費(fèi)。如何高效、快速、無損地對(duì)蓄電池進(jìn)行科學(xué)充電,一直是蓄電池界關(guān)心的問題,也是蓄電池使用和保養(yǎng)中非常重要的內(nèi)容。因此,研究先進(jìn)的充電技術(shù)及充電裝置是蓄電池領(lǐng)域重要的課題,研究發(fā)現(xiàn):電池的充電過程對(duì)電池壽命影響最大,放電過程的影響較小。也就是說,絕大多數(shù)的蓄電池不是用壞的,而是“充壞”的。所以,充電裝置的性能優(yōu)劣對(duì)蓄電池的使用壽命具有舉足輕重的作用。1稱重設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)1.1蓄電池裝復(fù)電系統(tǒng)組成充電裝置硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,由主電路和控制回路兩部分組成:虛線框外部分為主電路,框內(nèi)部分為控制回路。其結(jié)構(gòu)原理的核心實(shí)質(zhì)上是一高頻開關(guān)電源。主電路的功能是將輸入的三相交流電轉(zhuǎn)變成蓄電池負(fù)載需要的直流電;控制回路是實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)電源各種性能要求的核心。1.2充電裝置主電路的設(shè)計(jì)主電路將三相380V/50Hz交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、輸入整流濾波電路得到一定的直流電壓,再通過高頻變換器將直流電壓變換成高頻交流電壓,然后經(jīng)高頻變壓器隔離變壓,輸出所需的高頻交流電壓,最后經(jīng)過輸出整流濾波電路,得到所需的高品質(zhì)、高質(zhì)量的直流電壓?？刂齐娐穼?shí)時(shí)采集蓄電池的端電壓、溫度以及充電電流等狀態(tài)信息,送入DSP(TMS320LF2407),DSP根據(jù)預(yù)定的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算,得出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù),送到充電電源的移相控制端,調(diào)節(jié)移相角,控制IGBT的開通與關(guān)斷,從而控制充電裝置主電路的輸出電壓、電流,完成對(duì)蓄電池的高效、快速、無損的智能充電。同時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)主電路的部分電壓和電流以及IGBT模塊和高頻變壓器的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),與事先設(shè)好的溫度、電壓、電流的技術(shù)指標(biāo)比較,判斷電路是否出現(xiàn)異常,比如是否缺相,有效的防止事故發(fā)生,對(duì)充電裝置起到很好的保護(hù)作用;檢測(cè)到的信息也可以通過顯示電路顯示,便于操作人員監(jiān)控。1.3高頻變壓器電路主電路元件選擇:整流選用富士公司的6RI100G-120模塊,容量為100A/1200V。選擇日本富士電機(jī)公司的2MBI100L-120快速型IGBT模塊作為功率器件,HL402B為驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成移相控制零電壓開關(guān)全橋變換器。高頻變壓器(根據(jù)AP法設(shè)計(jì)出的高頻變壓器參數(shù)如下:AP為72.6(cm4),原邊繞組的匝數(shù)為10匝,副邊繞組匝數(shù)6匝,磁芯材料選擇E型錳鋅鐵氧體)原邊電壓為510V左右,副邊電壓經(jīng)過全波整流(整流二極管壓降VD=0.6V)、濾波(諧振電感為65μH帶鐵氧體的磁芯)電路后,輸出電壓為V0(max)=300V。高頻變壓器工作頻率fs=20kHz,效率設(shè)為0.98。控制電路元件選擇:DSP,采用MAX706S芯片為核心的復(fù)位電路,為了方便調(diào)試,在控制卡上設(shè)置了JTAG接口。它是一個(gè)14針的接口,可以同TI的仿真器相連。DSP的引腳時(shí),使用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器;當(dāng)時(shí),使用片外程序存儲(chǔ)器。溫度由DS18B20檢測(cè)。其它略。2稱重裝置的軟件設(shè)計(jì)2.1dsp的工作過程軟件部分是在TMS320C2x/C2xx/C5x編譯器環(huán)境下開發(fā)出來的,采用了模塊的程序設(shè)計(jì)方法。整個(gè)充電裝置的主程序框圖如圖2所示。開機(jī)后先進(jìn)行裝置初始化,并允許實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷、通用定時(shí)器1中斷和功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷等中斷,禁止定時(shí)器2中斷,然后開總中斷。若實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)時(shí)間到,則執(zhí)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷服務(wù)程序,采集蓄電池的端電壓、溫度和充電電流值,與蓄電池的工藝參數(shù)進(jìn)行比較,判斷應(yīng)采用的充電模式,并計(jì)算期望值與實(shí)測(cè)值的差值,實(shí)施Fuzzy-PID控制,調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)高頻逆變器中開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào),輸出移相控制角α。若通用定時(shí)器1中斷發(fā)生,則執(zhí)行通用定時(shí)器1中斷服務(wù)程序,在中斷服務(wù)程序中,根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷所得到的移相控制角α量化后裝入通用定時(shí)器1的相應(yīng)的寄存器中,得到合適的PWM信號(hào),通過光電隔離后控制VT1VT4的通斷,從而控制充電電流(或充電電壓)的大小。DSP對(duì)蓄電池過熱保護(hù)和對(duì)IGBT的過熱過流保護(hù),是在充電過程中,通過將采集到的參數(shù)與給定值進(jìn)行比較來判斷是否過熱或過流,如果發(fā)生過熱過流現(xiàn)象,則PDPINTA引腳會(huì)出現(xiàn)一個(gè)下降沿,產(chǎn)生功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷,將PWM1、2、3、4輸出引腳(EVA)置為高阻態(tài),封鎖脈沖輸出,各IGBT停止工作,停止充電,并同時(shí)發(fā)報(bào)警信號(hào);待恢復(fù)正常后,解除對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的封鎖,自動(dòng)繼續(xù)充電。從而保護(hù)了蓄電池及功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊。接著調(diào)用充電計(jì)時(shí)子程序,記錄充電時(shí)間,提供給控制和顯示使用。然后采集蓄電池的端電壓、溫度等參數(shù),并計(jì)算電池電壓的變化率,判斷是否需對(duì)蓄電池去極化。如需去極化,則調(diào)用去極化程序,在程序中,首先置PWM1、2、3、4輸出引腳為高阻態(tài),然后根據(jù)采樣值與工藝參數(shù)計(jì)算蓄電池停充和負(fù)脈沖放電時(shí)間,計(jì)算所得到的值量化后裝入通用定時(shí)器2相應(yīng)的寄存器中,接著啟動(dòng)通用定時(shí)器2,輸出PWM信號(hào),通過光電隔離后控制VT5的通斷,從而對(duì)蓄電池進(jìn)行去極化。在程序流程的最后,DSP會(huì)檢測(cè)充電電壓是否出現(xiàn)負(fù)增量,判斷充電是否結(jié)束,如果電壓出現(xiàn)負(fù)增量,就會(huì)結(jié)束充電,切斷主電路。若未結(jié)束,則循環(huán)執(zhí)行。2.2增量式pid算法本裝置采用DSP的全數(shù)字化控制,所以選用Fuzzy-PID控制。在進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)時(shí),由于Kp、Ki、Kd較難選取,故采用仿真方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行初步校正,通過仿真校驗(yàn)有效的選取參數(shù)并對(duì)實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)選取起著指導(dǎo)性作用,以期達(dá)到理想效果。本充電裝置中,采用增量式PID算法:若將模糊自整定控制器以C語言進(jìn)行編譯存入DSP中,在線實(shí)時(shí)計(jì)算整定Kp、Ki、Kd,由于運(yùn)算量大造成延時(shí)較大,無法在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)調(diào)整PWM的輸出脈寬,這樣系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能較差。因此考慮采用離線整定PID參數(shù)的方式,把仿真結(jié)果保存在DSP的FLASH寄存器中。Kp、Ki、Kd的調(diào)整值是根據(jù)電壓誤差比u分成幾個(gè)區(qū)間進(jìn)行計(jì)算的。式中Vr為充電電壓給定值,Vf為充電電壓檢測(cè)值。在實(shí)際充電時(shí),檢測(cè)充電電壓與給定電壓的差計(jì)算出誤差比,選擇分區(qū),讀取分區(qū)中的Fuzzy(Kp)、Fuzzy(Ki)、Fuzzy(Kd),計(jì)算出Kp、Ki、Kd的值,經(jīng)增量式PID算法計(jì)算,得到Fuzzy-PID的輸出。其程序的流程框圖如圖3所示。3放電段脈沖特性分析圖4是充電裝置供出的平均2.5A電流的脈沖波形,橫軸每格為10ms,縱軸每格為10A。表示正脈沖充電段電流為25A,而負(fù)脈沖放電段電流為6A。三個(gè)近似矩形幅寬為12ms,前停時(shí)間為16ms,負(fù)脈沖幅寬為2ms,后停時(shí)間為l0ms。這樣一個(gè)脈沖周期為40ms,脈沖頻率為25。若平均脈沖電流變動(dòng),則正脈沖電流波形幅高發(fā)生變化。3.1試驗(yàn)2:放電容量測(cè)試試驗(yàn)時(shí)均采用五個(gè)9Ah-12V的鉛酸電池串聯(lián)充電,充電完成后任取其中三個(gè)進(jìn)行容量測(cè)試。充飽電的電池在試驗(yàn)前全部進(jìn)行3C率放電,終止電壓10.5V。為便于比較,四組電池測(cè)試充電量均設(shè)定為放電量的120%,充電模式均為二段式。四種充電方案中,方案c為恒流充電,無脈沖信號(hào),其它三組均為脈沖充電,如表1所示。3.2系統(tǒng)參數(shù)值的重新設(shè)定例如方案c中,原始Kp、Ki、Kd只有兩組,因動(dòng)態(tài)響應(yīng)未達(dá)到指標(biāo),所以需要通過調(diào)整參數(shù)值的方式重新設(shè)定;又因?yàn)槊扛倪^一次參數(shù)值,系統(tǒng)需要人為長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)以達(dá)到預(yù)期效果。仿真的目的在于當(dāng)給定一組參數(shù)時(shí),通過模糊化,模糊規(guī)則調(diào)整,最后通過重心法整定出一組動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)特性均滿足指標(biāo)的參數(shù)。由于選擇多組參數(shù)使系統(tǒng)延時(shí)較大,在動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)均滿足的條件下,選出5組參數(shù)即可。具體參數(shù)如表2所示。3.3每條曲線的構(gòu)成記錄四組充電方式的電壓變化曲線如圖5所示。每條曲線均由五段構(gòu)成。在最后一段電池充飽電時(shí),電池的電壓均在17V以上,且保持微小的負(fù)向變化。3.4脈沖充電溫度上升的影響電池充電過程中溫度的記錄如圖6所示。正脈沖充電電流越大,則電池的溫升越明顯,溫度上升的幅度越高。脈沖充電中所有的組數(shù)溫度最后達(dá)到40℃以上。方案d達(dá)到的最高溫度大于方案b,方案b則大于方案a,方案c最低。方案d的平均充電電流大于方案b,而方案b的負(fù)脈沖強(qiáng)度大于方案a,而各方案中平均充電電流一樣。3.5不同電流充電時(shí)比較充電時(shí)間、充電效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。從充電時(shí)間看:方案b最長(zhǎng),原因是方案b增加了負(fù)脈沖強(qiáng)度,充電過程放電量較多,充電時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。方案d充電時(shí)間最短,這是因?yàn)檎}沖第一段平均電流增加,正脈沖的電流也增加,故充電時(shí)間會(huì)相應(yīng)縮短。從充電效率看:方案a效率最高,依次是方案b、c、d。分析如下:充電過程中,方案d因正脈沖充電電流增加,而電池大電流充電使充電效率降低了。方案a、b充電效率大于非脈沖充電,這主要是因?yàn)椴捎昧素?fù)脈沖去極化的措施。電池脈沖頻率是25,每個(gè)周期內(nèi)都有負(fù)脈沖信號(hào),負(fù)脈沖的產(chǎn)生降低了濃差極化及電化學(xué)極化,使充電效率得到提高。方案a與b的不同之處在于所加的負(fù)脈沖強(qiáng)度。試驗(yàn)中平均電流一樣,但方案b增加了負(fù)脈沖的電流及寬度,因此它的正脈沖電流峰值也會(huì)相應(yīng)增加,從而降低了充電效率,因此方案a的充電效率最佳。4充電效率與在線去極化近年來,電動(dòng)車及電動(dòng)設(shè)備等新興市場(chǎng)的出現(xiàn),迫切要求縮短充電時(shí)間,提高充電效率,傳統(tǒng)的鉛蓄電池充電方式已受到極大的挑戰(zhàn),快速充電、脈沖充電已成為蓄電池充電技術(shù)的發(fā)展方向。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)資料顯示,市場(chǎng)上85%以上的充電器存在嚴(yán)重的質(zhì)量隱患。這些充電器往往充電電流過小,充電電壓不穩(wěn)定,充電時(shí)間過長(zhǎng),導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部出現(xiàn)極化現(xiàn)象,硫化結(jié)晶,致使充電容量達(dá)不到要求,大大降低蓄電池的正常使用壽命。因此,研制真正意義的智能充電裝置具有重要的實(shí)用