鎳氫動力蓄電池組快速充電系統(tǒng)的研制

鎳氫動力蓄電池組快速充電系統(tǒng)的研制

agv是“自動駕駛”的簡稱。無論是磁導(dǎo)、光學(xué)導(dǎo)、慣性導(dǎo)、激光導(dǎo)等，都可以統(tǒng)稱為agv。主要功能是計算機(jī)監(jiān)控下的工藝路線和操作要求，使車輛正確駕駛，轉(zhuǎn)向和定位，并具有各種操作功能，如同時跟蹤貨物的運(yùn)輸、儲存和生產(chǎn)過程。現(xiàn)今,用于AGV的動力蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池和鎳氫蓄電池等幾種.鉛酸蓄電池的應(yīng)用歷史最長,也是最成熟、成本最低廉的蓄電池.缺點(diǎn)是不能快速充電,故不適合于快速充電型AGV的應(yīng)用.鎳鎘蓄電池可以進(jìn)行短時2倍率的快速充電,耐受過充電、過放電能力強(qiáng),在快速充電型AGV上得到了廣泛的應(yīng)用,但其能量密度(體積能和質(zhì)量能)小,增加了AGV小車的自重和體積,況且自身的維護(hù)也比較復(fù)雜.近年來,隨著人們對環(huán)保要求的提高,鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池必將逐漸被淘汰.而新型密封鎳氫動力蓄電池則以其高質(zhì)量能、高體積能量、高質(zhì)量功率、可接受大電流充電和維護(hù)簡單的優(yōu)勢而開始在AGV上得到應(yīng)用,但由于它的耐受過充電、過放電能力差(相對于開口蓄電池),在蓄電池充、放電過程中需要作過充電和過放電的保護(hù).作者根據(jù)這些新的要求,研制了適用于AGV自動導(dǎo)引車的鎳氫(鎳鎘)動力蓄電池組快速充電系統(tǒng),并應(yīng)用于PZDK-7智能快速充電機(jī).1整體設(shè)計1.1蓄電池分析檢測本系統(tǒng)設(shè)計的智能快速充電系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)以下功能:可編程控制恒流恒壓充電;去極化放電功能;實(shí)時檢測蓄電池組運(yùn)行參數(shù),完成數(shù)據(jù)運(yùn)算、邏輯判斷和分析;充電機(jī)故障和蓄電池異常保護(hù)及報警功能;具有人機(jī)對話界面便于參數(shù)設(shè)定及數(shù)據(jù)觀察;具有輸出過壓、過流、元件過熱、熔斷器熔斷等多種檢測及保護(hù)措施;具有通信接口,便于和AGV或系統(tǒng)中央控制計算機(jī)交換信息和數(shù)據(jù).1.2高頻變壓器及其他蓄電池組接AGV快速充電系統(tǒng)的充電主回路如圖1所示.工頻三相交流電輸入經(jīng)二極管整流橋變?yōu)橹绷麟?為降低網(wǎng)側(cè)諧波電流并提高功率因數(shù),直流側(cè)采用LC濾波器濾波.高頻逆變部分采用以IGBT為功率開關(guān)器件的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),經(jīng)變壓器、輸出整流環(huán)節(jié)、輸出LC濾波器,最后到負(fù)載.IGBT開關(guān)頻率選擇為20kHz.該快速充電系統(tǒng)輸出電流較大,為降低損耗,輸出整流電路采用全波整流結(jié)構(gòu),且整流二極管使用低導(dǎo)通壓降的肖特基二極管.由于二極管電流容量的限制,決定了必須由多只元件并聯(lián)連接.為使輸出二極管能夠自動均流,減小分布電感的壓降,本裝置的高頻變壓器利用3只小變壓器原邊串聯(lián)、副邊并聯(lián)的結(jié)構(gòu).充電主回路輸出端連接到安裝在地面充電板的正負(fù)極上,蓄電池組的正負(fù)極連接到位于AGV車底部的充電靴正負(fù)極上.當(dāng)AGV需要充電時,會自動定位于充電板上方,使充電板和充電靴對接以實(shí)現(xiàn)充電站與車載蓄電池組連接.1.3去極化負(fù)脈沖放電回路快速充電時充電系統(tǒng)首先以大電流對蓄電池組充電,但蓄電池內(nèi)部會很快發(fā)生極化現(xiàn)象,致使端電壓升高,充電效率降低.為了繼續(xù)保持較高的充電效率,本系統(tǒng)設(shè)計了去極化負(fù)脈沖放電回路,如圖2所示.當(dāng)充電過程需要去極化時,按圖2,觸發(fā)VT使其導(dǎo)通,蓄電池即經(jīng)VT向電容C充電,直至電容充滿電,充電電流為零,VT截止;然后觸發(fā)功率管使其導(dǎo)通,使電容C經(jīng)過VT對電阻RL放電,為下一次放電負(fù)脈沖形成做準(zhǔn)備.1.4過充監(jiān)控系統(tǒng)的分析由于本系統(tǒng)的充電對象是新型密封鎳氫動力蓄電池組,為了防止蓄電池的過充,需要對蓄電池組的多個參數(shù)進(jìn)行實(shí)時檢測,并給充電站控制系統(tǒng)提供運(yùn)算和邏輯判斷,以便有效監(jiān)控蓄電池的充電過程.1u3000蓄電池單體電壓、溫度和充電容量為了預(yù)見判斷蓄電池出現(xiàn)過充狀態(tài)和過充先兆,需要現(xiàn)場檢測蓄電池各運(yùn)行參數(shù),并以下列設(shè)定指標(biāo)作為充電終止條件:蓄電池組電壓Ub及電壓變化率△Ub大于設(shè)定值;蓄電池單體電壓最大值Ubcm及其電壓變化率最大值△Ubcm大于設(shè)定值;蓄電池單體溫度最大值Tbc及溫度變化率最大值△Tbcb大于設(shè)定值;充電容量大于上次充電結(jié)束后放出容量設(shè)定的K倍(1.0<K<1.5);充電總時間大于設(shè)定值;充電電流小于設(shè)定值;同時以蓄電池單體電壓一致性來調(diào)整恒壓充電階段處于恒壓的充電狀態(tài),如此即得到滿意的充電效果.2控制方案設(shè)計本系統(tǒng)的控制電路實(shí)際上是一個實(shí)時的檢測和控制系統(tǒng),其功能是作為智能快速充電機(jī)的監(jiān)控中心,完成蓄電池充放電過程的控制操作,包括中央處理單元及其外圍電路,電壓、電流、溫度等參數(shù)的采集電路,人機(jī)對話界面,電流、電壓調(diào)控電路,開關(guān)量輸出電路和通信接口電路等部分,其有實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置及顯示、調(diào)控等作用.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示.圖中控制電路采用S7-200系列可編程控制器(西門子公司)作為控制單元,模擬量輸入采用EM231模塊,模擬量輸出后向通道利用S7-200PLC的PWM端口輸出脈寬調(diào)制的脈沖信號,經(jīng)有源濾波電路輸出模擬給定信號;智能鍵盤——液晶顯示器還附設(shè)人機(jī)對話界面、紅外通信接口和RS-485串行接口,根據(jù)現(xiàn)場條件可選擇紅外接口和AGV車通信,也可以通過MOD-BUS接口和系統(tǒng)中控計算機(jī)通信.2充電系統(tǒng)的仿真軟件系統(tǒng)采用S7-200系列PLC的CPU226模塊作為主控制單元,并由STEP-7組態(tài)軟件編程,除了實(shí)行邏輯控制以外,還具有模擬量采集,模擬量給定,充電電流的PID調(diào)節(jié)及串行口通信等功能.充電系統(tǒng)主程序流程如圖4所示.充電電流控制采用帶過程仿真的PID控制算法,其中高頻整流充電電路的設(shè)定值M(t)表示如下:M(t)=Ke(1+1Tie(t)dt+Tdde(t)dt)(1)Μ(t)=Κe(1+1Τie(t)dt+Τdde(t)dt)(1)式中:增益Ke取1;積分系數(shù)Ti取0.65;微分系數(shù)Td取0.35.3agv充電使用本系統(tǒng)(充電站)為配置有24V/90Ah激光導(dǎo)航式的AGV叉車作快速充電,初期充電電流200A,最高充電電壓限