基于dsp的大容量蓄电池自动充电装置设计

基于dsp的大容量蓄电池自动充电装置设计

0蓄电池的充电特性电池是一种能源交换装置。充电时将电能转变成化学能储存起来,放电时将化学能转变为电能。蓄电池的使用寿命是专业人员及使用人员普遍关注的问题,除蓄电池本身的物理性能外,电池的管理技术、不合理的充放电模式是造成电池寿命缩短的主要原因。据统计,在我国,从日渐普及的电动自行车用蓄电池组到航天用蓄电池组,都不同程度的存在着因充电不当,蓄电池组的使用寿命达不到设计寿命的问题,许多蓄电池的实际使用寿命还不到设计寿命的一半,造成了很大的浪费。如何高效、快速、无损地对蓄电池进行科学充电,一直是蓄电池界关心的问题,也是蓄电池使用和保养中非常重要的内容。因此,研究先进的充电技术及充电装置是蓄电池领域重要的课题,研究发现:电池的充电过程对电池寿命影响最大,放电过程的影响较小。也就是说,绝大多数的蓄电池不是用坏的,而是“充坏”的。所以,充电装置的性能优劣对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。1称重设备的硬件设计1.1蓄电池装复电系统组成充电装置硬件总体结构设计框图如图1所示,由主电路和控制回路两部分组成:虚线框外部分为主电路,框内部分为控制回路。其结构原理的核心实质上是一高频开关电源。主电路的功能是将输入的三相交流电转变成蓄电池负载需要的直流电;控制回路是实现高频开关电源各种性能要求的核心。1.2充电装置主电路的设计主电路将三相380V/50Hz交流输入电压经电网滤波、输入整流滤波电路得到一定的直流电压,再通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压,然后经高频变压器隔离变压,输出所需的高频交流电压,最后经过输出整流滤波电路,得到所需的高品质、高质量的直流电压。控制电路将实时采集蓄电池的端电压、温度以及充电电流等状态信息,送入DSP(TMS320LF2407),DSP根据预定的算法对数据进行分析和计算,得出相应的控制数据,送到充电电源的移相控制端,调节移相角,控制IGBT的开通与关断,从而控制充电装置主电路的输出电压、电流,完成对蓄电池的高效、快速、无损的智能充电。同时控制系统对主电路的部分电压和电流以及IGBT模块和高频变压器的温度进行实时监测,与事先设好的温度、电压、电流的技术指标比较,判断电路是否出现异常,比如是否缺相,有效的防止事故发生,对充电装置起到很好的保护作用;检测到的信息也可以通过显示电路显示,便于操作人员监控。1.3高频变压器电路主电路元件选择:整流选用富士公司的6RI100G-120模块,容量为100A/1200V。选择日本富士电机公司的2MBI100L-120快速型IGBT模块作为功率器件,HL402B为驱动芯片构成移相控制零电压开关全桥变换器。高频变压器(根据AP法设计出的高频变压器参数如下:AP为72.6(cm4),原边绕组的匝数为10匝,副边绕组匝数6匝,磁芯材料选择E型锰锌铁氧体)原边电压为510V左右,副边电压经过全波整流(整流二极管压降VD=0.6V)、滤波(谐振电感为65μH带铁氧体的磁芯)电路后,输出电压为V0(max)=300V。高频变压器工作频率fs=20kHz,效率设为0.98。控制电路元件选择:DSP,采用MAX706S芯片为核心的复位电路,为了方便调试,在控制卡上设置了JTAG接口。它是一个14针的接口,可以同TI的仿真器相连。DSP的引脚时,使用片内程序存储器;当时,使用片外程序存储器。温度由DS18B20检测。其它略。2称重装置的软件设计2.1dsp的工作过程软件部分是在TMS320C2x/C2xx/C5x编译器环境下开发出来的,采用了模块的程序设计方法。整个充电装置的主程序框图如图2所示。开机后先进行装置初始化,并允许实时时钟中断、通用定时器1中断和功率驱动保护中断等中断,禁止定时器2中断,然后开总中断。若实时时钟定时时间到,则执行实时时钟中断服务程序,采集蓄电池的端电压、温度和充电电流值,与蓄电池的工艺参数进行比较,判断应采用的充电模式,并计算期望值与实测值的差值,实施Fuzzy-PID控制,调节驱动高频逆变器中开关管的驱动信号,输出移相控制角α。若通用定时器1中断发生,则执行通用定时器1中断服务程序,在中断服务程序中,根据实时时钟中断所得到的移相控制角α量化后装入通用定时器1的相应的寄存器中,得到合适的PWM信号,通过光电隔离后控制VT1VT4的通断,从而控制充电电流(或充电电压)的大小。DSP对蓄电池过热保护和对IGBT的过热过流保护,是在充电过程中,通过将采集到的参数与给定值进行比较来判断是否过热或过流,如果发生过热过流现象,则PDPINTA引脚会出现一个下降沿,产生功率驱动保护中断,将PWM1、2、3、4输出引脚(EVA)置为高阻态,封锁脉冲输出,各IGBT停止工作,停止充电,并同时发报警信号;待恢复正常后,解除对驱动信号的封锁,自动继续充电。从而保护了蓄电池及功率开关驱动模块。接着调用充电计时子程序,记录充电时间,提供给控制和显示使用。然后采集蓄电池的端电压、温度等参数,并计算电池电压的变化率,判断是否需对蓄电池去极化。如需去极化,则调用去极化程序,在程序中,首先置PWM1、2、3、4输出引脚为高阻态,然后根据采样值与工艺参数计算蓄电池停充和负脉冲放电时间,计算所得到的值量化后装入通用定时器2相应的寄存器中,接着启动通用定时器2,输出PWM信号,通过光电隔离后控制VT5的通断,从而对蓄电池进行去极化。在程序流程的最后,DSP会检测充电电压是否出现负增量,判断充电是否结束,如果电压出现负增量,就会结束充电,切断主电路。若未结束,则循环执行。2.2增量式pid算法本装置采用DSP的全数字化控制,所以选用Fuzzy-PID控制。在进行控制器设计时,由于Kp、Ki、Kd较难选取,故采用仿真方法对参数进行初步校正,通过仿真校验有效的选取参数并对实际系统参数选取起着指导性作用,以期达到理想效果。本充电装置中,采用增量式PID算法:若将模糊自整定控制器以C语言进行编译存入DSP中,在线实时计算整定Kp、Ki、Kd,由于运算量大造成延时较大,无法在一个开关周期内调整PWM的输出脉宽,这样系统的实时性能较差。因此考虑采用离线整定PID参数的方式,把仿真结果保存在DSP的FLASH寄存器中。Kp、Ki、Kd的调整值是根据电压误差比u分成几个区间进行计算的。式中Vr为充电电压给定值,Vf为充电电压检测值。在实际充电时,检测充电电压与给定电压的差计算出误差比,选择分区,读取分区中的Fuzzy(Kp)、Fuzzy(Ki)、Fuzzy(Kd),计算出Kp、Ki、Kd的值,经增量式PID算法计算,得到Fuzzy-PID的输出。其程序的流程框图如图3所示。3放电段脉冲特性分析图4是充电装置供出的平均2.5A电流的脉冲波形,横轴每格为10ms,纵轴每格为10A。表示正脉冲充电段电流为25A,而负脉冲放电段电流为6A。三个近似矩形幅宽为12ms,前停时间为16ms,负脉冲幅宽为2ms,后停时间为l0ms。这样一个脉冲周期为40ms,脉冲频率为25。若平均脉冲电流变动,则正脉冲电流波形幅高发生变化。3.1试验2:放电容量测试试验时均采用五个9Ah-12V的铅酸电池串联充电,充电完成后任取其中三个进行容量测试。充饱电的电池在试验前全部进行3C率放电,终止电压10.5V。为便于比较,四组电池测试充电量均设定为放电量的120%,充电模式均为二段式。四种充电方案中,方案c为恒流充电,无脉冲信号,其它三组均为脉冲充电,如表1所示。3.2系统参数值的重新设定例如方案c中,原始Kp、Ki、Kd只有两组,因动态响应未达到指标,所以需要通过调整参数值的方式重新设定;又因为每改过一次参数值,系统需要人为长时间调节以达到预期效果。仿真的目的在于当给定一组参数时,通过模糊化,模糊规则调整,最后通过重心法整定出一组动态稳态特性均满足指标的参数。由于选择多组参数使系统延时较大,在动静态指标均满足的条件下,选出5组参数即可。具体参数如表2所示。3.3每条曲线的构成记录四组充电方式的电压变化曲线如图5所示。每条曲线均由五段构成。在最后一段电池充饱电时,电池的电压均在17V以上,且保持微小的负向变化。3.4脉冲充电温度上升的影响电池充电过程中温度的记录如图6所示。正脉冲充电电流越大,则电池的温升越明显,温度上升的幅度越高。脉冲充电中所有的组数温度最后达到40℃以上。方案d达到的最高温度大于方案b,方案b则大于方案a,方案c最低。方案d的平均充电电流大于方案b,而方案b的负脉冲强度大于方案a,而各方案中平均充电电流一样。3.5不同电流充电时比较充电时间、充电效率统计结果见表3。从充电时间看:方案b最长,原因是方案b增加了负脉冲强度,充电过程放电量较多,充电时间会延长。方案d充电时间最短,这是因为正脉冲第一段平均电流增加,正脉冲的电流也增加,故充电时间会相应缩短。从充电效率看:方案a效率最高,依次是方案b、c、d。分析如下:充电过程中,方案d因正脉冲充电电流增加,而电池大电流充电使充电效率降低了。方案a、b充电效率大于非脉冲充电,这主要是因为采用了负脉冲去极化的措施。电池脉冲频率是25,每个周期内都有负脉冲信号,负脉冲的产生降低了浓差极化及电化学极化,使充电效率得到提高。方案a与b的不同之处在于所加的负脉冲强度。试验中平均电流一样,但方案b增加了负脉冲的电流及宽度,因此它的正脉冲电流峰值也会相应增加,从而降低了充电效率,因此方案a的充电效率最佳。4充电效率与在线去极化近年来,电动车及电动设备等新兴市场的出现,迫切要求缩短充电时间,提高充电效率,传统的铅蓄电池充电方式已受到极大的挑战,快速充电、脉冲充电已成为蓄电池充电技术的发展方向。据相关部门统计资料显示,市场上85%以上的充电器存在严重的质量隐患。这些充电器往往充电电流过小,充电电压不稳定,充电时间过长,导致蓄电池内部出现极化现象,硫化结晶,致使充电容量达不到要求,大大降低蓄电池的正常使用寿命。因此,研制真正意义的智能充电装置具有重要的实用