智能充电系统的设计与实现

智能充电系统的设计与实现

铅酸电池是目前大容量电池的主要品种,在通讯,交通,电力等部门得到了广泛的应用.但是因为充放电的不合理而损坏的铅酸电池占相当大的比例.所以一个好的充电系统不仅能提高电池的最大效应,同时也大大提高电池的寿命.在我们公司中,为了给2.4k逆变器设计合理的充电部分,我们单独设计了利用DSP进行控制的智能充电系统.

一.充电系统的要求及设计思路:

对于铅酸电池,根据资料显示,采用多段恒流,定压,脉冲的充电算法最有效.其充电过程曲线如图1.

根据我们设计的逆变器的要求,对充电系统的要求为:

1.充电电池为铅酸电池

2.输入市电电压波动范围230V±30%.

3.最大充电电流为100A,充电电压为13.8V±1%.

4.充电过程为:多段恒流,定压,脉冲的充电算法.

5.本系统具有过充,过流和断路保护功能.

由于我们的充电电流很大,所以我们选择了以通过控制SCR来实现对充电电流和电压调整.在程式的设计中,我们采用了以增量式PID控制为核心的数字控制理论思想.其具体论述可参考以前RD REPORT的<<数字化UPS中convertor部分的探讨>>.

二.各个阶段的充电思想以及注意的问题:

1.恒流充电阶段:

在恒流阶段,为了得到最理想的充电曲线,可采用多段恒流,在本程序中,只作了恒流值为100A的一种情况.而其他种情况均类似.在此阶段,我们以反馈的充电电流作为比较值与参考值100A作比较,得到ERROR值,通过比例控制,得到下一个周期SCR的导通角大小.由于此阶段对充电精度的要求不高,所以我们只采用了比例控制.

在多段恒流充电过程中,开始充电的瞬间进行小电流的充电是有必要的,当电

池很空的时候,由于电池可能已经处于受损的状态,这时采用小电流恒流充电,有利于激活电池内的反应物质,部分恢复受损的电池单元.当电池比较空的时候,可以用大电流恒流充电,使电池在短时间内冲入比较大的电量而不损坏电池.

此阶段需要注意的几个问题有:(1)对比利系数的调节,当比例系数过大时,系统的振荡非常强烈,使得超调量过大,对电池找成的冲击也很大,同时会对反馈到DSP的充电信号产生严重的影响,甚至会烧毁DSP.(2),由于比例系数的不当,使得在输入的充电电压波动或是频率波动,都会对充电电流的大小造成影响,使得实际的充电电流与设定值有偏差,而波动范围在多大之内可以接受(防止变压器饱和或对电池造成损坏),有待于我们的继续论证.

2.恒压充电阶段:

在恒压阶段,我们对充电电流的大小不作控制,只对电池电压作控制,为了避免过充,我们对电压的精度要求较高,而采用了PI算法,具体的思路是我们以反馈的电池电压作为比较值和恒定值13.8V+0.05V作比较,得到ERROR值,通过PI控制,得到下一个周期SCR的导通角大小.当比例系数Kp越大,电流误差越小,但是系统的稳定性降低.Ki的数值对系统的稳定性非常重要,它较小的变化都会引起系统的振荡.

在此过程中要注意的问题有:(1)当比例系数选取不当时,系统很容易从恒压阶段跳到另一个阶段,从而造成系统的振荡,严重时会出现对电池很强的过充冲击.(2)微分系数在这里对系统的稳定性很重要,(3)如果和恒流充电与脉冲充电的衔接不好,会使系统在两个阶段之间发生振荡.破坏充电过程的完整性.但是在实际的调试过程中,是不可能完全避免这种情况的.只能尽量减小,但是这对电池并没有什么影响.

3.恒流充电与恒压充电的衔接:

当系统从恒流阶段跳至恒压阶段时,会发生振荡,即系统在两种阶段间来回跳变,为了避免这种情况的发生,我们让恒流阶段结束电压13.8V和恒压点电压13.85V之间有0.05V的间隔,当一开始充恒流阶段跳至恒压阶段后,ERROR值为正,使得充电电流变得更大(第一次超过最大恒流值),但是此过程维持的时间很短,不会对电池造成损坏,当电池电压以超过13.85V,ERROR变负,系统就会以13.85V 为中心进行振荡,从而实现恒压充电,而不会频繁的跳回恒流阶段.但是当市电波动较大时还是会产生这种现象. 由于我们采用了增量式的表达法,通过调整增量部分来实现控制导通角,我们对控制角的大小的固定部分采用了全局变量,使得充电从一个阶段跳到另一个阶段时导通角的变化是连续的.这样也极大的减小了系统的振荡.

4.脉冲充电阶段:

当恒压充电的充电电流降到一定值以后,应改用脉冲充电,这不仅能加快充电速度,而且能使充入的电量更多.在进入脉冲充电后,可以用一个固定大小的导通角作为控制,但是此值要大于恒压充电最后一个导通角的值,这样由于充电电流瞬间变大,系统停止充电,因而关闭输出,电池电压回落,形成循环,此为脉冲阶段. 5.停止充电.

当电池电压超过14.3V或低于10V时,系统停止充电.同时由于对电池电压和充电电流是实时监测的,这样可实现过充保护和断路保护.

三.硬件线路的设计以及要注意的问题:

整个充电系统的动作是DSP以电池电压和充电电流的反馈作为比较量,通过

控制SCR的导通角,实现对输入市电电压和电流的控制,经过变压器变压整流后给电池充电.图2为我们的硬件线路原理图.

图2 充电系统线路原理图

由于此系统的核心是软体的控制算法, 可移植性较强,所以对硬件线路的要求较低.但是在实际硬件线路设计过程中也要注意以下几个问题.

1.负载侦测线路的设计.

由于充电电流波形比较窄,有效值大,而平均值小,而用来整流的二极管存在截至电压,以及开关阈值等影响使得用整流滤波得到的反馈电压与实际电流大小并不成线性关系.甚至有时得不到我们所要的值.在选用器件时我们要注意此问题.同时由于线路的输出是送到DSP的,所以线路输出要加入保护,但是如果PID控制不合理或者市电波动较大时,此处的输出会很大,所以不能用二极管与3.3V相接.最好用稳压管等措施.

2.电池电压反馈的侦测线路.

由于在充电时电池上的电压是经过变压器和整流后的波形与实际电池电压的叠加器波形可见图3.所以我们不能直接把此值送给DSP,要先把其交流分量滤掉,所以我们用一个简单的二阶滤波电路来实现此功能.但是在参数选取时要注意送入DSP的输入阻抗要和DSP内部的设置值匹配.同时由于整个线路的干扰很强,所以有必要在电池两端加一个3300UF的电解电容.