矿用电机车蓄电池快速充电装置的研究与应用[论文]

矿用电机车蓄电池快速充电装置的研究与应用
摘要：本充电装置采用dsp控制技术，通过对蓄电池电压和充电电流的检测，经过分析处理，得到最佳的充电电流或电压，实现了变电流间歇快速充电，获得最佳的充电效果。

该充电方式具有充电速度快、对电池损伤小、延长电池使用寿命等特点。

关键词：充电装置变电流间歇快速充电全桥功率变换器
引言
我国是煤炭生产和消费大国，而蓄电池机车是我国煤矿生产中使用比较广泛的牵引运
输工具，蓄电池作为机车电源得到广泛应用。

如何能快速、安全、高效地对蓄电池充放电就显得尤为重要。

目前我国煤矿使用的大多是传统的充电机，体积大、充电时间长、还严重影响蓄电池寿命，与我国提倡的环保、节约型社会不相符。

因此，研制矿用铅酸蓄电池快速充电装置具有很好的现实意义。

本文在对蓄电池充电机原理和目前各种充电方法研究的基础上，提出了改进型变电流间歇快速充电方法。

1、系统概述
（1）、硬件系统构成
充电装置的硬件由整流电路，buck斩波电路，h桥变换电路及外围接口电路四部分构成。

buck斩波电路用来调节h变换电路的输入电压，以保证igbt管在其耐压值内正常工作；h桥变换电路是整个系统的核心，通过开关电源专用集成芯片sg3525a对其开关管的控
制，产生给蓄电池充电所需的可调电压和电流；外围接口电路主要包括液晶显示，键盘扫描，电流、电压、温度a/d采样，时钟显示和继电器控制等。

整个硬件结构如图1所示。

（2）、控制系统
本系统以dsp为核心，配以接口电路、采样电路、igbt驱动电路等，可按照预置自动控制充电过程，并在充电过程中进行充电数据（包括电池端电压、充电电流及电池表面温度等）的自动采集，实时显示、批量存储及分析处理等。

dsp选用ti公司的tms3202407系列。

该系列dsp片内提供有32k字的flash程序存储器空间，高达1.5k字的数据/程序ram，544字的双口ram和2k字的单口ram。

含有两个事件管理器模块eva和evb，每个包括两个16位通用定时器，16通道的10位的a/d转换器。

3、工作原理
3.1变电流间歇快速充电
变电流间歇充电段是在限定充电电压条件下，采用变电流间歇方式加大充电电流，达到加速充电过程，缩短充电时间，以充进更多电量的目的。

它有三个要点：限定充电电压，保证加大充电电流不损伤电池；用间歇分段充电方式加大充电电流值；为充进尽可能多电量应采用逐次减少充电电流值的变电流模式。

变电流间歇充电方法首先选择起始充电电流（一般取较大电流值，如100a）充电，电池电压逐渐上升。

当充电电压达到转换电压时停止充电（通常取2.70v/cell）。

在停充时电池电压急剧下降，
保持一段停充时间后，按一定方式减少充电电流继续充电。

当电池充电电压再次达到转换电压时又停止充电，如此反复数次（一般约3～4次）就可以将充电电流减少到20a。

最后用20a电流充电至电压到达转换电压值时，结束充电过程。

3.2电路工作原理
本充电装置的电路由主电路、控制电路等组成。

电路原理如图2所示。

主电路由三相整流电路、全桥功率变换器组成交—直—交—直电路。

对蓄电池实施充电。

电源控制电路实现对全桥功率开关器件的控制，可以实现电流和电压闭环控制。

充电工艺控制电路采用dsp 控制技术，实现人机接口，完成对电压和电流的检测和控制，实现蓄电池充电过程的控制。

使用输出接触器和检测控制，实现蓄电池极性保护功能。

3.3 全桥功率变换器工作原理
全桥功率变换器的电路结构如图3所示。

图中画出的是变压器t 的原边，us是加在模块上的直流电压。

当功率开关vt1和vt4导通时，变压器t原边承受电压为：uab=+us；当功率开关vt2和vt3导通时，高频变压器t原边承受电压为：uab=-us。

这样在高频变压器原边就形成了正负交替的电压，如图4所示。

通过变压器的耦合，根据匝比，就可以获得需要的副边电压，再经过整流电路便得到直流电压，改变图4中波形的宽度大小，就可以改变直流电压的大小。

这就是全桥功率变换器实现直流电源的基本原理。

4、技术性能
（1）供电电压：三相660/380vac/50hz，电压变动范围：-10%～+10%；
（2）采用igbt技术，输出电压在额定值内连续可调，输出电流0～100adc（连续可调）；
（3）装置充电方式：采用程控变电流间歇快速充电方式和手动控制方式；
（4）充电机具有以下保护功能：过压、欠压、过流、过载保护功能；
（5）蓄电池电压检测和极性保护功能。

5、应用要求
（1）海拔高度不超过1000m；
（2）周围环境温度为-20℃～+40℃，24h内的平均温度不超过+35℃；
（3）周围空气最大相对湿度不超过95%（相当于空气+25℃）；（4）在具有甲烷和煤尘爆炸性气体混合物的煤矿井下；
（5）在无腐蚀金属和破坏绝缘的气体及蒸汽的环境中；
（6）无剧烈震动和冲击，垂直斜度不超过5%的固定场所；（7）交流电网电压波动范围不超过额定的±10%。

6、结束语
为了测试该充电装置的性能，对12吨蓄电池机车进行了长时间测试，测试结果表明，充电时间比采用传统充电方式所使用的充电
时间减少了约50%，充电效率提升至90%左右，蓄电池电解液的温升较常规充电也没有明显升高，实现了高效、快速充电，并且很好的保护了蓄电池，具有较好的推广价值。

参考文献：
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[2]、王佩春，郑克文；新世纪前十年铅酸蓄电池的发展趋势[j]；船电技术；2002年02期
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