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帶有自適應(yīng)控制技術(shù)的脈沖式充電機(jī)的設(shè)計

發(fā)布時間:2012-12-19 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】目前,礦用電機(jī)車蓄電池的充電,無論是恒流充電、恒壓充電或是先恒流再恒壓的分段式充電,都有一個共同的問題,就是這種小電流慢充方式,蓄電池初充需70小時以上,進(jìn)行普通充電也需10小時以上。

這種充電方式在充電過程的初期,充電電流遠(yuǎn)小于蓄電池可接受的充電電流,因而拉長了充電時間,造成電能的浪費(fèi)。而在充電過程的后期,充電電流又大于蓄電池可接受的電流,蓄電池內(nèi)部溫度升高,產(chǎn)生大量析氣,并形成內(nèi)部硫化結(jié)晶,大大縮短了蓄電池的循環(huán)使用壽命,甚至有可能永久性地?fù)p壞電池。這不僅造成了浪費(fèi),也增加了對環(huán)境的污染。同時,這種傳統(tǒng)充電機(jī)采用變壓器變壓整流,可控硅控制的途徑,技術(shù)落后,設(shè)備笨重,可靠性也差。

美國科學(xué)家馬斯通過對鉛酸蓄電池的大量試驗研究,提出了一條鉛酸蓄電池可接受的充電電流曲線。在充電過程的初期,蓄電池可接受的充電電流很大。隨著充電過程的延續(xù),充電電流逐漸按指數(shù)規(guī)律減小。讓充電機(jī)的充電電流按這樣一條理想電流曲線變化,就可以最大限度的提高充電效率。同時,試驗表明,采用脈沖式的充電方式是消除各種極化現(xiàn)象,提高充電速度,延長蓄電池循環(huán)使用壽命的有效途徑。這種充電方式是在對蓄電池充電的過程中適時暫停充電,并適當(dāng)加入放電脈沖。當(dāng)電池充電停止時,電池的歐姆極化消失,濃差極化和電化學(xué)極化減弱。若能在電池充電過程中讓其反向放電,則極化現(xiàn)象迅速消失,電池內(nèi)部溫度也會因放電而得到有效控制。脈沖電流充放電對電池極板有加強(qiáng)其韌性的效果,可以大大提高蓄電池的循環(huán)使用壽命。同時,由于電池極化現(xiàn)象的消失,脈沖電流又可以深層次地激活電池內(nèi)部的活性物質(zhì),從而大幅度提高蓄電池的充電有效容量。

當(dāng)前,帶有自適應(yīng)控制技術(shù)的脈沖式充電機(jī)已成為礦用電機(jī)車充電機(jī)的主要發(fā)展方向。因此,開發(fā)新一代的智能快速充電機(jī)不僅可以提高充電效率,降低使用單位的運(yùn)營成本,同時也具有節(jié)能、環(huán)保等諸方面的社會意義。

一種智能型全自動快速充電機(jī)

電氣原理

充電機(jī)電氣原理框圖見圖1。電氣原理分為三大部分,即逆變主通道、檢測控制單元和對話單元(顯示操作單元)。

充電機(jī)電氣原理框圖
圖1:充電機(jī)電氣原理框圖

逆變主通道將380 V交流電源變換為可對電池進(jìn)行充電的可控直流電源,由輸入回路、工頻整流濾波電路、移相全橋(ZVT-PWM)變換電路、高頻整流電路濾波電路、輸出回路及放電回路組成。

輸入回路即供電回路,在非運(yùn)行狀態(tài)時,可切斷主通道電源。輸入回路設(shè)計有軟啟動功能,避免啟動沖擊對回路元件造成的損傷。

工頻整流濾波電路將380 V交流電整流為約550 V的直流電,如圖2所示。

工作整流濾波電路示意圖
圖2:工作整流濾波電路示意圖

移相全橋功率變換電路是主通道的核心,完成從直流到交流再到直流的變換。如圖3所示。通過改變橋臂IGBT控制信號的相位,來改變耦合到高頻變壓器的波形寬度,從而改變輸出給被充電池的電流、電壓值。

移相全橋功率變換電路示意圖
圖3:移相全橋功率變換電路示意圖

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高頻整流濾波電路將高頻變壓器副邊的高頻交流電,整流為電池充電要求的平滑直流電。

輸出開關(guān)電路在非充電狀態(tài)下保證主通道與被充電池的隔離,防止發(fā)生反接造成的危險。

放電電路實現(xiàn)"充-停-放-停-充"的充電方式,從而改善電池的充電效果和恢復(fù)電池的性能。此外,還可以對電能未消耗完的待充電池進(jìn)行放電處理。

控制單元接收來自對話單元給定的參數(shù)和命令,并通過對主通道各相關(guān)參數(shù)的實時檢測,動態(tài)控制主通道的工作,實現(xiàn)要求的充電功能和充電進(jìn)程。同時為設(shè)備提供多種保護(hù)。

控制單元采用最新嵌入式內(nèi)核芯片ARM設(shè)計。采集模擬量為:4路溫度、輸出電流、放電電流、輸出電壓和電池電壓。控制量為:輸入開關(guān)、軟啟動、輸出開關(guān)、輸出電容放電和ZVT-PWM變換控制等。

控制單元與對話單元之間為RS232全雙工通信??刂茊卧邮諄碜詫υ拞卧母鞣N控制命令,并向?qū)υ拞卧獙崟r發(fā)送數(shù)據(jù)。

對話單元是整機(jī)操作平臺,接收并實現(xiàn)操作者的各種工作指令,完成各種工作方式的參數(shù)設(shè)定、記憶及各種動靜態(tài)參數(shù)顯示。對話單元由控制芯片、LCM、參數(shù)存儲器和操作按鍵組成。

當(dāng)充電機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)時,設(shè)備首先進(jìn)行自檢。自檢項目包括充電電池是否反接、主通道各部分是否正常。

自檢結(jié)果將發(fā)送給對話單元。

自檢正常時,設(shè)備處于待命狀態(tài),準(zhǔn)備接收由對話單元發(fā)來的各種命令及參數(shù),并按要求開始相應(yīng)的工作進(jìn)程。

自檢故障時,對話單元顯示故障編號,等待檢修。

工作方式

智能型全自動快速充電機(jī)設(shè)計了三種工作方式:便捷方式、智能方式和放電方式。

便捷方式。一種常規(guī)的恒流限壓定時充電工作方式,此方式工作時,充電機(jī)以設(shè)定電流向負(fù)載電瓶恒流充電,當(dāng)充電電壓達(dá)到限制電壓時,電壓不再上升,而充電電流逐漸減小。當(dāng)充電時間達(dá)到設(shè)定時間時,充電機(jī)自動結(jié)束充電過程。此種模式充電,電流不宜超過100 A,否則電瓶不易充滿,且析氣量大。

智能方式。一種針對不同規(guī)格型號的電池采取不同整定參數(shù)充電的工作方式。而對每一種電池又有三種充電模式,即初充模式、恒流模式和快速模式。

a.初充模式。為兩階段的定電流、定時間的自動充電方式。主要為新電池初充設(shè)計。此模式充電,兩階段電流均不宜過大,

b.恒流模式。開始充電時為恒流工作,當(dāng)電壓升高到設(shè)定值時轉(zhuǎn)入穩(wěn)壓工作,當(dāng)充電時間達(dá)到設(shè)定時間或充電容量滿時自動停止充電,這是基本進(jìn)程。當(dāng)充電時間足夠長時,基本進(jìn)程會疊加周期性的放電脈沖,疊加后的充電過程為"充-停-放-停-充"。

c.快速模式??焖倌J桨齻€順序階段:恒流、恒壓和小電流維持。恒流段以大電流充電為特征,當(dāng)充電量達(dá)到設(shè)定容量或充電時間達(dá)到設(shè)定值或電壓升至限定值時結(jié)束,轉(zhuǎn)入恒壓段。恒流段可使電瓶恢復(fù)80%左右的容量。恒壓段則維持恒流充電結(jié)束時的電壓,而電流逐漸減小,當(dāng)恒壓充電達(dá)到設(shè)定時間時,自動轉(zhuǎn)入維持充電過程。快速模式和恒流模式一樣,當(dāng)充電時間足夠長時,基本進(jìn)程會疊加周期性的放電脈沖,疊加后的充電過程為"充-停-放-停-充"。恒壓過程結(jié)束時,電瓶容量可恢復(fù)95%以上。當(dāng)充電進(jìn)程轉(zhuǎn)入維持充電過程時,脈沖疊加停止。放電方式是為人工對電瓶放電而設(shè)計的功能。進(jìn)入該方式時,電瓶按照設(shè)定電流放電,當(dāng)電瓶電壓降到設(shè)定值時自動停止放電。

技術(shù)性能和參數(shù)

1)額定輸入電壓:380 VAC±10%50 Hz;
2)額定輸出功率:30 kW;
3)直流輸出電流:5-200 A;
4)直流輸出電壓:30~300 V;
5)工作模式:三種,便捷充電、智能充電和自動放電。智能充電模式分為三種充電方式,即初充方式、恒流方式和快速方式;
6)具有自檢功能;
7)具有電池反接保護(hù)功能;
8)具有過流、過載、短路和超溫等保護(hù)功能;

本設(shè)計以大功率IGBT為核心,嵌入先進(jìn)的智能控制系統(tǒng),在充電過程中實時檢測電池的充電情況,自動調(diào)整充電參數(shù),實現(xiàn)最佳的模式控制。通過"充-停-放-停-充"的脈沖充電方式,實現(xiàn)了可控的去極化功能和最佳的充電工藝要求,提高了充電效率和電池的充電容量,延長了電池的使用壽命,同時設(shè)備還具有自檢及多種保護(hù)功能,有著廣闊的應(yīng)用前景。

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