用于煤矿机车蓄电池的智能充电机设计
0 引言
本文介绍的智能充电机为高频开关电源式，大大减小了整个系统的体积，提高了充电效率；充电方法采用变电流脉冲充电法，使得充电电流更好地逼近蓄电池的可接受充电电流曲线，从而加快了充电的速度，有效地保护了蓄电池，延长了电池的循环使用寿命。
1 铅酸蓄电池充电理论及智能充电工艺
1967年美国科学家马斯（J．A．MAS）以蓄电池充电时的最低析气率为前提，提出了蓄电池能够接受的最大充电电流和可接受的充电电流曲线（称为马斯曲线）。如图1所示，任意充电时刻的蓄电池可接受的充电电流
从图1可以看出，蓄电池在充电之初可接受电流很大，但是衰减很快，这是由于在充电的过程中蓄电池内部产生了极化现象，阻碍了电池的继续充电。电池的极化分为欧姆极化、电化学极化和浓差极化3部分，其中，欧姆极化和电化学极化在充电停止时即可消失，而浓差极化的消除比较缓慢，在数秒内逐渐降低并消失。另外，由铅酸蓄电池的电化学理论可知，当充电电流大于蓄电池的可接受电流时，多出的电能将用于水的电解反应，导致电池极板上产生气泡，电池内部温度上升，进而损坏电池。因而，充电过程中的电流必须尽可能地逼近马斯曲线，比较普遍的充电法有恒流递减式充电法和脉冲充电法。
20世纪90年代末，厦门大学的陈体衔教授在VRLA电池充电实验的基础上提出了变电流间歇充电法（见图2），其特点是在变电流间歇恒流充电段设定停充电压，当电池端电压达到停充电压时便停止充电一段时间，以后逐次减小充电电流值。为将电池恢复至完全充电态，充电后期采用恒压均充电，充电电流逐渐减小，达到涓充电流后保持不变，在设定时间之内若无变化则结束充电过程。
本文中介绍的智能充电方法是在变电流间歇充电法的基础上，在各个恒流充电段中加入很短时问的停充间隔，这样各段的恒流充电可以看成是由一系列幅值和脉宽相同的脉冲电流组成（见图3），采用这样的方法更有利于前面所述的3种极化现象的消除。
2 系统构成
2．1主电路设计
智能充电机的硬件电路结构如图4所示，该系统采用交一直一交一直型电路结构。输入为三相380V交流电，经三相桥式整流后得到486～530V的直流电压，当中加滤波电容和均压电阻。直流一交流变换部分采用H桥变换电路，功率开关器件IGBT的选取：（1）耐压值，Voc=537V，留2倍裕量，取 vcEs=1200V；（2）通态电流值，=52A，取，=100A；（3）开关频率在30～40kHz。故选用EUPEC公司的DB— FF100R12KS4系列IGBT模块。该模块内部集成了2个IGBT功率管，每个功率管上并联了保护二极管。IGBT功率管的导通和关断由PWM发生器SG3525产生的驱动信号来控制，由此控制输出电压和输出电流的大小。高频变压器的副边输出采用全波整流电路，经电感、电容滤波后对蓄电池进行充电。该充电机最大输出电流为80A，最大输出电压为280V，最大功率22．4kW，属于大功率充电机。
2．2控制系统设计
（1）DSP芯片2407
充电机的控制系统采用DSP芯片，选用了TI公司的TMSLF240X系列的2407芯片。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2个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括2个16位通用定时器，16通道的1O位的A／D转换器。外部配以采样电路（电池端电压、充电电流和电池温度等）、输出控制电路、EEP．ROM读写电路（读取和存储重要充电参数）、键盘扫描电路和SCI串行通信电路（用于上位机控制和联机通讯）等。DSP还通过并行线与显示屏驱动芯片T6963C相连接，用户通过键盘和显示屏组成的人机界面可以方便地翻阅菜单，设置充电参数，控制整个充电过程。
（2）采样电路在该系统中，DSP通过采样电路负责对输出电流、蓄电池端电压、直流母线电压、高频变压器温度、蓄电池温度等多个模拟量进行采样。其中，充电电流、蓄电池端电压和蓄电池温度值在显示屏上实时显示，以使用户能够及时方便地知道充电参数值以及充电过程正处于哪个阶段；同时，DSP通过对各个温度值的检测，决定系统是否应处于工作状态（指处于对蓄电池的充电状态），当检测到任意一种温度值超过允许值时，立即停机。此外，充电电流和蓄电池端电压这2个反馈量与DSP的输出给定量构成电流和电压闭环控制，其比较值经由PI调节器，作为PWM控制器的输入信号。
（3）PWM控制芯片SG3525PWM控制芯片用以输出控制功率管导通关断的信号。在该控制电路中选用的是美国硅通用公司的SG3525芯片。 SG3525由输出5．1V、温度系数1％的基准稳压电源、误差放大器、振荡频率在100～400Hz的锯齿波振荡器、翻转触发器和保护电路组成，能够输出两路占空比相等，且相位相差180。的驱动信号。DSP芯片的输出经过电压和电流闭环后，各输出两路信号，经过IGBT集成驱动芯片M57959的放大，传至IGBT的栅极，控制H桥逆变电路上处于对角位置的IGBT功率开关管。
2．3软件设计
充电机的软件程序是在ccs2（C2000）开发系统下编制而成，程序用c语言编写，采用模块化程序设计方法，整个系统工作的主程序如图5所示。
充电机的软件程序中为用户设计了丰富的功能菜单。用户进入运行界面后，可以选择充电方式，并根据蓄电池的不同，设置各个充电阶段的充电参数，包括：起充电流、停充电压、充电时间、变电流系数和脉冲占空比等，并可将这些重要参数保存进EEP．ROM，以供下次相同蓄电池充电的需要。根据具体充电运行情况的不同，用户可通过操作键盘在充电过程中加大或减小充电电流。
3 实验结果
在充电实验中，所用的电机车蓄电池由淮南顾桥煤矿提供，每台机车所用的蓄电池为由96节蓄电池串联而成的蓄电池组，完全充电后电压为192V左右。根据具体情况，充电机的首段充电电流为80A，停充电压值为2．55V／cell，电流递减系数为0．6，在试验中，一般经过3～4段恒流脉冲问歇充电后，转为恒压均充电。经过多次充电试验表明，该智能充电机能够对机车用铅酸蓄电池组进行安全和有效地充电。
将蓄电池从完全放电态充至完全充电态，整个充电时问可控制在14h以内。充电过程中，电池内部仅有很少量的气泡冒出，且电池温度也始终在较低的范围之内。完全充电后的铅酸蓄电池可供矿车连续运行9～10h。与传统充电工艺相比，不仅充电时间短，而且能源的利用率也大大增加。
本文介绍的智能充电机为高频开关电源式，大大减小了整个系统的体积，提高了充电效率；充电方法采用变电流脉冲充电法，使得充电电流更好地逼近蓄电池的可接受充电电流曲线，从而加快了充电的速度，有效地保护了蓄电池，延长了电池的循环使用寿命。
1 铅酸蓄电池充电理论及智能充电工艺
1967年美国科学家马斯（J．A．MAS）以蓄电池充电时的最低析气率为前提，提出了蓄电池能够接受的最大充电电流和可接受的充电电流曲线（称为马斯曲线）。如图1所示，任意充电时刻的蓄电池可接受的充电电流
从图1可以看出，蓄电池在充电之初可接受电流很大，但是衰减很快，这是由于在充电的过程中蓄电池内部产生了极化现象，阻碍了电池的继续充电。电池的极化分为欧姆极化、电化学极化和浓差极化3部分，其中，欧姆极化和电化学极化在充电停止时即可消失，而浓差极化的消除比较缓慢，在数秒内逐渐降低并消失。另外，由铅酸蓄电池的电化学理论可知，当充电电流大于蓄电池的可接受电流时，多出的电能将用于水的电解反应，导致电池极板上产生气泡，电池内部温度上升，进而损坏电池。因而，充电过程中的电流必须尽可能地逼近马斯曲线，比较普遍的充电法有恒流递减式充电法和脉冲充电法。
20世纪90年代末，厦门大学的陈体衔教授在VRLA电池充电实验的基础上提出了变电流间歇充电法（见图2），其特点是在变电流间歇恒流充电段设定停充电压，当电池端电压达到停充电压时便停止充电一段时间，以后逐次减小充电电流值。为将电池恢复至完全充电态，充电后期采用恒压均充电，充电电流逐渐减小，达到涓充电流后保持不变，在设定时间之内若无变化则结束充电过程。
本文中介绍的智能充电方法是在变电流间歇充电法的基础上，在各个恒流充电段中加入很短时问的停充间隔，这样各段的恒流充电可以看成是由一系列幅值和脉宽相同的脉冲电流组成（见图3），采用这样的方法更有利于前面所述的3种极化现象的消除。
2 系统构成
2．1主电路设计
智能充电机的硬件电路结构如图4所示，该系统采用交一直一交一直型电路结构。输入为三相380V交流电，经三相桥式整流后得到486～530V的直流电压，当中加滤波电容和均压电阻。直流一交流变换部分采用H桥变换电路，功率开关器件IGBT的选取：（1）耐压值，Voc=537V，留2倍裕量，取 vcEs=1200V；（2）通态电流值，=52A，取，=100A；（3）开关频率在30～40kHz。故选用EUPEC公司的DB— FF100R12KS4系列IGBT模块。该模块内部集成了2个IGBT功率管，每个功率管上并联了保护二极管。IGBT功率管的导通和关断由PWM发生器SG3525产生的驱动信号来控制，由此控制输出电压和输出电流的大小。高频变压器的副边输出采用全波整流电路，经电感、电容滤波后对蓄电池进行充电。该充电机最大输出电流为80A，最大输出电压为280V，最大功率22．4kW，属于大功率充电机。
2．2控制系统设计
（1）DSP芯片2407
充电机的控制系统采用DSP芯片，选用了TI公司的TMSLF240X系列的2407芯片。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2个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括2个16位通用定时器，16通道的1O位的A／D转换器。外部配以采样电路（电池端电压、充电电流和电池温度等）、输出控制电路、EEP．ROM读写电路（读取和存储重要充电参数）、键盘扫描电路和SCI串行通信电路（用于上位机控制和联机通讯）等。DSP还通过并行线与显示屏驱动芯片T6963C相连接，用户通过键盘和显示屏组成的人机界面可以方便地翻阅菜单，设置充电参数，控制整个充电过程。
（2）采样电路在该系统中，DSP通过采样电路负责对输出电流、蓄电池端电压、直流母线电压、高频变压器温度、蓄电池温度等多个模拟量进行采样。其中，充电电流、蓄电池端电压和蓄电池温度值在显示屏上实时显示，以使用户能够及时方便地知道充电参数值以及充电过程正处于哪个阶段；同时，DSP通过对各个温度值的检测，决定系统是否应处于工作状态（指处于对蓄电池的充电状态），当检测到任意一种温度值超过允许值时，立即停机。此外，充电电流和蓄电池端电压这2个反馈量与DSP的输出给定量构成电流和电压闭环控制，其比较值经由PI调节器，作为PWM控制器的输入信号。
（3）PWM控制芯片SG3525PWM控制芯片用以输出控制功率管导通关断的信号。在该控制电路中选用的是美国硅通用公司的SG3525芯片。 SG3525由输出5．1V、温度系数1％的基准稳压电源、误差放大器、振荡频率在100～400Hz的锯齿波振荡器、翻转触发器和保护电路组成，能够输出两路占空比相等，且相位相差180。的驱动信号。DSP芯片的输出经过电压和电流闭环后，各输出两路信号，经过IGBT集成驱动芯片M57959的放大，传至IGBT的栅极，控制H桥逆变电路上处于对角位置的IGBT功率开关管。
2．3软件设计
充电机的软件程序是在ccs2（C2000）开发系统下编制而成，程序用c语言编写，采用模块化程序设计方法，整个系统工作的主程序如图5所示。
充电机的软件程序中为用户设计了丰富的功能菜单。用户进入运行界面后，可以选择充电方式，并根据蓄电池的不同，设置各个充电阶段的充电参数，包括：起充电流、停充电压、充电时间、变电流系数和脉冲占空比等，并可将这些重要参数保存进EEP．ROM，以供下次相同蓄电池充电的需要。根据具体充电运行情况的不同，用户可通过操作键盘在充电过程中加大或减小充电电流。
3 实验结果
在充电实验中，所用的电机车蓄电池由淮南顾桥煤矿提供，每台机车所用的蓄电池为由96节蓄电池串联而成的蓄电池组，完全充电后电压为192V左右。根据具体情况，充电机的首段充电电流为80A，停充电压值为2．55V／cell，电流递减系数为0．6，在试验中，一般经过3～4段恒流脉冲问歇充电后，转为恒压均充电。经过多次充电试验表明，该智能充电机能够对机车用铅酸蓄电池组进行安全和有效地充电。
将蓄电池从完全放电态充至完全充电态，整个充电时问可控制在14h以内。充电过程中，电池内部仅有很少量的气泡冒出，且电池温度也始终在较低的范围之内。完全充电后的铅酸蓄电池可供矿车连续运行9～10h。与传统充电工艺相比，不仅充电时间短，而且能源的利用率也大大增加。
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