基于DSP的船用蓄電池分級恒流充電控制系統

李小謙，謝 煒，耿 攀，雷 津

(1．武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064;2．海軍駐719所軍事代表室，湖北 武漢 430064)

基于DSP的船用蓄電池分級恒流充電控制系統

李小謙1，謝 煒1，耿 攀1，雷 津2

(1．武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064;2．海軍駐719所軍事代表室，湖北 武漢 430064)

提出了1種基于DSP的船用蓄電池分級恒流充電控制器的方案，分析了控制器硬件及軟件的結構和功能，并在大功率直流電力系統平臺上進行了實驗驗證，結果表明控制器的性能良好。

DSP;分級恒流控制;船用蓄電池

1 概述

某些船舶采用電力推進方式，其特點是一次動力源為柴油發動機，二次動力源為蓄電池，在柴油機動力不足或者特殊工況下由蓄電池提供主要動力。另外，蓄電池還能增加其水下續航能力，提高作戰隱蔽能力。本文研究的蓄電池充電系統包括4臺整流柴油發電機、2組蓄電池、直流負載、保護裝置及充電控制系統等。該系統電網結構如圖1所示。其中1號和3號柴油發電機為1組，Icf1和Icf3為2臺柴發充電電流，與1號蓄電池組直接并聯，蓄電池充電電流為Idc1;2號和4號柴油發電機為1組，Icf2和Icf4為2臺柴發充電電流，與2號蓄電池組直接并聯，蓄電池充電電流為Idc2;2組蓄電池分別并接負載后通過限流保護裝置Rx并聯。蓄電池分級恒流充電控制系統作為充電系統的核心，要求其盡可能地在延長蓄電池使用壽命的基礎上在規定的時間內使蓄電池快速充足電量。它的主要任務是根據給定的電流級別經過計算輸出4～20 mA的恒流控制信號，該信號經過勵磁調節器放大后去控制柴油發電機的勵磁電流，從而使2組蓄電池的充電電流值達到給定的充電電流級別。

圖1 恒流充電等效模型Fig.1 Equivalence model of constant-current charge

2 蓄電池充電系統的控制策略

充電系統的充電電源為4臺柴油發電機，有恒流或恒壓2種工作模式，一般發電機恒壓充電工作于手動工況，需要實時調節控制電位器來調節充電電流，操作強度大，而自動充電工作于恒流模式，采用多級恒流與浮充恒壓充電方案，自動充電方案具體如下：

1)將充電過程分段

將蓄電池整個充電過程分為6個恒流階段和1個浮充階段。根據經驗選擇2 400 A，1 800 A，1 200 A，900 A，600 A和300 A作為上述6個恒流階段的充電設定值。

2)各充電階段終止控制策略

主要基于每階段的蓄電池端電壓值。當蓄電池端電壓達到設定的閾值時，便進入恒壓充電階段，充電電流將逐漸減小，同時提示轉入下一充電階段。

3)浮充階段的充電控制策略

當切換到浮充檔后若此時蓄電池端電壓沒有達到所設定的浮充電壓值，則充電電流限制在100 A內。當達到浮充電壓值時，控制蓄電池組的充電電流為0，使蓄電池組處于既不充電又不放電的狀態。

4)發電機的投入和推出策略

柴油發電機的工作電流有最大上限，有功率缺額時，需要提示投入新的柴油發電機彌補缺額，并且操作投入柴油發電機后能自動均流，減小沖擊;柴油發電機處于輕載或空載狀態，特別是在柴發低于25%負載并聯運行時易出現振蕩，需要提示退出柴油發電機，避免振蕩，提高燃油效率。

5)功率保護越限策略

在柴發滿功率的情況下，不是所有的情況下柴發都能輸出額定電流，當蓄電池電壓升高到一定值后，需要實時計算此時的最大充電電流上限值，避免柴油發電機功率越限。

3 基于DSP的充電控制器硬件電路設計

如圖2所示，整個硬件電路主要包括2組蓄電池電壓電流檢測及采樣電路、4臺柴油發電機投入狀態開關量檢測電路、4臺柴油發電機勵磁狀態開關量檢測電路、充電電流分級開關信號檢測電路、4臺柴油發電機控制信號D/A輸出及隔離電路、CAN通訊接口電路等。

圖2 充電控制系統硬件總體框圖Fig.2 General diagram of charging control system

3.1 蓄電池組電壓電流檢測及采樣電路

2組蓄電池組的電壓、電流的取樣都是通過霍爾傳感器來實現的，其采樣信號經過調理電路、RC濾波電路接入芯片 TLV2544的模擬輸入通道，經A/D轉換后，通過高速光耦隔離電路6N137將串行數據送入DSP。

3.2 4路恒流控制信號輸出電路

DSP計算的控制量是數字量，因此需要將其轉化為模擬信號才能作為4臺柴油發電機勵磁的輸入信號。4路數字控制信號通過光耦隔離電路，驅動4路具有獨立隔離電源的模轉換芯片DAC7512產生輸出0～5 V的電壓信號，柴油發電機的勵磁調節器是由電流信號驅動的，故采用由AD694恒流源電路把0～5 V電壓信號轉化為4～20 mA的電流信號。

3.3 電壓限幅值下傳通訊電路

蓄電池使用一段時間后，充電特性會發生變化，為便于維護蓄電池，上位機可以通過CAN隔離通訊接口將修改后的電壓保護限幅值下傳到控制板上，并在數據效驗合格后存儲于EPROM中，提供快捷的用戶接口。

4 基于DSP的充電控制器軟件設計

在以TMS320LF2407為核心構成的蓄電池恒流充電控制系統中，其軟件功能可分解如下：

1)實現檢測信號的A/D變換和控制信號的D/A轉換;

2)實現蓄電池多級充電電壓限幅數據下載存儲;

3)實現電壓外環、電流內環的PI控制算法;

4)實現4臺柴油發電機的投入和退出邏輯控制及指示。

主程序要完成系統和所需各個功能模塊的初始化，進入主程序中循環執行，等待T1周期中斷的發生。T1中斷周期為20 ms，是程序調用的最小時間節拍。一旦T1周期中斷發生，DSP自動執行T1周期中斷服務子程序，完成0～9的循環計數，即一個調節時間步長為200 ms，其間以時間片來調度蓄電池電壓、電流共4路檢測信號的A/D變換、PI調節算法、投入邏輯控制、D/A轉換及通訊接口的數據查詢。

在蓄電池恒流充電控制系統中，由于柴油發電機輸出恒定電流，而充電電流的變化會直接影響端電壓的變化，設計了電壓環、電流環雙環的PI控制結構，如圖3所示。其中電壓環為外環，在2 400 A，1 800 A，1 200 A，900 A和600 A充電電流級別時，設定的電壓給定值為蓄電池的過充保護電壓值，在300 A時設定為浮充電壓值。當端電壓沒有達到該電壓值時，電壓環將輸出與充電電流級別關聯的飽和值，這時電流環起主要作用;當蓄電池達到該電壓值時，電壓環才起作用。

圖3 電壓、電流環雙環PI控制原理Fig.3 Diagram of voltage-current double loop PI Controling system

電壓環和電流環調節采用PI調節器。根據雙環控制的結構特點，選用增量式PI調節器算法。增量式PI調節器算法的表達式是［1］：

圖4給出了PI調節器的結構框圖，為了防止溢出，設置了輸出飽和限制。PI調節器的參數值(k1和k2)整定比較復雜［2］，需要通過實驗來整定。

圖4 PI調節器結構Fig.4 Structural diagram of PI controller

根據上面的主要思想，可以得到系統的電壓和電流雙環PI控制流程圖如圖5所示。

圖5 電壓、電流環PI控制流程Fig.5 Flow process chart of voltage-current double loop PI Controling system

5 試驗結果

在進行實際系統聯調實驗時，在蓄電池充電系統模擬測試平臺上根據幾種典型的工況驗證了控制器的性能。

第1種工況：蓄電池并聯充電，1和2號發電機投入，將充電電流級別從1 200 A逐級切換到0 A檔，觀察蓄電池各級充電電流響應情況。以1 200 A切換到900 A為例，圖6給出了充電電流較大一組蓄電池的響應情況。

圖6 充電電流較大一組蓄電池的響應情況Fig.6 Battery charging response with higher current

由圖6可看出，充電電流調節過渡過程比較平緩，調節時間為12 s左右，符合實際系統的要求。

第2種工況：蓄電池并聯充電，1和2號發電機投入，將充電電流級別切換為900 A，觀察蓄電池充電電壓上升，達到保護值545 V時充電電流的變化。

圖7 恒壓保護時蓄電池充電電流變化Fig.7 Battery charging response with constant-voltage protecting

從圖7可見，蓄電池端電壓達到設定值時，充電電流會逐漸減小。這時充電電流的控制進入電壓、電流雙環調節的階段，為了維持端電壓恒定，充電電流必然要減小，但變化過程要求比較平緩。

6 結語

該控制器的各項性能指標完全達到了設計的預期要求。在后續的研究中還要繼續2方面的工作：一是設計友好方便的人機界面或者交互接口;二是反饋PI環參數和電壓、電流的采樣值和方向，用于監控控制器的工作狀態，以提高控制系統的可靠性和安全性。

［1］高金源．計算機控制系統－理論、設計與實現［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2001．

GAO Jin-yuan．Computercontrollersystem-theoryand design and implementation［M］．Beijing：Beijing Aerospace University Press，2001．

［2］賴壽宏．微型計算機控制技術［M］．北京：機械工業出版社，2003．

LAI Shou-hong．A micro-computer control technology［M］．Beijing：Mechanical Industry Press，2003．

Research on multi-constant current charging control system for batteries used in ship power station

LI Xiao-qian1，XIE Wei1，GENG Pan1，LEI Jin2
(1．Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China;2．Navy Representation Office at 719 Research Institute，Wuhan 430064，China)

This paper presents a ship multi-constant current batteries charging controller based on DSP is designed，and the specific properties of the controller are verified through experiment on the highpower DC power system platform．

DSP;Multi-constant current charging;marin battery

U664．14

A

1672－7649(2012)05－0074－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.05.017

2011－06－27

李小謙(1983－)，男，工程師，研究方向為船舶電氣及其自動化。