蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用*

孔翠波

(西山煤電集團(tuán)鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

0 引 言

礦用蓄電池機車用于將設(shè)備、材料、矸石等物料在地面與工作面之間、工作面與工作面之間進(jìn)行運輸，由鉛酸蓄電池、鋰電池作為動力源，具有污染低、節(jié)能、安全性高的優(yōu)點。礦用蓄電池機車運行效率與電池充放電時間息息相關(guān)，傳統(tǒng)電池充電時間長、智能化水平低，存在充不滿或者過充現(xiàn)象，嚴(yán)重影響蓄電池機車電池使用壽命，無法滿足礦用蓄電池機車高效率應(yīng)用需求。因此，如何科學(xué)合理的為礦用蓄電池機車電池智能充電成為亟需解決的問題[1-2]。科研人員在恒流、恒壓以及恒流/恒壓混合充電技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了階段恒流快速充電技術(shù)、脈沖式電流充電技術(shù)等，使得充電電流曲線更加平滑并接近實際應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]研究了基于三階段充電的電壓溫度自動補償技術(shù)，縮短充電時間的同時減少了充電過程的析氣。文獻(xiàn)[4]采用負(fù)脈沖放電與多階段恒流混合充電方案，提高了充電效率，提升了蓄電池的循環(huán)使用壽命。文獻(xiàn)[5]將專家控制系統(tǒng)、模糊控制理論、機器學(xué)習(xí)理論引入電池充電控制系統(tǒng)，但充電控制效果不理想。筆者以STM32 CPU為控制核心，采用變論域模糊PID控制算法對礦用蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，提升機車電池充電效率和智能化水平。

1 總體設(shè)計

礦用蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)需具備初充電、智能充電兩種控制模式；自適應(yīng)充電過程，即根據(jù)電池狀態(tài)在多個充電階段之間切換；可通過串口修改充電參數(shù)；充電電流變化需符合電池可接收曲線；保護(hù)功能完備，避免過壓、過流故障。礦用蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示，主電路為充電機本體內(nèi)部電路，供電電源為三相交流電源，由整流變壓器、晶閘管整流器、平波電抗器組成。充電控制系統(tǒng)電路核心為STM32 CPU，由電壓采樣、電流采樣、保護(hù)電路、顯示電路、存儲電路、觸發(fā)電路組成。嵌入STM32 CPU的軟件主要采用變論域模糊PID控制方案，實時調(diào)節(jié)充電電壓、充電電流大小，實現(xiàn)充放電過程的智能化。STM32 CPU根據(jù)控制方案更新充電電壓、電流后經(jīng)觸發(fā)電路輸出觸發(fā)角可在0～180°之間變化的六路脈充，并對晶閘管進(jìn)行移相觸發(fā)。STM32 CPU內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換采用12為逐次逼近型，具有功耗低、采樣速率快的特點。用戶界面即顯示屏電路，采用CAN總線方式接收STM32 CPU數(shù)據(jù)，實時顯示充電模式、充電時間、充電電壓、充電電流、充電狀態(tài)等參數(shù)。

圖1 礦用蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)總體設(shè)計

2 硬件設(shè)計

蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)硬件是實現(xiàn)電池充電的基礎(chǔ)，設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 礦用蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

STM32 CPU為主控制核心芯片，實時采集電池充電電壓、電流值，在STM32內(nèi)部將模擬量經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，監(jiān)測并判斷該充電電壓、電流是否超出充電安全閾值。STM32 CPU根據(jù)采集的充電參數(shù)采用變論域模糊PID控制算法計算電壓、電流控制數(shù)字量并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出電壓參考模擬信號，經(jīng)觸發(fā)電路芯片TD787產(chǎn)生對應(yīng)脈沖并控制晶閘管整流電流對蓄電池充電電壓進(jìn)行更新[6-7]。顯示屏用于實時顯示充電過程中的電壓、電流等參數(shù)，掌握蓄電池充電狀態(tài)；通過該顯示屏可設(shè)置充電電壓、電流參數(shù)，系統(tǒng)上電后按照該初始參數(shù)值充電。保護(hù)電路用于防止因接線反接對硬件電路造成損害，保證硬件電路安全運行。存儲模塊用于存儲充電參數(shù)值以及充電過程中電壓、電流數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)追溯和歷史查詢。通信電路用于將該充電控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)以CAN、TCP/IP或者RS485通信模式傳送至監(jiān)控平臺或者人機交互界面。STM32 CPU主控芯片以ARM Cortex-M3 32位 RISC為內(nèi)核，具備72 MHz工作頻率，工作溫度為-40～85 ℃，支持3個12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高傳輸速率位1 MHz，滿足蓄電池機車充電控制系統(tǒng)要求[8]。

3 軟件設(shè)計

根據(jù)礦用蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)總體設(shè)計、硬件設(shè)計方案，基于MDK-ARM平臺進(jìn)行軟件設(shè)計。MDK-ARM軟件開發(fā)平臺支持于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9處理器，具備完善的C/C++開發(fā)環(huán)境，還包含MDK-Professional中間庫[9-10]。礦用蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程見圖3所示，STM32 核心控制板上電并進(jìn)入主程序入口后，首先完成程序變量、函數(shù)、內(nèi)存、定時器、信號器等的初始化工作。初始化工作完成后，如果檢測到有電池且不按照設(shè)定參數(shù)重帶你，則依次判斷電池狀態(tài)，選擇充電模式并開始充電。STM32 CPU實時采集充電電壓、電流值并基于變論域模糊控制方案自動調(diào)節(jié)充電電壓、電流值，當(dāng)充電完成后停止充電過程，并在顯示屏上顯示“充電完成”。當(dāng)系統(tǒng)檢測不到電池時，在顯示屏上顯示“開路”，并再次檢測是否有電池。當(dāng)系統(tǒng)按照設(shè)定參數(shù)充電時，將設(shè)定參數(shù)保存至SD卡并開始充電。充電開始后，在顯示屏上可實時查看充電參數(shù)、充電狀態(tài)、充電故障等信息。

圖3 蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

4 試驗分析

4.1 試驗條件

為驗證設(shè)計并實現(xiàn)蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)的正確性和有效性，在實驗室進(jìn)行試驗并進(jìn)行了驗證，圖4為蓄電池用充電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖5為蓄電池組及蓄電池機車。將設(shè)計的充電控制系統(tǒng)電路控制板與充電機主電路連接，電纜需能夠承受100A大電流，采用褐色絕緣皮包裹并置于橡膠絕緣墊之上。控制板輸出信號與充電機中的晶閘管A、B、C三相相連?？刂瓢迮c顯示屏采用CAN總線通信，在兩端安裝120Ω終端電阻并保證CANH、CANL一一對應(yīng)。

圖4 蓄電池用充電機內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖5 蓄電池組及蓄電池機車

4.2 試驗過程

充電控制板與充電機主電路連接好后，利用示波器觀察充電電壓、充電電流波形，當(dāng)電壓波形觸發(fā)角為30°時，實際充電電壓有效值為198 V，充電電流有效值為6.8 A，與理論充電電壓200 V、理論充電電流6 A略有偏差，這是因為電磁、噪聲干擾問題，在允許范圍之內(nèi)。

對58節(jié)鉛酸蓄電池采用分階段充電方案，階段一為恒流充電，持續(xù)充電至可接受大電流充電電壓閾值；階段二為恒流脈沖充電，短時間內(nèi)充入較多電量并采用脈沖間歇式使得電池內(nèi)部充分反應(yīng)，防止過充；階段三為恒壓充電，使得充電電流無限逼近于馬斯曲線；階段四為浮充，將電池充電至滿電狀態(tài)。

4.3 試驗分析

蓄電池機車電池充電試驗數(shù)據(jù)如表1所列，充電過程持續(xù)495 min，滿電后蓄電池端電壓為127 V，端電流為5.2 A。階段一恒流充電電流為5 A，持續(xù)時間為15 min；階段二恒流脈沖充電電流為67 A，持續(xù)時間為3 min，當(dāng)電池端電壓大于133 V后進(jìn)入階段四，否則再次以恒流脈沖充電，持續(xù)時間為3 min；階段三恒壓充電電壓為133 V，當(dāng)電流大于8.8 A后再充電10 min進(jìn)入階段四，階段三用時約380 min；階段四浮充充電電流為10 A，用時約100 min。表1所列的充電電流曲線滿足并符合鉛酸蓄電池可接受的電流曲線，上述信息可在顯示屏上實時顯示。蓄電池機車電池充電進(jìn)行中，打開電池塑料密封蓋并查看電池內(nèi)部氣泡，發(fā)現(xiàn)只有少量氣泡析出，表明無過充故障。

表1 選電池機車電池充電數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

以礦用蓄電池機車為研究對象，重點研究了電池充電控制系統(tǒng)總體方案、軟硬件方案，基于STM32 CPU對原充電控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，采用變論域模糊PID控制方案對充電電壓、充電電流進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，基于分段充電方案對58節(jié)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電試驗。蓄電池機車電池充電控制優(yōu)化系統(tǒng)實現(xiàn)了充電參數(shù)可監(jiān)測、可設(shè)置、可自適應(yīng)控制，提升了充電過程的智能化水平。經(jīng)試驗室驗證，優(yōu)化后的充電控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠保證充電過程快速、高效、安全。