矿用铅酸蓄电池高频智能快充充电器控制系统研究

邓永红，李圆红，陈海宇，张全柱

(华北科技学院 信息与控制技术研究所，北京 东燕郊 065201)

矿用铅酸蓄电池高频智能快充充电器控制系统研究

邓永红，李圆红，陈海宇，张全柱

(华北科技学院 信息与控制技术研究所，北京 东燕郊 065201)

针对矿用铅酸蓄电池充电器，研究了一款高频智能快充充电器的控制系统，由多环节功率变换单元组成，能量双向流动。在分析其工作原理的基础上，基于DSP给出了系统的硬件电路、软件实现方案及电路结构，采用移相PWM控制算法，实现了变电流智能快速充电放电方法。实验表明了该充电器控制系统设计的可行性和正确性，可自动匹配最佳充电放电曲线，实现了快速充电放电，性能指标优越，可以在行业内推广应用。

PWM控制单元；铅酸蓄电池组；高频智能快充充电器；变电流快速充放电

0 引言

充电器装置是与铅酸蓄电池组配套使用的重要电气装备，其性能好坏直接影响到铅酸蓄电池的运行效率、充电速度、使用寿命及运行的可靠性[1-3]。目前使用的充电器以晶闸管相控充电器为主，充电时间长，充电电流脉动大，充电模式粗犷，易充坏蓄电池组，智能化程度低，不能实现安全环保快速充电，操作复杂[4-10]。智能充电器也有在用，但其充电时间还可以缩短[11-12]。上述两种充电器都不能给蓄电池快速充放电，不能自适应两种输入电源(AC380V/AC660V)完全不能实现放电功能，也难以实现给所有规格蓄电池组充电[1-4]。制约矿用充电器快速充放电的关键技术是其控制系统，依据矿山充电器的实际要求和快速充电的需要，研究能量双向流动快速充电放电的充电器控制系统，有重要的意义及广阔的市场前景。

1 系统组成及硬件电路设计

1.1 系统组成及工作原理

依据矿山充电器的实际应用需要和快充理论[11-12]，提出的快速充电器拓扑电路结构如图1所示，主要由6个部分组成，PWM整流单元，双向DC/DC变流器，双向H桥变流器1(快速整流模块1)，高频变压器，快速整流模块2(双向H桥变流器2)以及控制系统1和2等。其中高频变压器的变比设定为1∶1。

当系统处于充电运行工况时，三相交流输入电源，通过PWM整流器的整流工况运行，输出稳定的直流电压DC650/1100V，提供给双向DC/DC变流器输出稳定的直流电压最高为DC600V，最低约为DC170V，双向DC/DC变流器、双向H桥变流器1(快速整理模块1)、高频变压器、快速整流模块2(双向H桥变流器2)协调运行给各种规格的蓄电池组快速充电，反之充电器可以快速给铅酸蓄电池组放电，经过双向DC/DC变流器输出稳定的直流电压DC670V/DC1150V给PWM整流单元，回馈电网。完成能量的双向流动，实现铅酸蓄电池组的快速充放电，安全节能环保。

PWM整流单元[13-15]，在充电时工作在整流工况，可输出稳定的直流电压，能够适应波动范围较大的输入电源；在放电时工作在逆变工况，将蓄电池组的能量快速回馈电网，无需外加放电电阻单元，提高了充电器的充电器速度[11-12]、控制性能、隔爆性能、可靠性，使输入电流正弦化，提高了系统单位功率因数。

1.2 硬件电路设计

设计的充电器控制系统框图如图2所示，主要由两个控制系统组成，控制系统1控制PWM整流器单元，控制系统2控制双向DC/DC变流器、双向H桥变流器1和2。两控制系统以CAN总线通讯交换数据，两个控制系统都分别由4个部分组成：(1)由TMS320F28035单片机、外部端子数字量输入信号等组成的DSP数字系统，它能完成各种数字计算、外部端子控制、充电器的起停控制、运行等功能；(2)模拟量接口电路，控制系统1由网测电压、电流和中间直流电压检测与调理，温度检测与调理等组成；控制系统2由中间直流电压和充电电压、充电电流检测与调理，温度检测与调理等组成。电压、电流检测电路主要是将强电信号转换为弱电信号，供DSP进行数字采样；(3)IGBT驱动电路[15]，将DSP系统发出的PWM信号、移相PWM信号等转化为可驱动IGBT的脉冲信号，同时当IGBT发生短路或过流故障时，向DSP系统反馈故障信；(4)CAN通信电路，上位PC机显示及操作电路，可以通过键盘设定各种给定指令和参数，如实现充电器的起动与停止，设定充电电流值、选择充电曲线等；可以显示充电器的各种状态，并记录蓄电池组信息和历史运行故障等。

1.2.1 电流检测电路

电流检测分为网测电流检测(i1,i2,i3)、中间直流电流IDC1、中间直流电流IDC2、充电电流IDC。电流的检测对于充电器控制系统十分重要，网测电流检测的值将作为PWM单元同步PI解耦电流控制时的指令电流；IDC1、和IDC2的值将作为双向DC/DC变流器和双向H桥变流器2的电流限定保护值；充电电流IDC的值将作为充电器变电流快速充电时移相PWM控制的指令电流，检测的可靠性与精度是首要考虑的指标，这里选用传感器检测方案。按设计功率考虑，充电器电流最大不超过120 A，考虑到一些裕量，选用的电流传感器为LEM公司的LA100-P.SP50交流电流传感器，该传感器初次级绝缘，分辨率1000∶1，测量范围120 A，用于精密测量直流、交流和脉冲电流。其额定输出电流有效值为50 mA，电源电压±15 V。系统中电流调理电路基本一致，如图3 所示，左侧为传感器，需要检测的线路传感器2脚接入，1脚输出。电流检测值输出经过磁珠(抑制高频干扰与尖峰)后流过采样电阻R1，使电流信号变为电压信号，然后经过差分电路运放调理，使输出电压在0～3.3 V之间，最后经过DAN217箝位保护后输入DSP的AD口。当测量不同的电流时，调整图中采样电阻R1的值和运放的差分比例关系，就实现不同位置电流值的测量。图中的R2电阻为交流电流输入时的加法电路，其目的是将交流电流的负输入变成正输入，而测量直流电流时，则不焊接。

图2 控制系统框图

图3 充电器电流检测电路

1.2.2 电压检测电路

电压检测电路分为网测电压(ua,ub,uc)，中间直流电压UDC1、中间直流电压UDC2、充电电压。电压的检测对于充电器控制系统也是非常关键，网测电压值作为PWM单元同步PI解耦电流控制的指令，实现解耦算法；中间直流电压UDC1作为同步PI解耦电流控制的外环控制反馈指令，实现PWM整流单元输出稳定的直流电压，在能量回馈电网时作为双向DC/DC变流器的PI调节电压指令；中间直流电压UDC2在充电时作为双向DC/DC变流器1的PI调节电压指令，在能量回馈电网时作为双向H桥变流器2的PI调节器电压指令；充电电压作为充电时的恒压充电指令。根据检测的精度和不同电压等级要求，故选择电压传感器的型号为HNV025，该型号传感器初级与次级绝缘，可用于测量直流、交流和脉冲电压，额定输入电流±10 mA，输出电流±25 mA，电源电压为±15 V。所有的电压检测电路是一致的，如图4 所示给出了电压的检测电路图。检测电压经过传感器输入侧限流电阻R1和R2输入，经过磁珠M1和采样电阻R3后变为电压信号，再经过差分电路运放调理，使输出电压在0～3.3 V之间，最后经过DAN217箝位保护后输入DSP的AD口。

当测量不同的电压时，调整图4中输入限流电阻R1、R2和采样电阻R3的值以及运放的差分比例关系，就实现不同位置电压值的测量。图中的R4电阻为交流电压输入时的加法电路，其目的是将交流电压的负输入变成正输入，而测量直流电流时，则不焊接。

图4 充电器电压检测电路

图5 充电器温度检测电路

1.2.3 温度检测电路

高频快速充电器控制系统的功率器件安装在密闭的隔爆壳里面，一般采用强迫风冷，依靠安装在散热器系统外壁上的散热风机来加强散热效果，但隔爆壳里面的高频变压器、电感都是采取自然冷却的散热方式，加之井下环境使得散热风机功率不能过大，充电器工作的时候温度会急剧升高，长期使用，冷却效果会出现不理想的情况，会使温度过高，从而损坏充电器，所以对其充电器各个发热部分温度的检测非常重要。温度检测采用PT100温度传感器来完成[15]，如图5所示，PT100与系统散热器表面以及各个发热器件充分接触，发热部分温度发生变化时，PT100的阻值也随之变化，利用图5所示的电路可以测得阻值的变化，从而测出系统的温度。图5中TL431构成稳压电路，提供精准+5 V电压，运算放大器TL082和电阻组成一个200 mA恒流源电路，利用恒流源将PT100的阻值转换为电压信号，再利用AD620调理信号后，再将信号送入DSP的AD口进行转换。整个温度检测电路将实时反馈充电器各个发热部分的温度情况，利用DSP可以实现实时监测与温度保护。

图6 CAN通讯电路

1.2.4 CAN通讯电路

图6所示为CAN通讯电路，采用隔离CAN口，作为两个控制系统进行交换数据，进行数据显示设置等。图6(a)所示为隔离的供电模块电路，将5 V电压转换成隔离的5V电电源，提供给CAN隔离光耦和收发器，增加了CAN总线稳定和抗干扰能力。图6(b)所示为CAN光电隔离电路，我们采用高速光耦6N137，CPU发送的信号CANTXD，接收信号CANRXA，经过光耦隔离后，提高抗干扰能力，使信号传输更加及时、稳定、可靠。图6(c)所示为CAN差分接收电路，采用PCA82C50芯片，可以对CAN总线提供差动发送能力和接收能力，将接收的CPU总线信号变成稳定的差分信号，在经过后续的滤波电路，进一步提高了信号的稳定性和抗干扰能力，同时使CAN工作在高速模式，提高CAN的工作效率。

2 控制算法分析

铅酸蓄电池高频智能快充充电器控制系统采用的是变电流快速充电放电方法，如图7(a)所示，即为充电器采用的最佳充电曲线[11,12]，结合蓄电池的快速充电理来设定充电电流，根据检测的蓄电池组当前电压，以及充电电压变化率，实现变电流快速充电放电。当充电器充电和放电时，对PWM整流器单元采用同步PI解耦电流控制算法[13-15]。对双向DC/DC变流器采取恒压限流，电压PI控制算法。对于双向H桥变流器1在充电时，采取变电流快速充电放电方法，恒流限压，基于电流PI的移相PWM控制算法[1-4][16]；放电时，对于双向H桥变流器2，采取恒压限流，基于电压PI的移相PWM控制算法[16]。当UDC1高于DC670(1150)V时，蓄电池能量自动回馈电网。图7(b)为双向H桥变流器控制算法框图，充电时Ug和Ig为给定或者DSP计算出来的电流和限定电压值，检测充电电压、电流值，通过电流PI控制器，计算出移相PWM控制的移相角，实现变电流智能化快速充电；放电时，H桥变流器2的移相角设定为0度，输出最高电压，快速释放蓄电池中的能量或者虚压，结合双向DC/DC变流器输出UDC1高于DC670(1150)V，快速回馈电网，实现快速放电，从而实现变电流快速充电放电方法。

图8 充电器软件流程图

3 软件设计

控制系统软件程序主要由主程序、AD定时器中断服务程序、捕获中断服务程序、CAN通信中断程序、移相PWM控制中断程序等组成。软件流程图如图8所示。

主程序主要完成初始化变量和数据设置，特殊功能寄存器和外部事件管理寄存器的初始化设置，各种中断设置，开中断等功能，以及完成外部端子的信号采样，管理充电器的起停、CPU的复位信号，输出故障信号等。故障信息发给键盘显示，同时接收键盘的设置命令。捕获中断服务程序，主要完成电网相位、相序和频率的采样计算。移相PWM控制中断服务程序，主要完成周期寄存器和占空比的更新，占空比的计算以及移相角的生成输出等。

AD定时器中断主要完成以下工作：(1)充电器电流、电压， IGBT温度采样计算。(2)完成死区补偿、PWM周期寄存器的值以及过载过流计算等。(3)完成变电流智能化快速充电放电控制算法的计算。

CAN中断服务程序，主要完成两控制系统的数据交换，各种设定显示值等。

4 实验

上述高频智能快充充电器进行了实验，系统主要参数为：充电器额定功率55 kW，输入电压AC380V，铅酸蓄电池组额定电压DC192V，充电电流DC75A。图9(a)(b)是运行时测得的CAN总线数据帧。图9(a)为CAN总线数据一帧的数据波形，由10个字节组成。图9(b)为控制系统CAN总线数据帧发送接收，每隔120ms传送一帧数据。图10(a)(b)为充电器控制系统移相PWM控制算法的两路波形，另外两路完全互补。(a)为移相角为0°时的波形，(b)为移相角为180°时的波形。从图10(a)(b)中可以看出，移相PWM波形载波频率为20.5k,存在死区时间，故实际占空比为47.5%。当移相角从0°到180°移动时，结合PWM整流器，充电时，实现快速充电，放电时，实现瞬间放电。图10(C)为充电器充电时，高频变压器的输出波形，输出稳定。经过实际的安装调试和运行试验，该高频智能快速充电器快速充电等方面的设计都能满足实际运用的要求。

图9 CAN总线波形

图10 充电器工作时波形

5 结论

针对矿用铅酸蓄电池组高频智能快速充电器，以及不断要求的快充电需求，提出了一种高频智能快充充电器，成功运行实现。研究了其电路结构、硬件电路、软件算法，开发了基于DSP的控制系统以及变电流快速充电放电控制算法。设计的控制系统电路简洁，模块化强，参数设置灵活，动态性能好，能量双向流动、安全环保充电且充电速度快，能够适应波动范围较大的输入电源，能给所有规格的蓄电池组充电，具有较好的工程实用及应用推广价值。

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Researchonthecontrolsystemoffastintelligenthighfrequencychargerforminelead-acidbattery

DENG Yong-hong, LI Yuan-hong, CHEN Hai-yu, ZHANG Quan-zhu

(InstituteofInformationandControlTechnology,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

For intelligent lead-acid batteries charger, this paper studies the control system of high-frequency smart fast charger consisting of a multi link power conversion unit with bidirectional energy flow. Based on the analysis of its working principle, the hardware circuit, software implementation scheme and circuit structure of the system are given based on DSP, and phase-shifting PWM control algorithm is adopted to realize the variable current intelligent fast charging and discharging method. The experiment shows the feasibility and correctness of the design of the charger control system, and shows that the charger can automatically match the best charging curve and realize fast charging and discharging. The performance index is superior, and it can be popularized and applied in the industry.

PWM control unit; lead-acid batteries; high-frequency smart fast charger; variable current rapid charge and discharge

2017-09-25

中国煤炭工业协会项目(MTKJ2017-308)，中央高校基本科研业务费资助(3142013101, 3142016022)

邓永红(1975-)，男，湖南涟源人，硕士，华北科技学院信息与控制技术研究所副教授，研究方向：电力电子与电传动。E-mail:dyhsyjdyx@163.com

TM912.1

A

1672-7169(2017)05-0046-09