大功率智能充電機的設計

羅冰洋，徐文靜，劉思寧，莫易敏

(1.武漢理工大學自動化學院，湖北武漢 430070;2.武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070)

蓄電池作為一種充電裝置，具有電壓穩(wěn)定、充電可靠、攜帶便捷等優(yōu)勢［1］。目前，隨著低碳經(jīng)濟的興起，電動機車發(fā)展迅猛，由于鉛蓄電池具有比其他電池更成熟可靠、更安全、更長壽命的特點，而被廣泛應用于電動車輛充電設備中［2］。

蓄電池的充放電技術與其應用有著密切聯(lián)系，如今過充或者欠充的現(xiàn)象非常普遍，為了提高蓄電池的壽命及充電效率，需要一個最優(yōu)的充電過程控制。該研究基于恒流恒壓充電技術，結合PLC的強大功能來達到智能控制的目的。

1 蓄電池充電方式

1.1 恒流充電(CC)

恒流充電即充電全程電流恒定，當蓄電池基本充滿以后還能以很小的電流對蓄電池繼續(xù)充電，使極板內部較多的活性物質參加化學反應［3］。

1.2 恒壓充電(CV)

恒壓充電即充電過程中充電電壓保持不變，充電電流隨著蓄電池端電動勢的升高而逐漸減小。在充電初期，由于蓄電池電動勢較低，充電電流較大，因而充電快速。在恒壓充電過程中，電流無法自動調節(jié)，也沒有去極化措施，在充電后期，充電電流較小，極板深處的活性物質不能恢復，因此可能導致蓄電池的欠充現(xiàn)象［4］。

1.3 恒流恒壓充電(CC-CV)

圖1 蓄電池固有充電曲線

圖1為蓄電池的固有充電曲線，實際的充電曲線能與之吻合，能保證蓄電池充滿而不過充，對蓄電池本身也是一種維護，可提高電池的壽命和使用次數(shù)［5］。為此，該設計采用恒流恒壓兩階段充電模式。

當接收到充電命令后，控制信號電壓快速上升，充電電壓上升，直到充電電流I達到設定值，停止升壓，并暫時保持電壓不變;當I與設定電流出現(xiàn)偏差時，通過改變控制信號電壓V，改變充電電流，使充電電流基本恒定，此時，充電機工作在恒流充電狀態(tài)。

當蓄電池充電電壓達到設定值，即電壓上升至115 V時，保持蓄電池充電電壓不變，轉入恒壓充電狀態(tài)。此時，充電電流慢慢下降，當充電電流達到設定電流值時，充電完成，控制電壓快速回零。

根據(jù)該種模式，在充電前期采用恒流充電方法，可限制蓄電池充電的最大電流;在充電后期采用定電壓補足充電法，即恒壓充電，可有效避免過充和欠充現(xiàn)象，延長電池使用壽命，使機車電池的維護管理工作更加科學化和智能化［6］。

2 充電機硬件總設計

該設計電源實驗裝置的主要技術指標:輸入電壓為交流380 V，10 kVA，輸出電壓調節(jié)范圍為0～150 V(DC)，輸出電流調節(jié)范圍為0～100 A(DC)，環(huán)境溫度要求為-20℃ ～+45℃。

充電機功能要求:該系統(tǒng)需要將所有設備都集成在柜體內部，具有噪聲低、搬運方便等特點，用HMI人機界面進行控制，為用戶提供良好、直觀的操作界面，使充電工作變得輕松和簡單［7］。在充電過程中顯示充電電壓、充電電流、充電時間等，并顯示充電曲線，方便用戶觀察蓄電池充電特性。該機只需要對電池類型(電力機車用、內燃機車用)進行簡單選擇，按下充電按鈕，系統(tǒng)便可自行完成充電全過程，可自動判斷是否充滿電，充滿電后自動停止充電，同時具有故障自檢測功能，對電流、電壓的輸入和過載情況中出現(xiàn)的故障可以及時反應。

充電機硬件設計總框圖如圖2所示。

圖2 充電機硬件設計總框圖

在圖2中，控制器是整個充電機的核心，在該設計中，選擇了松下FPO系列的PLC控制器［8］，除了接收傳感單元輸送的電壓、電流信號外，通過FPO的梯形圖編程軟件對整個充電機的恒流恒壓充電進行智能控制，以達到設備的功能要求。

HMI人機交互界面是PLC控制器的上位機，對智能控制的狀態(tài)進行顯示，實際應用中，可以通過觸摸操作對充電機進行參數(shù)設定及電壓電流數(shù)據(jù)的存儲打印等。

繼電器模塊與PLC合作，控制整個電路的通斷及導通動作，其中還包含風扇及顯示燈等附屬裝置。

3 電源主電路設計

圖3 主電路原理圖

主電路原理圖如圖3所示。主電路由繼電器、整流變頻單元及傳感電路組成，輸入380 V的交流電壓。其中，整流單元包括變壓器，對直接輸入進來的高壓起著緩沖和隔離的作用［9］，然后進入整流電路，由匹配的觸發(fā)板對其進行觸發(fā);輸出的電壓和電流各自由傳感模塊向外輸出。

4 充電機控制電路設計

充電機的PLC控制器選用松下FPO系列，控制部分電路設計如圖4所示。

圖4 控制部分電路原理圖

電壓、電流信號經(jīng)過檢測設備將信號輸入PLC控制器，當充電的控制信號下達后，系統(tǒng)初始化，Y1輸出，繼電器J1閉合，各項工作有序開始，與PLC連接的外部設備如風扇、顯示燈及報警器等都會適時地給出反應。當充電完成時，繼電器會自動斷開，恒流恒壓充電方法的智能實現(xiàn)由PLC內置的編程語言進行控制，在智能充電的整個過程中，由HMI觸摸屏與PLC相連，實時地顯示及操作。

5 充電機軟件設計

該智能充電機的軟件控制需要滿足的要求為:點擊充電按鈕，開始充電，充電指示燈亮。在程序中，采用PID控制［10］，設定閾值為115 V，當電壓值小于115 V時，保持恒定的電流，電壓值不斷上升，此時便為恒流充電狀態(tài);當電壓值達到115 V時，根據(jù)PID程序判斷，進入恒壓充電程序，進而執(zhí)行恒壓充電模式;當檢測到電流小于設定值即恒流電流的1/4后則充電停止，即認為充電完成。充電完成后紅燈閃爍，點擊“完成”按鍵，則紅燈停止閃爍。

根據(jù)以上的要求，采用FPO系列PLC編寫梯形圖語言來實現(xiàn)軟件控制［11］。其主要思想是:利用PID程序判斷閾值，控制充電模式的轉換，同時通過連接繼電器實現(xiàn)各個充電柜顯示、報警、通斷等功能。程序流程圖設計如圖5所示。

6 結論

筆者對恒流恒壓的充電方法進行了分析，利用PLC的智能控制設計出供大功率機車充電的設備，從而避免欠充、過充等現(xiàn)象。同時，使用HMI人機交換界面顯示，操作方便、直觀。系統(tǒng)試運行性能穩(wěn)定，情況良好，達到了預期的目的。

但是該充電機依賴于PLC內部程序控制，調試人員必須現(xiàn)場通過對PLC程序的修改來解決各項具體問題，以達到個性化使用該充電機的目的。

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