基于DSP的動(dòng)力電池充放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡 平，張林森，劉 凱，唐 勇

（1.海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；3.武漢東湖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430212）

0 引 言

隨著動(dòng)力電池容量的不斷發(fā)展，動(dòng)力電池得到了廣泛應(yīng)用，充放電需求急劇增加。因此，如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的快速充電，提高充電效率，并延長電池使用壽命，成為當(dāng)前急需解決的問題[1-4]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

每組電池?cái)?shù)量為260塊，考慮充放電的余量，設(shè)計(jì)每組充電270塊電池。由于電池充電時(shí)要保證每塊單體電池的容量，因此每臺(tái)充電臺(tái)設(shè)計(jì)充電90塊電池。這樣設(shè)計(jì)的目的是保證充電裝置電壓處在安全可靠的范圍。總體原理框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由3個(gè)充放電控制臺(tái)、3臺(tái)單元電池安裝、檢測與切換控制臺(tái)和270塊單元電池電壓的中央監(jiān)控系統(tǒng)組成。充放電控制臺(tái)采用DSP和單片機(jī)協(xié)調(diào)工作，負(fù)責(zé)90塊電池的恒定電流的充電和放電。當(dāng)某一單元電池充電或放電完切換時(shí)，控制臺(tái)具有很強(qiáng)的抗沖擊能力，仍能保持恒定電流充放電，直至充放電到最后一塊電池為止[5-6]。

圖1 系統(tǒng)總體原理框圖

單元電池安裝、檢測與切換控制臺(tái)，一臺(tái)可安裝90塊單元電池，并將90塊電池實(shí)施串聯(lián)。當(dāng)某一單元電池充滿或放電到達(dá)規(guī)定值時(shí)，能自動(dòng)或手動(dòng)切換該單元電池，其他電池仍保持串聯(lián)工作，直至切完最后一塊電池為止。該控制臺(tái)內(nèi)裝有4個(gè)C8051F040單片機(jī)和單元電池電壓信號(hào)檢測處理電路，每個(gè)單片機(jī)負(fù)責(zé)24塊單元電池電壓的檢測。

中央監(jiān)控系統(tǒng)工控機(jī)與3臺(tái)單元電池安裝、檢測與切換控制臺(tái)的12個(gè)單片機(jī)通過CAN總線通信聯(lián)系，將各單元電池電壓傳送到中央監(jiān)控系統(tǒng)。中央監(jiān)控顯示終端采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)顯示各單元電池電壓，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和智能判斷向各下位機(jī)發(fā)送控制臺(tái)命令。該系統(tǒng)一次可完成電池組270塊電池的充放電程序[7]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 電池充放電控制臺(tái)

電池充放電控制臺(tái)主要由三相整流橋、IGBT全控橋主電路、高頻變壓器、兩相整流橋、放電負(fù)載及控制箱組成。電池充放電控制臺(tái)的控制框圖如圖2所示。

圖2 充放電控制臺(tái)電路原理框圖

該系統(tǒng)主要由IGBT構(gòu)成的全控橋電路、由高速信號(hào)處理器TMS320LF2407A構(gòu)成的數(shù)字控制器及由89C52單片計(jì)算機(jī)構(gòu)成的人-機(jī)控制電路等組成。

充電時(shí)，設(shè)備從電網(wǎng)上接入三相交流電。整流橋?qū)⑷嘟涣麟娮優(yōu)橹绷麟?，直流電?jīng)過單相全橋逆變電路在DSP數(shù)字控制器控制下變?yōu)楦哳l交流電，高頻交流電經(jīng)過高頻變壓器隔離和整流后輸出給蓄電池充電。DSP實(shí)時(shí)采樣電池充電電流，對(duì)電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)充電電流恒定。充電參數(shù)設(shè)定由89C52單片計(jì)算機(jī)來完成，單片機(jī)89C52與高速處理器TMS320LF2407A通過串口實(shí)現(xiàn)通信。

蓄電池放電時(shí)，設(shè)備接入蓄電池直流電源，全橋電路在DSP數(shù)字控制器控制下將蓄電池直流電變?yōu)楦哳l交流電，高頻交流電經(jīng)過高頻變壓器隔離和整流后變?yōu)橹绷麟娤蚩烧{(diào)負(fù)載放電。隨著放電時(shí)電池電壓的降低，電池充放電控制臺(tái)可實(shí)現(xiàn)負(fù)載的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以滿足電池以20 A的恒定電流放電要求，直至最后一塊電池放電完成。

2.1.2 單元電池安裝、檢測與切換控制臺(tái)

單元電池安裝、檢測與切換控制臺(tái)主要由安裝90塊電池的臺(tái)架、90個(gè)實(shí)行電池串聯(lián)和切換的控制繼電器、單體電池電壓檢測與切換控制控制系統(tǒng)、單片計(jì)算機(jī)及其接口電路、信號(hào)調(diào)理電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路和通信電路等構(gòu)成。它主要完成對(duì)電池電壓的實(shí)時(shí)檢測和切換控制，在某個(gè)電池達(dá)到充放電電壓指標(biāo)時(shí)，可以通過撥動(dòng)檢測臺(tái)上相應(yīng)的開關(guān)，將該電池切換出去，以防止單個(gè)電池過充或過放電。

單片計(jì)算機(jī)及其接口電路采用高性能的C8051F040單片機(jī)。對(duì)蓄電池組中每個(gè)單體的端電壓進(jìn)行測量，要考慮蓄電池之間都有電位的聯(lián)系。采用一種差動(dòng)輸入和模擬開關(guān)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和分時(shí)控制，每組模擬開關(guān)均采用單獨(dú)的電源供電，并將模擬信號(hào)進(jìn)行光電隔離。每個(gè)控制臺(tái)有4個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，整套系統(tǒng)共計(jì)12個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。每個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)作為下位機(jī)，負(fù)責(zé)采集24塊電池充放電電壓的監(jiān)測與控制。每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)都被設(shè)計(jì)為一個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間通過雙絞線的介質(zhì)連成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)相連。

2.1.3 270塊單元電池電壓的中央監(jiān)控系統(tǒng)

中央監(jiān)控系統(tǒng)采用工控機(jī)進(jìn)行270塊單元電池電壓的數(shù)據(jù)處理、參數(shù)設(shè)定和各單元電池電壓的虛擬現(xiàn)實(shí)。系統(tǒng)采用CAN總線方式，與檢測控制臺(tái)的12個(gè)單元片機(jī)進(jìn)行聯(lián)系。由于CAN總線方式的數(shù)據(jù)交互有更快的響應(yīng)速度，適配器能具有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力，適于270塊電池的處理。CAN總線方式設(shè)計(jì)總體上分為CAN總線適配器和PC端協(xié)議分析軟件兩部分。

2.1.4 單體電池檢測切換臺(tái)主電路的設(shè)計(jì)

檢測臺(tái)主電路的設(shè)計(jì)要滿足90塊電池的串聯(lián)安裝，在每塊單體電池切換時(shí)仍構(gòu)成一個(gè)充電的閉合回路。當(dāng)單體電池充電達(dá)到要求時(shí)，需能可靠切換，并具備沖擊小、響應(yīng)快的特點(diǎn)。充放電時(shí)，用指示燈指示電池狀態(tài)。主電路中的每個(gè)繼電器控制一塊電池，通過面板的開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)充放電單體電池的切換。充電時(shí)，繼電器常閉點(diǎn)吸合，充電指示燈亮。當(dāng)電池達(dá)到充電電壓時(shí)，撥動(dòng)開關(guān)，繼電器工作，常開點(diǎn)接通，電池被切斷，指示燈熄滅。繼電器選擇最大電流為80 A，以滿足電池在20 A電流充電時(shí)切換沖擊的影響。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程

硬件和軟件初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、事件管理器設(shè)置、采樣設(shè)置、通信設(shè)置以及各種變量的初始化。

通信采用LF2407片內(nèi)集成的串口資源，其中設(shè)定通信速率4 800 kb/s，通信格式數(shù)據(jù)8位（1個(gè)停止位，奇校驗(yàn)）。為提高數(shù)據(jù)通信的可靠性，設(shè)定電流采用“0xF1+電流低8位+電流高8位”的數(shù)據(jù)格式，終止電壓采用“0xF2+電壓低8位+電壓高8位”的數(shù)據(jù)格式，運(yùn)行采用“0xF3+00”的數(shù)據(jù)格式，停止采用“0xF3+01”的數(shù)據(jù)格式。

通信采用查詢方式，充、放電通信程序流程如圖4所示。

PWM中斷程序是整個(gè)控制軟件的核心。PWM中斷利用DSP的事件管理器中的T1下溢中斷，定時(shí)器設(shè)置成連續(xù)增減模式，采用單比較模式，定時(shí)周期0.1 ms，即開關(guān)頻率為10 kHz。

3 結(jié) 論

本文采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)和CAN總線技術(shù)，設(shè)計(jì)了以DSP為控制核心的高頻充放電控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)了與供電電網(wǎng)的隔離，提高了充放電的安全可靠性和抗干擾能力；采用獨(dú)立的單體電池電壓檢測電路，保證了整個(gè)電池組充電電壓的準(zhǔn)確；采用自動(dòng)可調(diào)電阻放電模式，實(shí)現(xiàn)了電池組在極低電壓下的徹底放電。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，大大提高了電池充電效率和使用壽命。

圖4 充電通信程序流程圖