高精密鉛酸蓄電池充放電管理系統(tǒng)的研究

魏麗君，章若冰

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412001；2.中南大學(xué)自動化學(xué)院，湖南長沙 410001)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，電力系統(tǒng)、通訊和軌道交通智能裝備領(lǐng)域整流電路類電源逐漸不能滿足工作的需求，晶閘管體積大、效率低、存在較大諧波污染，而IGBT模塊雖然具有輸入阻抗大、驅(qū)動功率小，通斷速度快等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，但是存在過壓、過熱、抗沖擊、抗干擾等承受力較低的問題，并且保護(hù)電路復(fù)雜、價(jià)格昂貴。近年來，可充放電蓄電池裝置得到了廣泛的應(yīng)用，特別是鉛酸蓄電池可靠性高、價(jià)格低、控制電路易實(shí)現(xiàn)而得到了廣大用戶的青睞[5-8]，但現(xiàn)有鉛酸蓄電池的充放電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在不合理性，依然存在續(xù)航時(shí)間短、功率因數(shù)低、高次諧波污染大等問題，當(dāng)前主要的研究方法是采用弱磁控制算法對充放電系統(tǒng)進(jìn)行管理[9-11]，但依然存在較大改進(jìn)的空間，成為鉛酸蓄電池應(yīng)用中亟待解決的難題。

本文從鉛酸蓄電池電池管理系統(tǒng)存在的問題出發(fā)，基于電流解耦控制算法[12-15]，通過蓄電池充放電裝置主電路設(shè)計(jì)、檢測電路設(shè)計(jì)、控制電路的設(shè)計(jì)等，完成一款智能鉛酸蓄電池充放電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對其網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、輸出電壓紋波、輸出電壓穩(wěn)定精度、輸入電流總諧波畸變等性能參數(shù)進(jìn)行測試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性和正確性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示?？刂坪诵牟捎肧TM32單片機(jī)，根據(jù)功率回路電流、電壓反饋情況，進(jìn)行電流和電壓調(diào)節(jié)，溫度采樣模塊進(jìn)行溫度采集并進(jìn)行溫度補(bǔ)償，系統(tǒng)將根據(jù)溫度補(bǔ)償后的電壓與電流給定，控制智能充放電系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖1 硬件設(shè)計(jì)整體框圖

電源控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，需要根據(jù)電壓、電流的反饋情況調(diào)節(jié)后進(jìn)行相應(yīng)的檢測與控制處理，處理過程主要采用電流解耦控制算法，此外溫度采集電路的準(zhǔn)確度也對系統(tǒng)的運(yùn)行起到了關(guān)鍵作用。如檢測到異常信號，系統(tǒng)還具有報(bào)警顯示等功能。

2 蓄電池主電路設(shè)計(jì)

大量電力電子設(shè)備在應(yīng)用過程中給電網(wǎng)造成了諧波污染，功率因數(shù)低，為消除電網(wǎng)的諧波污染，提高功率因數(shù)，采用具有雙向流動的三相全橋PWM整流器設(shè)計(jì)蓄電池主電路，有效降低了諧波污染，其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。該電路主要完成計(jì)算并選擇變壓器的參數(shù)、計(jì)算交流側(cè)電感參數(shù)、計(jì)算直流側(cè)電容參數(shù)工作。

圖2 主電路結(jié)構(gòu)模型圖

3 蓄電池檢測電路設(shè)計(jì)

3.1 交流電壓檢測電路設(shè)計(jì)

交流電壓檢測電路硬件原理圖如圖3所示。

圖3 交流電壓檢測電路硬件原理圖

設(shè)R3+W2=R5，根據(jù)“虛短”可得：

(1)

式中：U0為輸出電壓；Vi′根據(jù)設(shè)計(jì)需要由AD736調(diào)出；R4、R5已知，因此可直接求出U0。

3.2 直流電壓、電流檢測電路設(shè)計(jì)

直流電壓、電流檢測電路原理圖如圖4所示。

圖4 直流電壓、電流檢測電路原理圖

輸入電壓：U=U0+=U0-，經(jīng)衰減變?yōu)閁i：

(2)

因?yàn)檫\(yùn)放不吸收電流，所以U3=Ui。根據(jù)運(yùn)放的虛地原理，有同相端電壓U3與異相端電壓U2相等，所以：

(3)

從圖4分析：

(4)

因?yàn)锳/D的輸入阻抗很高，所以光耦(U16B)輸出電壓U4為

U4=I2·Rw5=I1·Rw5

(5)

式中Rw5為光耦(U16B)輸出端的滑動變阻器電阻。

4 蓄電池控制電路設(shè)計(jì)

蓄電池控制電路原理圖如圖5所示。隔離驅(qū)動和比較單元共6路。鉛酸蓄電池充放電裝置控制系統(tǒng)采用STM32硬件控制平臺，主要完成輸出電壓、電流信號的檢測、采樣和計(jì)算以及對恒流充電的控制等?？刂撇糠中铏z測5個(gè)信號，A相、B相電流ia與ib，交流輸入電壓峰值E，同步信號syn及直流側(cè)輸出電流Idc。

圖5 鉛酸蓄電池充放電裝置控制系統(tǒng)圖

為了將復(fù)雜的分析過程簡化，將兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)作為變流器的數(shù)學(xué)模型，變流器交流側(cè)變量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髁?，再對三相靜止坐標(biāo)系(a，b，c)的系統(tǒng)特性進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。兩坐標(biāo)系間矢量分解關(guān)系如圖6所示。

圖6 矢量分解圖

電路在坐標(biāo)系(d,q)的模型可用如下表達(dá)式進(jìn)行描述：

(6)

式中：L、R、w分別為坐標(biāo)量；ed、eq，vd、vq，id、iq分別為交流側(cè)矢量Edq、Vdq、Idq的d、q分量；p為微分算子；vdc、idc分別為2個(gè)方向分量的積。

由圖6可知，兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中q軸與Edq重合，所以ed=0。

由于變流器d、q軸變量存在相互耦合情況，因此在設(shè)計(jì)過程中需要采用解耦控制策略，可簡化設(shè)計(jì)，并采用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，此時(shí)vd、vq可以得到的控制方程如式(7)所示。

(7)

將式(7)代入式(6)，化簡后可以得到：

式(7)、式(8)表明系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)(id，iq)實(shí)現(xiàn)解耦控制，如圖7所示。

圖7 三相變流器電流內(nèi)環(huán)解耦控制結(jié)構(gòu)圖

考慮到2個(gè)內(nèi)部電流環(huán)路的對稱性，所以僅以iq控制為例，探討如何設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，圖8為iq電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖8 電流外環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖8中T3s為電流內(nèi)環(huán)耦合值，Kpwm為電流內(nèi)環(huán)脈寬調(diào)制增益，電壓型變流器直流側(cè)電流vdc是通過電壓外環(huán)控制來穩(wěn)定的。令三相電網(wǎng)基波電動勢為

(9)

式中Em為有效值。

如果只是從開關(guān)函數(shù)sk(k=a，b，c)的低頻分量的角度來考慮，則：

(10)

式中：θ為開關(guān)函數(shù)基波初始相位；m為PWM調(diào)制比。

采用單位功率因數(shù)正弦波電流控制策略，其三相變流器網(wǎng)側(cè)電流可由式(11)表示。

(11)

式中Im為PWM調(diào)制比下的電流。

此外，三相變流器直流側(cè)電流idc可由開關(guān)函數(shù)描述如下：

idc=saia+sbib+scic

經(jīng)過計(jì)算可得：

idc=0.75mImcosθ

綜上所述，三相變流器直流電流外環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 三相變流器電流外環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

圖9中，Kv、Tv為電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)參數(shù)，Wci(s)為電流內(nèi)環(huán)等效傳遞函數(shù)，τv為時(shí)間常數(shù)。

5 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行，具體的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖10和圖11所示。

圖10 主函數(shù)流程圖 圖11 WFG中斷流程圖

主函數(shù)主要通過定時(shí)器中斷采集三相電流和支流側(cè)電壓。三相電流通過坐標(biāo)變換和逆變換后與支流側(cè)電壓通過PI控制算法后的值采用電壓空間矢量算法進(jìn)行處理。

6 實(shí)驗(yàn)測試

經(jīng)過設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室對裝置進(jìn)行了充電工況輸出側(cè)波形質(zhì)量數(shù)據(jù)測試，本裝置的電氣特性參數(shù)如下：蓄電池網(wǎng)側(cè)額定電壓DC120V，網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)達(dá)到了0.997，輸出電壓紋波僅為0.73%，可計(jì)算得出輸出電壓穩(wěn)定精度達(dá)到了0.09%，輸出電流總諧波畸變?yōu)?.2%，小于5%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。具體測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 充電工況輸出側(cè)波形質(zhì)量數(shù)據(jù)分析

7 結(jié)論

本文在分析現(xiàn)有鉛酸蓄電池充放電管理系統(tǒng)存在的問題基礎(chǔ)上，基于電流解耦控制算法，完成了蓄電池充放電裝置主電路設(shè)計(jì)、檢測電路和控制電路的設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了參數(shù)測試，實(shí)驗(yàn)表明該裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.997，輸出電壓紋波僅為0.73%，穩(wěn)定精度高，輸出電流總諧波畸變?yōu)?.2%，實(shí)驗(yàn)表明該裝置精度高，穩(wěn)定性好，試制可行。