蓄電池大功率恒流放電系統設計

王會鋒，王文理，張 琦，韓曉霞

(河北大學 電子信息工程學院,河北 保定071000)

蓄電池在軍事、鐵路、通信、電力等各行各業都得到了廣泛的應用，逐漸成為日常生活中非常重要的備用電源[1-2]。在蓄電池的生產和使用過程中，性能檢測是一項必不可少的工作。對其進行恒流放電是研究蓄電池性能最為直接、有效的一種方法。目前對蓄電池進行放電的方法有：采用固定電阻、可變電阻、電阻箱等作為放電負載，這需要人工調節放電電流，控制精度低[3]；采用開關電源升壓電路的方法，通過調節占空比控制加在負載兩端的電壓，這種方法開關損耗大，電流有脈動[4]。

為解決上述問題，研制了一套以功率MOSFET管作為電子負載，能夠自動控制和監測整個放電過程，以足夠的密度記錄放電過程中電壓、電流的變化，并能以圖形化的界面顯示的蓄電池性能綜合測試儀。

1 總體設計

蓄電池大功率恒流放電系統主要包括上位機、串口單元、控制單元、驅動單元、放電單元和數據采集單元等。圖1為系統結構框圖。

圖1 系統結構框圖

2 控制單元設計

傳統PID控制器的結構簡單、精度高，在工業過程控制領域得到了廣泛應用，并且取得了良好的控制效果。但是對于時變性和非線性系統，即使對被控對象整定了一組滿意的PID參數,但當對象特性發生變化時，也難以保證良好的控制性能[5]。經過對恒流放電控制系統反復實驗，得出采用模糊PID控制方法較為合適。

模糊PID控制器主要由PID控制器和模糊控制器兩部分構成，模糊控制器的輸入為誤差e和誤差變換率ec，然后采用模糊推理方法對PID參數Kp、Ti、Td進行在線整定，以滿足不同時刻的誤差e和誤差變化率ec對控制器參數的不同要求，從而使被控對象有良好的動態、靜態性能[6]。其機構如圖2所示。

圖2 模糊PID控制機構圖

本系統采用的控制芯片為單片機C8051F020，控制器的輸入為上位機發送的電壓命令，系統的輸出為驅動單元的輸出電壓。反饋的實際電壓信號與給定的電壓信號相比較得出電壓誤差信號，通過模糊PID控制器計算出精確的PID參數調整因子，從而達到調整PID控制器參數的目的，然后計算出控制信號，控制信號再經過驅動單元的運放電路轉換為MOSFET的柵極電壓，從而調節放電單元的輸出電流。

3 恒流放電方案的研究與設計

3.1 放電類型的選擇

目前對蓄電池進行放電的方法主要分為兩類：能耗型和能饋型。能耗型是把流進電子負載的直流電傳遞到特殊的直流／交流轉換器(逆變電路)，然后再送回交流電網。這種類型的主要優點是節省電能，節約空間，不需要冷卻[7]。但是它的放電電流具有波動性，精度低，并且容易給電網造成諧波污染。能耗型是指把蓄電池放出的電能通過功率管消耗掉，以熱能或其他形式的能量釋放出去。能耗型的主要優點是結構簡單、經濟實用、精度高等，缺點是有能量消耗，需要良好的散熱系統。但是對蓄電池性能測試來說，由于為了保證的是恒流放電的精度，所以采用能耗型的放電方式進行設計。

3.2 不同放電方案研究分析

對于能耗型恒流放電,目前可采用3種方案來實現。

方案1：電流直接采樣法，即通過霍爾電流傳感器檢測流入電子負載的總電流，再與設定電流相比較，判斷是否達到系統設定值。如果沒有達到，則需要通過一定的算法對給定電壓Vg進行調節，最終使負載電流穩定在設定值。方案2：電阻采樣反饋法，即在MOSFET管的源極串接采樣電阻，將電流轉換成電壓，反饋至高增益誤差放大器的反相端。電阻采樣反饋法的簡單原理圖如圖3所示。在同向端輸入給定電壓信號，如果Rd上的電壓小于Vg，也就是運算放大器反向端的電壓小于同向端電壓，則運放輸出電壓加大，使MOSFET導通電流加大;如果Rd上的電壓大于給定值Vg，則運算放大器的輸出減小，使MOSFET導通電流減小，這樣電流最終維持在恒定的給定值上,也就實現了恒流工作。

圖3 電阻采樣反饋原理示意圖

方案1電流變化范圍大，適合大電流放電；缺點是響應速度比較慢。方案2優點在于響應速度快，結構簡單；但由于采樣電阻的功率一般較小，使電子負載的電流受到很大限制，容易受外界干擾，不適合大電流放電。

針對以上兩種方案的優缺點，提出了方案3：把方案2的幾個放電支路并聯運行，即采用多路放電支路并聯設計思想[8]。但由于功率開關管以及支路控制電路參數的差異，流過各個支路開關管的電流不可能完全相等。因此，需要設計專門的均流電路實現各支路之間的電流均分，從而實現支路的功率均分，避免某些支路的功率過大，以致燒毀功率開關管[9-10]。這樣既可以進行大功率放電，又能保證每個支路都工作在較小電流范圍內。但是對于各支路之間需要采用均流電路進行控制，而均流電路是由許多相同參數的電阻、運放等理想器件組成。由于實際器件的參數是不完全相同的，因而給均流電路帶來了很大的誤差。

3.3 放電方案的最終設計

均流電路會給系統帶來不可避免的誤差，因此不再采用均流電路，而直接用單片機來控制各支路給定電壓Vg，使各支路給定電壓相等從而實現各支路均流，以消除均流電路帶來的誤差。為了進一步提高系統精度，用霍爾電流傳感器采集蓄電池放出的總電流，并反饋給C8051F020單片機,單片機通過模糊PID控制算法來調節各支路給定電壓Vg的大小來控制各支路電流，從而達到精確控制總電流的目的。

4 實驗結果

為了能更加直接地檢驗恒流放電的效果，本實驗用11 V～13 V變化的電壓信號代替蓄電池，系統用5個放電支路并聯放電，總電流設定為15 A。圖4是恒流放電的實驗結果。

基于C8051F020單片機的蓄電池恒流放電系統采用多支路并聯的思想，實現了大功率放電；通過軟件控制各支路電流的大小，保障了各支路都能工作在額定功率以內，提高了系統的穩定性；采用模糊PID控制法，提高了系統放電的精度。另外,還可以通過上位機對放電過程進行實時監控和記錄，為蓄電池性能的分析提供了便利。

圖4 仿真結果

[1]王成山，王守相.分布式發電供能系統若干問題研究[J].電力系統自動化，2008，32(20)：1-4.

[2]傅書逷.中國智能電網發展建議[J].電力系統自動化，2009，33（10）：23-26.

[3]陳杰，徐劍紅.閥控密封鉛酸蓄電池失效機理及檢測[J].電源技術，1999，23(6)∶332-334.

[4]高嘉英，高玉峰,劉亞龍.基于新型電子負載恒流放電設備的研究[J].電源技術應用，2007,10(8)∶48-51.

[5]Liu Jinkun.Advanced PID control and simulation by Matlab[M].Beijing：Publishing Houseof Electronics Industry,2003.

[6]黃正午.直流電子負載控制算法的研究[D].柳州：廣西工學院，2011.

[7]汪浩.一種燃料電池測試系統的電子負載設計[D].成都：電子科技大學,2007.

[8]閆之峰，馬曉軍,魏曙光.一種新穎蓄電池恒流放電裝置研究[J].裝甲兵工程學院學報，2006,20(3)∶90-92.

[9]張肅文.高頻電子線路(第二版)[M].北京：高等教育出版社，1984.

[10]HOFER P，KARRER N.Paralleling intelligent IGBT power modules with active gate-controlled current balancing[C].27thAnnual IEEE Power E1ectronics Specialists Conference,1995：342-346.