蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用*

孔翠波

(西山煤電集團鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

0 引 言

礦用蓄電池機車用于將設(shè)備、材料、矸石等物料在地面與工作面之間、工作面與工作面之間進行運輸，由鉛酸蓄電池、鋰電池作為動力源，具有污染低、節(jié)能、安全性高的優(yōu)點。礦用蓄電池機車運行效率與電池充放電時間息息相關(guān)，傳統(tǒng)電池充電時間長、智能化水平低，存在充不滿或者過充現(xiàn)象，嚴重影響蓄電池機車電池使用壽命，無法滿足礦用蓄電池機車高效率應(yīng)用需求。因此，如何科學合理的為礦用蓄電池機車電池智能充電成為亟需解決的問題[1-2]。科研人員在恒流、恒壓以及恒流/恒壓混合充電技術(shù)的基礎(chǔ)上，進一步研究了階段恒流快速充電技術(shù)、脈沖式電流充電技術(shù)等，使得充電電流曲線更加平滑并接近實際應(yīng)用。文獻[3]研究了基于三階段充電的電壓溫度自動補償技術(shù)，縮短充電時間的同時減少了充電過程的析氣。文獻[4]采用負脈沖放電與多階段恒流混合充電方案，提高了充電效率，提升了蓄電池的循環(huán)使用壽命。文獻[5]將專家控制系統(tǒng)、模糊控制理論、機器學習理論引入電池充電控制系統(tǒng)，但充電控制效果不理想。筆者以STM32 CPU為控制核心，采用變論域模糊PID控制算法對礦用蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)進行研究，提升機車電池充電效率和智能化水平。

1 總體設(shè)計

礦用蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)需具備初充電、智能充電兩種控制模式；自適應(yīng)充電過程，即根據(jù)電池狀態(tài)在多個充電階段之間切換；可通過串口修改充電參數(shù)；充電電流變化需符合電池可接收曲線；保護功能完備，避免過壓、過流故障。礦用蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示，主電路為充電機本體內(nèi)部電路，供電電源為三相交流電源，由整流變壓器、晶閘管整流器、平波電抗器組成。充電控制系統(tǒng)電路核心為STM32 CPU，由電壓采樣、電流采樣、保護電路、顯示電路、存儲電路、觸發(fā)電路組成。嵌入STM32 CPU的軟件主要采用變論域模糊PID控制方案，實時調(diào)節(jié)充電電壓、充電電流大小，實現(xiàn)充放電過程的智能化。STM32 CPU根據(jù)控制方案更新充電電壓、電流后經(jīng)觸發(fā)電路輸出觸發(fā)角可在0～180°之間變化的六路脈充，并對晶閘管進行移相觸發(fā)。STM32 CPU內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換采用12為逐次逼近型，具有功耗低、采樣速率快的特點。用戶界面即顯示屏電路，采用CAN總線方式接收STM32 CPU數(shù)據(jù)，實時顯示充電模式、充電時間、充電電壓、充電電流、充電狀態(tài)等參數(shù)。

圖1 礦用蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)總體設(shè)計

2 硬件設(shè)計

蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)硬件是實現(xiàn)電池充電的基礎(chǔ)，設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 礦用蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

STM32 CPU為主控制核心芯片，實時采集電池充電電壓、電流值，在STM32內(nèi)部將模擬量經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，監(jiān)測并判斷該充電電壓、電流是否超出充電安全閾值。STM32 CPU根據(jù)采集的充電參數(shù)采用變論域模糊PID控制算法計算電壓、電流控制數(shù)字量并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出電壓參考模擬信號，經(jīng)觸發(fā)電路芯片TD787產(chǎn)生對應(yīng)脈沖并控制晶閘管整流電流對蓄電池充電電壓進行更新[6-7]。顯示屏用于實時顯示充電過程中的電壓、電流等參數(shù)，掌握蓄電池充電狀態(tài)；通過該顯示屏可設(shè)置充電電壓、電流參數(shù)，系統(tǒng)上電后按照該初始參數(shù)值充電。保護電路用于防止因接線反接對硬件電路造成損害，保證硬件電路安全運行。存儲模塊用于存儲充電參數(shù)值以及充電過程中電壓、電流數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)追溯和歷史查詢。通信電路用于將該充電控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)以CAN、TCP/IP或者RS485通信模式傳送至監(jiān)控平臺或者人機交互界面。STM32 CPU主控芯片以ARM Cortex-M3 32位 RISC為內(nèi)核，具備72 MHz工作頻率，工作溫度為-40～85 ℃，支持3個12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高傳輸速率位1 MHz，滿足蓄電池機車充電控制系統(tǒng)要求[8]。

3 軟件設(shè)計

根據(jù)礦用蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)總體設(shè)計、硬件設(shè)計方案，基于MDK-ARM平臺進行軟件設(shè)計。MDK-ARM軟件開發(fā)平臺支持于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9處理器，具備完善的C/C++開發(fā)環(huán)境，還包含MDK-Professional中間庫[9-10]。礦用蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程見圖3所示，STM32 核心控制板上電并進入主程序入口后，首先完成程序變量、函數(shù)、內(nèi)存、定時器、信號器等的初始化工作。初始化工作完成后，如果檢測到有電池且不按照設(shè)定參數(shù)重帶你，則依次判斷電池狀態(tài)，選擇充電模式并開始充電。STM32 CPU實時采集充電電壓、電流值并基于變論域模糊控制方案自動調(diào)節(jié)充電電壓、電流值，當充電完成后停止充電過程，并在顯示屏上顯示“充電完成”。當系統(tǒng)檢測不到電池時，在顯示屏上顯示“開路”，并再次檢測是否有電池。當系統(tǒng)按照設(shè)定參數(shù)充電時，將設(shè)定參數(shù)保存至SD卡并開始充電。充電開始后，在顯示屏上可實時查看充電參數(shù)、充電狀態(tài)、充電故障等信息。

圖3 蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

4 試驗分析

4.1 試驗條件

為驗證設(shè)計并實現(xiàn)蓄電池機車電池充電控制系統(tǒng)的正確性和有效性，在實驗室進行試驗并進行了驗證，圖4為蓄電池用充電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖5為蓄電池組及蓄電池機車。將設(shè)計的充電控制系統(tǒng)電路控制板與充電機主電路連接，電纜需能夠承受100A大電流，采用褐色絕緣皮包裹并置于橡膠絕緣墊之上?？刂瓢遢敵鲂盘柵c充電機中的晶閘管A、B、C三相相連。控制板與顯示屏采用CAN總線通信，在兩端安裝120Ω終端電阻并保證CANH、CANL一一對應(yīng)。

圖4 蓄電池用充電機內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖5 蓄電池組及蓄電池機車

4.2 試驗過程

充電控制板與充電機主電路連接好后，利用示波器觀察充電電壓、充電電流波形，當電壓波形觸發(fā)角為30°時，實際充電電壓有效值為198 V，充電電流有效值為6.8 A，與理論充電電壓200 V、理論充電電流6 A略有偏差，這是因為電磁、噪聲干擾問題，在允許范圍之內(nèi)。

對58節(jié)鉛酸蓄電池采用分階段充電方案，階段一為恒流充電，持續(xù)充電至可接受大電流充電電壓閾值；階段二為恒流脈沖充電，短時間內(nèi)充入較多電量并采用脈沖間歇式使得電池內(nèi)部充分反應(yīng)，防止過充；階段三為恒壓充電，使得充電電流無限逼近于馬斯曲線；階段四為浮充，將電池充電至滿電狀態(tài)。

4.3 試驗分析

蓄電池機車電池充電試驗數(shù)據(jù)如表1所列，充電過程持續(xù)495 min，滿電后蓄電池端電壓為127 V，端電流為5.2 A。階段一恒流充電電流為5 A，持續(xù)時間為15 min；階段二恒流脈沖充電電流為67 A，持續(xù)時間為3 min，當電池端電壓大于133 V后進入階段四，否則再次以恒流脈沖充電，持續(xù)時間為3 min；階段三恒壓充電電壓為133 V，當電流大于8.8 A后再充電10 min進入階段四，階段三用時約380 min；階段四浮充充電電流為10 A，用時約100 min。表1所列的充電電流曲線滿足并符合鉛酸蓄電池可接受的電流曲線，上述信息可在顯示屏上實時顯示。蓄電池機車電池充電進行中，打開電池塑料密封蓋并查看電池內(nèi)部氣泡，發(fā)現(xiàn)只有少量氣泡析出，表明無過充故障。

表1 選電池機車電池充電數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

以礦用蓄電池機車為研究對象，重點研究了電池充電控制系統(tǒng)總體方案、軟硬件方案，基于STM32 CPU對原充電控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，采用變論域模糊PID控制方案對充電電壓、充電電流進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，基于分段充電方案對58節(jié)鉛酸蓄電池進行充電試驗。蓄電池機車電池充電控制優(yōu)化系統(tǒng)實現(xiàn)了充電參數(shù)可監(jiān)測、可設(shè)置、可自適應(yīng)控制，提升了充電過程的智能化水平。經(jīng)試驗室驗證，優(yōu)化后的充電控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠保證充電過程快速、高效、安全。