蓄電池分級恒流充電電源設計方案

蓄電池分級恒流充電電源設計方案根據蓄電池分級恒流充電的要求，本文給出一種基于DSP、變參數積分分離PI控制的新型蓄電池恒流充電電源的設計方案。介紹了電源的系統(tǒng)結構、工作原理、控制策略及軟件設計。目前該電源已投入工程使用。1引言蓄電池正常充電時，比較好的充電方法是分級定流方式，即在充電初期用較大的恒定電流，充到一定時間或蓄電池達到一定電壓后，改用較小的恒定電流充電。同時蓄電池恒流充電電源不同于普通的直流電源，它的工作負載范圍非常寬，其輸出電壓可能從近似為零變到額定值。因此，在較寬的負載范圍內保證蓄電池充電階段的平滑過渡，以及不同階段時的恒流特性是蓄電池恒流充電電源的設計難點。這里設計的基于DSP變參數積分分離PI調節(jié)的兩級恒流充電電源可方便地解決這一難題。2蓄電池分級恒流充電電源系統(tǒng)結構及工作原理圖1示出蓄電池恒流充電電源的結構框圖。該電源可對蓄電池進行兩級恒流充電，兩階段的充電終止條件可分為充電時間原則、充電電壓原則或時間/電壓混合原則，并可自動完成兩階段電流轉換、充電原則轉換和相應充電參數值的調整。裝置主電路的工作原理是首先對380V輸入交流市電進行EMI濾波，采用帶十二相自耦變壓器的不控整流電路將交流電變換為直流電，從而有效地減少了輸入級AC/DC變換產生的諧波含量，提高了功率因數，降低了輸入變壓器的容量。利用全橋高頻逆變電路將直流電逆變?yōu)楦哳l雙極性PWM波，經高頻脈沖變壓器降壓，雙半波整流和輸出濾波后，最終輸出恒定的直流電流對蓄電池負載充電。圖1恒流充電裝置結構框圖控制系統(tǒng)由DSP及其外圍電路組成，主要完成對輸出電壓、電流信號的檢測、采樣和計算;對外部控制指令的接收和處理;對恒流充電的控制;對驅動信號的產生;對顯示數據的發(fā)送及整機的控制等功能。DSP控制芯片采用美國TI公司生產的數字信號處理器TMS320F240,其具有豐富的片內集成外設，大大減少了DSP的外圍元器件。此外，因其高速信號處理和數字控制功能使它特別適用于需要進行復雜算法的控制系統(tǒng)。3蓄電池分級恒流充電電源控制策略PI控制器以其結構簡單、控制穩(wěn)態(tài)精度高等特點，廣泛應用于控制領域。傳統(tǒng)數字PI調節(jié)器的數學模型為：ku(k)=KpEc)+KiYj(f)w直+嘉J=o其增量表達式為：△u(k)=Kv[e(k)-e(k-I)]土御式中：e(k)，e(k-1)---充電電流第k和k-1次米樣誤差值;Kp—比例系數;KI—積分系數傳統(tǒng)PI調節(jié)的Kp和KI在控制過程中為常數，而文中裝置需要對蓄電池進行分級恒流充電，兩級的充電參數值不相同且負載范圍較寬，因此為了達到較好的控制效果，需根據實際情況對控制參數進行相應的調整。在不同的輸入量區(qū)域內，選取PI參數的要求不同，其取值規(guī)則為：Kp值大，系統(tǒng)響應快，調節(jié)精度高;但Kp值過大時，則易造成系統(tǒng)超調大，甚至不穩(wěn)定。因此，在誤差e(k)趨于增大時需要適當減小Kp值，以防止超調;當誤差e(k)趨于減小時，要增大Kp值，以提高系統(tǒng)響應速度。KI的作用主要是消除穩(wěn)態(tài)誤差，以提高系統(tǒng)的調節(jié)精度。KI值大，誤差消除能力強，但在起動過程中易出現積分飽和及調節(jié)超調量增加的現象。為此，要求KI在誤差大時為零，以消除積分飽和現象;進入穩(wěn)態(tài)區(qū)域時，加入積分調節(jié)。這樣既保證穩(wěn)態(tài)時對積分的要求，又避免了積分飽和現象。根據上述變參數PI的控制規(guī)則，該系統(tǒng)采取變參數與積分分離相結合的PI算法調節(jié)逆變橋的驅動脈寬。圖2示出控制原理圖。其中，IG和IF分別為給定充電電流值和實際充電電流反饋值。其控制思想是按照充電電流誤差e(k)的正、負及上升、下降趨勢，將反饋電流一個周期的波動分為4個區(qū)間，即區(qū)間1(0-t1),區(qū)間2(t1~t2),區(qū)間3(t2~t3),區(qū)間4(t3~t4).在不同的區(qū)間調用不同的PI參數，從而實現最佳PI調節(jié)。在此基礎上又引進積分分離PI控制算法，既保持了積分作用，又減小了超調量，使得控制性能有較大的改善。

圖2PI調節(jié)原理圖其具體實現如下：根據系統(tǒng)實際情況，人為設定一閾值￡>0.當Ie(k)|>e時，即偏差值e(k)比較大時，去掉積分環(huán)節(jié)，既可避免過大的超調，又可使系統(tǒng)有較快的響應。當Ie(k)|<e時，即偏差值e(k)進入穩(wěn)態(tài)區(qū)域時，加入積分環(huán)節(jié)，可保證系統(tǒng)的控制精度。在區(qū)間1和區(qū)間3中，系統(tǒng)輸出在調節(jié)器的作用下向給定值IG接近。為了減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，采用大比例調節(jié)系數KP1使反饋電流iF迅速接近IG.BKP1的增大會使系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性降低，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以在區(qū)間2和區(qū)間4采用小比例調節(jié)系數KP2，以降低電流反饋值偏離給定值的速度。通過上述理論分析，推出控制量Au(k)的數學表達式為：Au(k)頊k.KlKtEe(j)

j=ok&Kij=oe(k)e(k)e(k)<0kl1〔°以）式中：&--積分門限。efk}---誤差的變化量，=e(k)-e(k-1)。圖3控制系統(tǒng)原理方框圖圖3示出控制系統(tǒng)原理方框圖。與DSP的T1PINT周期同步的電流A/D采樣，將測得的電流平均值作為反饋值IF參予電流調節(jié)器的運算。經過變參數的積分分離PI計算，調節(jié)驅動高頻逆變電路中開關管的驅動信號，從而調節(jié)充電電流保持恒定。4軟件設計圖4示出實現變參數積分分離PI算法的軟件流程圖。

計算e(k)和色(幻e-ee-e>0?u=Kpe以)+左［左1/專任U)圖4PI調節(jié)軟件流程圖為了增加整個充電系統(tǒng)的工作安全性，確保程序運行的準確可靠，還利用DSP內部的看門狗(WD)和實時中斷(RTI)模塊監(jiān)視軟件和硬件操作，并提供可編程間隔的中斷，如果軟件進入一個不確定的循環(huán)或者CPU出現暫時性異常時，WD計數器溢出，以產生一個系統(tǒng)復位，從而避免造成嚴重的程序運行錯誤。5試驗結果及結論該充電電源的輸出電壓范圍為0~42V，兩級充電電流均為2~36A可調，充電電流精度小于5%.可對12V或24V等級的堿性或酸性蓄電池進行恒流循環(huán)和補充充電，也可對新蓄電池進行恒流充電。圖5示出不同充電電壓時的充電電流波形。由圖可見，在不同充電電流給定下均取得了良好的實際充電電流波形