魯 芳， 趙兀君， 王 賽

（1.海軍航空工程學(xué)院 山東 煙臺 264001；2.中國人民解放軍91206部隊(duì) 山東 青島 266001）

隨著變頻器在越來越多的工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，企業(yè)所遇到的“晃電”問題也越來越突出，特別是一些對供電可靠性要求較高的敏感負(fù)載的場合，“晃電”問題亟待解決。

“晃電”是業(yè)內(nèi)對電壓暫降的一種形象比喻。電壓暫降引發(fā)的原因有很多，比如大電網(wǎng)或者配網(wǎng)側(cè)的雷擊、大風(fēng)、接地、短路等引起的保護(hù)動(dòng)作，會(huì)產(chǎn)生用戶側(cè)的一個(gè)短時(shí)壓降；另外，用戶側(cè)的大負(fù)載啟動(dòng)或者電氣故障也會(huì)引起同條線路上的暫時(shí)壓降。一般來說，電壓暫降持續(xù)時(shí)間為20～600 ms。目前，我國的配電系統(tǒng)平均可靠性為4個(gè)9，即全年平均停電時(shí)間為1小時(shí)，而各工業(yè)生產(chǎn)中的一些0類和1類負(fù)載要求的供電可靠性為9個(gè)9，即平均停電時(shí)間小于30 ms。針對“晃電”問題，目前業(yè)內(nèi)多采用DC-BANK系統(tǒng)來提供不間斷直流電源，對變頻器直流母線供電，變頻器擁有交、直兩路冗余供電，從而提高供電可靠性。

DC-BANK系統(tǒng)通常包含充電器、電池組、監(jiān)測單元、執(zhí)行單元等，其中一個(gè)核心單元是蓄電池組的充電及管理。為了確保系統(tǒng)的供電可靠性，就必須保證蓄電池的性能及使用壽命，因而對電池組的充電方法及管理提出了更高的要求。

1 蓄電池充電技術(shù)概述

鉛酸蓄電池作為最古老的二次電池，自發(fā)明至今已經(jīng)有150年的悠久歷史了，而且目前仍然占據(jù)著二次電池一般以上的份額，其在儲(chǔ)能、備用以及電動(dòng)車輛等領(lǐng)域仍然是不可替代的。鉛酸蓄電池具有電動(dòng)勢高、可以大電流放電、使用溫度范圍寬、工作性能可靠、價(jià)格低廉、原材料來源豐富等特點(diǎn)。

自Mas提出蓄電池充電可接受電流定律[1]以來，高效、無損、快速，便一直是研究蓄電池充放電的目標(biāo)。蓄電池是具有復(fù)雜性和離散性的多變量非線性系統(tǒng)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此，現(xiàn)有的蓄電池充電技術(shù)一直不太完善，嚴(yán)重地影響電池充電速度與性能。蓄電池的充電技術(shù)大體經(jīng)歷了傳統(tǒng)充電方法、快速充電技術(shù)和智能充電方法三個(gè)階段。

1.1 傳統(tǒng)充電方法

傳統(tǒng)充電方法是依據(jù)1940年前國際公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)法則設(shè)計(jì)的。其中最著名的就是“安培小時(shí)規(guī)則”：充電電流安培數(shù)，不應(yīng)超過蓄電池的待充電的安時(shí)數(shù)。傳統(tǒng)充電技術(shù)一般包括恒壓充電、恒流充電和恒壓限流充電。1）恒壓充電：指蓄電池兩極間的電壓維持在恒定值的充電，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，充電電流逐漸減小。該充電方法由于在充電初期充電電流過大，影響電池壽命；2）恒流充電：通過調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與電池串聯(lián)電阻，保持充電電流強(qiáng)度不變的方法。該方法如果充電電流過大，會(huì)使電池溫度上升較快，縮短電池壽命，但是充電電流較小，又會(huì)延長充電時(shí)間；3）恒壓限流充電：結(jié)合前兩者的充電方法，先采用恒流充電達(dá)到電池電壓峰值，再進(jìn)行恒壓充電，但是充電效率低下，依舊無法滿足需要。

1.2 快速充電技術(shù)

針對以上傳統(tǒng)充電方法的效率不高等原因，為了能夠達(dá)到最大限度地加快蓄電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速度，縮短蓄電池達(dá)到滿充狀態(tài)的時(shí)間的目的，同時(shí)，保證蓄電池正負(fù)極板的極化現(xiàn)象盡量地少或輕，提高蓄電池使用性能，快速充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。快速充電首先由柯迪奇提出，隨后這項(xiàng)技術(shù)不斷在商業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用?？焖俪潆娂夹g(shù)指在大電流充電過程中，自動(dòng)進(jìn)行短暫的停充并在停充時(shí)間自動(dòng)加入放電脈沖的方式。采用該方法既不產(chǎn)生大量氣體也不發(fā)熱，能夠在很短的時(shí)間內(nèi)對深放電的蓄電池進(jìn)行完全再充電。主要的快速充電技術(shù)主要是脈沖充電和電流遞減快充兩種，目前在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，出現(xiàn)了正負(fù)脈沖充電和變電流電壓間歇式充電等，快速充電技術(shù)的缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率低。

1.3 智能充電

智能充電[2]是目前蓄電池充電理論上較先進(jìn)的充電方法，其原理是在整個(gè)充電過程中采取一定的控制方法動(dòng)態(tài)地跟蹤蓄電池可接受的充電電流。其本質(zhì)是應(yīng)用du/dt原理，使得充電器能夠根據(jù)蓄電池的狀態(tài)自動(dòng)確定充電參數(shù)，始終保持充電電流在蓄電池可接受的充電電流曲線的附近，保證蓄電池在充電過程中盡可能少地析出氣體，從而保護(hù)電池。

智能充電方法是讓實(shí)際充電電流動(dòng)態(tài)跟蹤可接受充電電流，這種充電方法不但不會(huì)對蓄電池造成過充電等損害，而且充電時(shí)間較短，一般在5～6個(gè)小時(shí)。采用智能充電方法的充電系統(tǒng)一般由充電主回路、智能控制回路和蓄電池組成。系統(tǒng)將檢測到的蓄電池的充電電壓信號和電流信號送至控制模塊進(jìn)行處理，根據(jù)蓄電池可接受充電電流曲線動(dòng)態(tài)地調(diào)整充電電流，實(shí)現(xiàn)蓄電池在析氣最少的狀態(tài)下充電，這樣既能夠延長蓄電池的使用壽命也能夠縮短電池的充電時(shí)間。

2 DC-BANK系統(tǒng)中蓄電池的充電管理

2.1 DC-BANK系統(tǒng)

DC－BANK系統(tǒng)[3]中的蓄電池組經(jīng)過工頻三相用電整流充電，直接輸出到變頻器直流母線上，在變頻器需要時(shí)提供直流支撐。本設(shè)計(jì)需要12V50AH的電池44塊，串接而成，作為備用電源。DC－BANK系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 三段式充電

圖1 DC－BANK系統(tǒng)Fig.1 DC－BANK system

為了實(shí)現(xiàn)高效、無損、快速的目標(biāo)，結(jié)合傳統(tǒng)充電方法，設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)控制[4]的三段式充電方案。該充電方案基于單片機(jī)控制，經(jīng)過三相可控整流，實(shí)現(xiàn)恒電流快充，恒壓慢充，浮充三個(gè)階段的充電方法。三段式充電首先使用恒定的大電流快速充電，電池電量快速增加，電壓上升。隨后保持充電電壓恒定，進(jìn)行補(bǔ)足充電，電池電壓緩慢上升，電流下降。當(dāng)電流下降至浮充轉(zhuǎn)換電流或者檢測到溫度過高時(shí)，充電電壓轉(zhuǎn)為浮充電壓進(jìn)行維護(hù)充電。三段式充電曲線如圖2所示。

圖2 三段式充電曲線Fig.2 Curve of three-stage charging

結(jié)合業(yè)界“十小時(shí)充電率”經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)針對變頻器直流母線供電，所以恒流充電階段電流設(shè)置為7.5 A，恒壓充電階段電壓為646.8 V，浮充轉(zhuǎn)換電流為1.7 A，浮充階段電壓為592.8 V。充電系統(tǒng)目標(biāo)是在10個(gè)小時(shí)以內(nèi)蓄電池將充到90%以上的電量，隨后進(jìn)行約3個(gè)小時(shí)的浮充充電。

2.3 基于單片機(jī)的三段式充電硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 三段式充電系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Three-stage charging system hardware structure diagram

圖4 充電系統(tǒng)主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart of charging system

主從控制器均采用美國ATMEL公司的ATMEGA32高性能8位單片機(jī)[4]，負(fù)責(zé)整個(gè)充電管理系統(tǒng)的的信號采集、控制算法、顯示、驅(qū)動(dòng)，按鍵檢測等。電流檢測采用霍爾電流傳感器，采樣電流送入主控制器進(jìn)行處理。電壓檢測采取霍爾電壓傳感器，采樣電壓送經(jīng)從控制器然送入主控制器進(jìn)行處理。并采用高精度溫度傳感器DS18B20來檢測蓄電池的溫度，送入從控制器，再送入主控制器進(jìn)行處理。主從控制器之間通過RS-485通信[5]進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通訊協(xié)議采取一主六從的通訊方式。另外，還設(shè)置了顯示、報(bào)警和按鍵功能。

44塊電池串接而成，每7塊電池使用一個(gè)從控制器進(jìn)行檢測和控制，另外兩塊電池由主控制器負(fù)責(zé)檢測和控制，一共需要單片機(jī)7塊。主控制器通過從控制器送來的各單體電池的電壓、溫度，以及從主回路上采樣的電流，根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行計(jì)算，輸出一定的PWM信號，PWM信號作為移相控制電壓送入三相觸發(fā)集成芯片TC787，TC787輸出對應(yīng)的移相后的觸發(fā)信號來控制三相整流橋可控硅導(dǎo)通角的大小，控制整流輸出，達(dá)到三段式充電控制的目的。

TC787適用于主功率器件是晶閘管的三相全控橋或其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路的系統(tǒng)中作為晶閘管的移相觸發(fā)電路，是目前國內(nèi)市場上廣泛流行的TCA785及KJ（或KC）系列移相觸發(fā)集成電路的換代產(chǎn)品。與它們相比，具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)，而且裝調(diào)簡便、使用可靠性高。

該方案中單體電壓的檢測，由于電池?cái)?shù)量多、總電壓高，且控制回路與主回路必須電氣隔離以避免干擾，所以不能采取電阻分壓法測量。蓄電池特有的負(fù)溫度特性，常溫下（25度左右）環(huán)境溫度每下降1度或上升1度每2 V蓄電池的電壓差達(dá)4 mV左右，尤其到了冬天和夏天室外環(huán)境溫度的影響必須考慮。在此針對蓄電池溫度的變化給予相應(yīng)充電電壓補(bǔ)償稱之為溫度補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)采用高精度數(shù)字溫度傳器檢測環(huán)境溫度以及每一塊單體電池的溫度，最后都送至主控制單片機(jī)處理進(jìn)行充電溫度補(bǔ)償。從而實(shí)現(xiàn)高精度控制電池組的電壓，做到不過充，不欠充。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)進(jìn)行三段式充電的控制，采用51系列匯編語言[6]進(jìn)行軟件編程。首先進(jìn)行電池組狀態(tài)的判斷，然后決定是否進(jìn)入充電狀態(tài)。隨后檢測電池組參數(shù)和環(huán)境溫度，主控制器進(jìn)行計(jì)算，輸出PWM信號，控制三段式充電。充電系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)在分析蓄電池充電方法的基礎(chǔ)上，搭建了基于單片機(jī)進(jìn)行智能控制的三段式充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)較傳統(tǒng)充電方法提高了蓄電池充電效率，能夠在十個(gè)小時(shí)的目標(biāo)時(shí)間內(nèi)完成充電。既能夠提高蓄電池的充電效率又保證了蓄電池的正常使用壽命，從而確保DC-BANK系統(tǒng)對變頻器的供電可靠性。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，可靠性高，能夠帶來較大的生產(chǎn)效益。

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