煤矿机车邱健蓄电池的智能充电机设计

摘 要：本文针对煤炭行业轨道蓄电池机车充电设备的状况，量身定做一套高频开关电源智能充电机，大大减小了整个体系的体积、大幅提高了充电效率、节能效果显著、合作新式铅碳电容电池组成智能无人值守充电体系。充电办法适用于铅酸、铅碳两种蓄电池组模式自动切换运转，选用变电流脉冲充电法，使得充电电流更好地迫临蓄电池的可承受充电电流曲线，然后加快了充电的速度，有效地维护了蓄电池，延长了电池的循环运用寿命。

1 铅酸蓄电池充电理论及智能充电工艺

1967年美国科学家马斯（J．A．MAS）以蓄电池充电时的最低析气率为条件，提出了蓄电池可以承受的最大充电电流和可承受的充电电流曲线（称为马斯曲线）。如图1所示，恣意充电时刻的蓄电池可承受的充电电流

图1

从图1可以看出，蓄电池在充电之初可承受电流很大，可是衰减很快，这是由于在充电的进程中蓄电池内部发生了极化现象，阻止了电池的持续充电。电池的极化分为欧姆极化、电化学极化和浓差极化3部分，其中，欧姆极化和电化学极化在充电中止时即可消失，而浓差极化的消除比较缓慢，在数秒内逐渐下降并消失。别的，由铅酸蓄电池的电化学理论可知，当充电电流大于蓄电池的可承受电流时，多出的电能将用于水的电解反响，导致电池极板上发生气泡，电池内部温度上升，进而损坏电池。因此，充电进程中的电流有必要尽可能地迫临马斯曲线，比较普遍的充电法有恒流递减式充电法和脉冲充电法。

20世纪90年代末，厦门大学的陈体衔教授在VRLA电池充电试验的基础上提出了变电流间歇充电法（见图2），其特点是在变电流间歇恒流充电段设定停充电压，当电池端电压达到停充电压时便中止充电一段时刻，以后逐次减小充电电流值。为将电池康复至彻底充电态，充电后期选用恒压均充电，充电电流逐渐减小，达到涓充电流后保持不变，在设定时刻之内若无变化则结束充电进程。

图2

本文中的智能充电办法是在变电流间歇充电法的基础上，在各个恒流充电段中加进很短时问的停充距离，这样各段的恒流充电可以看成是由一系列幅值和脉宽相同的脉冲电流组成（见图3），选用这样的办法更有利于前面所述的3种极化现象的消除。

2 体系构成

目前市场上有许多充电集成电路，但都是针对小功率电器的，大功率充电器则需要根据运用场景量身规划相应的充电设备。煤矿传统的充电电源主要是相控电源，因包含工频变压器造成电源自身体积大，且功率损耗也很大。开关电源由于开关频率比较高，所以有体积小、重量轻、损耗小和效率高级特点。开关电源的发展十分迅速，其应用也日益广泛，有逐步取代传统电源的趋势。

大功率充电器体系组成

2．1主电路规划

智能充电机的根本单元模块，该体系选用交一向一交一向型电路结构。输进为三相380V交流电，经三相桥式整流后得到486～530V的直流电压，当中加滤波电容和均压电阻。直流一交流改换部分选用H桥改换电路，功率开关器材IGBT的选取：（1）耐压值，Voc=537V，留2倍裕量，取vcEs=1200V；（2）通态电流值，=52A，取，=100A；（3）开关频率在30～40kHz。故选用EUPEC公司的DB—FF100R12KS4系列IGBT模块。该模块内部集成了2个IGBT功率管，每个功率管上并联了维护二极管。IGBT功率管的导通和关断由PWM发生器SG3525发生的驱动信号来操控，由此操控输出电压和输出电流的巨细。高频变压器的副边输出选用全波整流电路，经电感、电容滤波后对蓄电池进行充电。该充电机最大输出电流为50A，最大输出电压为500V，最大功率20kW，属于大功率充电机。

2．2操控体系规划

（1）DSP芯片2407

充电机的操控体系选用DSP芯片，选用了TI公司的TMSLF240X系列的2407芯片。该系列DSP片内供给有32K字的FLASH程序存储器空间，高达1．5K字的数据／程序RAM，544字的双口RAM和2K字的单口RAM。含有2个事情治理器模块EVA和EVB，每个包含2个16位通用定时器，16通道的1O位的A／D转换器。外部配以采样电路（电池端电压、充电电流和电池温度等）、输出操控电路、EEPROM读写电路（读取和存储重要充电参数）、键盘扫描电路和SCI串行通讯电路（用于上位机操控和联机通讯）等。DSP还通过并行线与显现屏驱动芯片T6963C相连接，用户通过键盘和显现屏组成的人机界面可以方便地翻阅菜单，设置充电参数，操控整个充电进程。

（2）采样电路在该体系中，DSP通过采样电路担任对输出电流、蓄电池端电压、直流母线电压、高频变压器温度、蓄电池温度等多个模拟量进行采样。其中，充电电流、蓄电池端电压和蓄电池温度值在显现屏上实时显现，以运用户可以及时方便地知道充电参数值以及充电进程正处于哪个阶段；一起，DSP通过对各个温度值的检测，决议体系是否应处于作业状态（指处于对蓄电池的充电状态），当检测到恣意一种温度值超越答应值时，当即停机。此外，充电电流和蓄电池端电压这2个反馈量与DSP的输出给定量构成电流和电压闭环操控，其比较值通过PI调节器，作为PWM操控器的输进信号。

（3）PWM操控芯片SG3525PWM操控芯片用以输出操控功率管导通关断的信号。在该操控电路中选用的是美国硅通用公司的SG3525芯片。SG3525由输出5．1V、温度系数1％的基准稳压电源、差错扩大器、振动频率在100～400Hz的锯齿波振动器、翻转触发器和维护电路组成，可以输出两路占空比相等，且相位相差180︒的驱动信号。DSP芯片的输出通过电压和电流闭环后，各输出两路信号，通过IGBT集成驱动芯片M57959的扩大，传至IGBT的栅极，操控H桥逆变电路上处于对角方位的IGBT功率开关管。

2．3软件规划

充电机的软件程序是在ccs2（C2000）开发体系下编制而成，程序用c语言编写，选用模块化程序规划办法。

充电机的软件程序中为用户规划了丰厚的功用菜单。用户进进运转界面后，可以选择充电方式，并根据蓄电池的不同，设置各个充电阶段的充电参数，包含：起充电流、停充电压、充电时刻、变电流系数和脉冲占空比等，并可将这些重要参数保存进EEPROM，以供下次相同蓄电池充电的需要。根据具体充电运转情况的不同，用户可通过操作键盘在充电进程中加大或减小充电电流。

3 试验结果

在充电试验中，所用的电机车蓄电池由广能集团龙滩煤电有限公司供给，每台机车所用的蓄电池为由96节蓄电池串联而成的蓄电池组，彻底充电后电压为192V左右。根据具体情况，充电机的首段充电电流为80A，停充电压值为2．55V／cell，电流递减系数为0．6，在试验中，一般通过3～4段恒流脉冲问歇充电后，转为恒压均充电。通过多次充电试验表明，该智能充电性可以对机车用铅酸蓄电池组进行安全和有效地充电。

将蓄电池从彻底放电态充至彻底充电态，整个充电时问可操控在10h以内。充电进程中，电池内部仅有很少数的气泡冒出，且电池温度也始终在较低的范围之内。彻底充电后的铅酸蓄电池可供矿车接连运转9～10h。与传统充电工艺相比，不仅充电时刻短，并且动力的利用率也大大增加。