智能化变流充电控制系统的研究

急剧上升严重损坏了电池的板极，缩短了电池使用寿命。通过对变流充电优化模式的分析。提出了依据蓄电池各单节端压电液密度和温度的变化综合确定蓄电池组内部状态及其实际可接受充电电流能力的方法，通过合理逼近理想充电曲线实现对充电过程的优控制。详细介绍了基于这理论的种实用型智能化变流充电控制系统的设计思想及其相关技术关键问。

随着对电池需求的日益增长，研宄变流充电的优化模式及其智能化控制系统己成为世界各先进工业国家普遍重视的科研课。

1变流充电的优化模式恒流充电和恒压充电是目前采用多的两种充电模式。

这种常规充电模式在控制上易于实现，但实际应用中存在重大缺陷。

在充电过程中，随着蓄电池保有容量和端电压的不断增加，蓄电池内部极化现象也逐渐严重，这使其可接受的充电电流越来越小。理想充电模式应能在整个充电过程中按照蓄电池当前实际可接受电流的能力提供有效的大电流，这个电流显然是动态变化的，它是充电时间的函数。大量实验证明理想充电曲线是条指数曲线，可用下式Io充电开始时2.恒流充电曲线尸，0是蓄电池额定容量，为蓄电池充电电流接受比，由蓄电池内部结构和状态决定。

电电能有效地转化为电池的化学能，电能转化效率高。同时蓄电池的出气率和温升小。使蓄电池的极板得到充分保护。

大大延长了蓄电池的使用寿命。

由1可以看出。恒流充电电流在充电初期小于蓄电池可接受的大电流。造成充电周期的延长；在充电后期则远超过蓄电池可接受电流的能力。电能大部分耗费在水的分解和电池能消耗了。伴随而来的过度出气和温度急剧上升会严重损坏电池的极板，造成极板活性物质的过早脱落，缩短了电池使用寿命，恒压充电之所以也不合理，这是因为蓄电池的内阻很小。

如1350车用蓄电池内阻不足因此恒压充电开始时电流非常大。为了减小初始充电电流。充电电压不能过高，并需采用外电阻降压措施；而后期则因为蓄电池端压已接近充电电压。充电电流又过小，这就产生了低电压下充电不足的缺陷。

欠充电是常规恒压充电如浮充中普遍存在的问，欠充电造成蓄电池容量不足。运行中特定电池过放电；长期欠充电使极板严重硫化，造成使用寿命降低。

根据理想充电曲线，理论上充电起始电流应尽可能大，但实际上由于蓄电池内部结构参数以及充电装置和供电系统的种种限制，起始电流不能过大。另方面，在充电末期，充电电流也不能过小。

以免充电时间延长。在实际应用中，根据蓄电池结构和状态以及充电装置和系统充电曲线合理逼近理想曲线的充电模式就是变流充电的优化模优化控制模实时控制技术的发展，实现充电电流的动态叫节控制并不是件难事，关键技术问是如何确定控制的目标函数使其实现优化控制曲线。

内，伏态和接受电流能力的特征充电时间0以叩1肌，几参量很多，如出气率温升电液密度内阻端压端压变化率蓄电池可接受充电电流能力的理论。己被公认为比较准确地反映了蓄电池实际接受能力的变化规律。但是由于检测手段的限制，在实际应用中局限很大。现场充放电作业般都是将单贫蓄电池串并联后成组进行。但是由于各个单节在内部结构状态制造工艺和使用工况上的差异性。其变化情况是极其复的。各个单节间1接受屯流的他化往偏。；1很尺经过多牢内部状况。也不可能准确确定蓄电池特别是整组蓄电池可接受充电电流的能力。通过检测各蓄电池单节的端压。电液密度和温度的变化可以为综合确定蓄电池的内部状态和其实际接受能力的变化规律提供可信的科学依据。这类参量之间存在相互影响和制约的关系。由于这类参量实时检测技术成熟准确可靠。再加上充放电电流和充放电时间个参变量。我们己比较完整和准确地描述整个充放电过程中蓄电池的内部状态和其变化规律，找到控制的目标函数。面结合2充电特性曲线来说明优化控制模式的实现和其优越性。1这几组特性曲线是根据某车辆段充电作业实测数据绘制化控制曲线1和恒流控制曲线2进行比较。恒流充电电流取⑴半优化初始屯流为优化控制曲线分为3段。第1段是恒流直线段。目的是用大速度而又不出气地充入大部分容量。这阶段蓄电池端压和容量呈直线上升，当其发生拐点时，可认为已临近了出气电压。这时进入第2段指数曲线段。指数曲线段按端压温度电液密度和容量的变化率采用闭环调控方法跟踪优化曲线。动态调节充电电流，使蓄电池始终保持微量出气状态。第3阶段是充电末期，电流控制在其下限，不再继续下调，其持续时间的氏短由停机判断确定。

由特性曲线可清楚地看出，优化控制模式充电能量转化效率很高，平均达到90.由其效率曲线近似为条水平直线说明无论在充电过程的任何时刻，电能转换效率都保持高水平。

达到了优化控制的目的。相对应恒流充电效率在充电后期急剧恶化。这是由于恒流充电在后期阶段能量几乎全消耗于产生热量电能转化效率不足20，全过程平均充电效率只有70.从温升曲线看，优化控制大温升只有12.发热很少。出气率很低；而恒流充电大温升3，1.在环境温度18，时。电解液温度己达到48，超过了充电大允许温度45只好暂时终止充电。停机降温。出气率强烈地依赖于温度，这实际己反映出者在出气率上的明显差异。恒流充电时，充电间酸雾弥漫而优化控制充电，现场几乎感觉不到酸雾。从时问上看。流分屯约；1251.而优化控制汉需101缩短充电时间13，3系统组成控制系统由单片微机传感器信号隔离器模数转换器电子选通开关数码显器打印机等组成。分成采样信号处理控制。驱动输出显等环节。

电源技术文哲蓉等智能化变流充电控制系统的研宄系统组成3.

采样环节由电流电压。温度。电液密度等传感器组成。将采集的信号经分压滤波放大处理后通过光电隔离电路送入电子选通开关。电子选通开关在控制器的控制下继续不断地选择各信号送入模数转换器中转换成数字信号后存入控制器检测电路。实现了对蓄电池组全单体不大于72单体的状态参数的动态检测。控制器由单片机和存贮器等电路组成，负责对采集到的各种数据进行分析。处理。控制器在综合分析各状态参数后按照目标函数作出优判断，发出控制信号。经放大驱动环节输出，调整充电器晶闸管的导通角。改变充电电流，通过不断地调控充电器的输出，实现整个变流充电过程的优化控制。由于实现了对蓄电池组全单体状态的实时检测和对蓄电池充放过程的能量计算。因此系统也可实现对蓄电池保有容量的动态判定，并以此作为充电器准确停机的判定标准，保证了蓄电池的佳贮能状态，防止过充和欠充现象的发生，显环节包括数码显器。打印机。信号指灯和报警器。

4软件设计软件设计包括初始化操作显打印状态分析计算模拟量处理调节输出故障监测时钟和过程管理等十大模块。

1始化模块完成硬件的初始化设置及软件各工作向量的初值设置。

操作模块读取键盘操作及输入开关操作。完成对有效操作的响应。

包括充放电参数设置。充电模式的选择充放电启停。显切换等多种人工操作，显模块根据对蓄电池组单体的检测，动态输出显参数，包括充放电流充放电安时充放电时间各电池电压保有容量等过程参数，显内容依次循环显，也可人工调显所需监视的内界。

打印模块在充放电过程中，每隔1打印组测量数据。在每次放电结束时，打印报废电池清单。

模拟量处理模块依次对模拟量通道进行切换。从电池组双端同时开始采集各参数的当前值，并进行误差校正标度变换等处理，调节输出模块根据用户对充电模式的选择。按充电曲线的设定目标。调节充电器可控硅触发角的相位移。完成调节的0运算，达到跟踪目标曲线控制的目的。

故障监测模块对电流电压温度等参数进行监视。当超过极限值时，发出声光报警，并自动采取处理措施，时钟模块对充放电过程进行计时，并对内部的些定时过程进行监视，完成定时操作，过程管理模块完成充电放电等过程的管理，在充电时按电池组状态平均值形成当前充电曲线的调节目标值，通过对端压电压变化率电池温度。充电时间和保有容量的综合分析作出停机或充放电过程转换的判定。

状态分析计算模块计算充放电过程的安时累计。计算电液密度计算电池保有容量等状态参数。作为过程管理和输出打印的依据，软件总流程框4，5相关技术问5.1检测和控制精度山几十只体组成的蓄电池组在串，充电，高端屯池与低端电池之间存在可达上百伏的电压差。而单体电池容量从零变化到大。其电动势变化也不过零点几伏，特别是蓄电池的内阻变化更是很小。这对检测的精度提出了很高要求。我们采用光电隔离双端检测的方法大大提高了检测的精度和其动态，性。采仲分辩率主及项决，1器件位数阳能满足需求。

目前绝大多数充电机均采用晶闸管相控调压，给控制精度带来的问是输出电压与移相电压不定成线性相关。不仅如此。有时甚至不是单调的。随着移相电压的增大。输出电压反而可能6走减因此存在线性调压的适应区段，2调压曲线的线性度是变化的。在蓄电池反压作用下。调相的极大。极小点随电池内部极化电压的，减而动态变化，3相控方式下电压波形存在较大的脉流成分。

这些问使调节控制精度受到很大影响。为了保证调节精度，实现充电优化曲线的动态调控，我们在设计中根据电池极化电压的变化采用动态跟踪极大和极小值的方法来确定单调线性移相区段；采用闭环增量调控方法使输出跟踪优化曲线目标值采用大时滞算法消除脉流波动的影响。

5.2荷电状态分析对蓄电池保有容量作出动态判定是确保蓄电池在充放电电源技木工装设备作业和实际运行过程中处于良好状态的关键技术。迄今为止，蓄电池充电作业基本采用时间控制。但由于存在蓄电池单体结构差异。充放电工艺过程和环境条件的区别以及各单体初始容量的不同。在整个充放电过程中各单体蓄电池的荷电状态是不可能致的。采用时间作为充放作业终止判定造成的后果往往不是过充就是欠充。

碱性蓄电池的荷电状态基本与其端电压成线性相关。铅酸蓄电池则比较复杂。影响因素很多，给荷电状态的分析判断带来很大困难。通过多次试验与探索，我们认为在充电结束期，端电压在高极化电压下趋于水平。以此作为各单体蓄电池的满额容量。即其结构容量。在放电开始厂确控制波电屯流并葚安时数祟计刊各电池放电终止电压点时的安时数，即为该蓄电池单体的有效荷电容量。

充放电过程中，铅酸蓄电池电液密度的变化是其动态荷电率的特征参数。通过反复试验明放电过程安时转换效率可认为100，而充电过程中的安时转换率则与蓄电池当时系式可近似为任；为前电包极化电压7电动势厂两部分；1为电流换算系数，与充电率有关。当采用充电率时取1.

知道了1蓄电池动态容量可计算出而动态密度则为=+CdXV1采用密度计或密度传感器可测定心因此在充放循环中可以随时判定其动态密度及计算相关的动态保有容量。需要指出，温度对电液密度的影响很大。计算中应充分考虑温度修正系数。

放电作业是促使蓄电池极板活化的关键工序，也是考核电池容量和放电能力判断故障电池的重要手段放电质量的好坏直接影响蓄电池实际运行水平和使用寿命。传统的放电作业将大量电能白白消耗在放电电阻上。以72只，450单体蓄电池完成个充放循环为例，放电消耗电能约901评1通过放电电阻的有级调节。根本无法满足放电的恒流要求，因而也不能地量度蓄电池的放电能力，判定蓄电池放电终止的时刻。过度放电将严重损害蓄电池的极板，减少使用寿命。采用有源逆变技术将放电电流直流转换成工频交流电送回电网，不仅可节省电能。而且也可以实现放电电流的准确控制，获得良好的放电特性。晶闸管变流回路具有很好的逆变换条件，通过可控硅触发角从区整流移到0区逆变即可方便地实现逆变换。逆变电压与电网电压完全同步，但有谐波分量存在，需在设计中考虑必要的滤波处理，否则将会对整个微机控制系统产生干扰。

6结束语经过多年的研宄和探索。智能化变流充电控制技术已成功地应用于铁道机车汽车电瓶叉车等牵引型蓄电池的充放电作业，也正在逐步推广到变电站发电厂通讯站等需要固定型直流电源的场合。它可广泛适用于酸性碱性等各类蓄电池组以及可控硅整流器开关电源等多种变流装置充放电作业的智能化控制，获得改善充放电质量和效率。降耗节能，提高蓄电池组的运行可靠性。延长其使用寿命和改善作业环境的显著效益。

张幽形。陈出江。8，9，系统实目大甸。北清华；7出版社。1993.

赛志忠，王家祯。数据采集和监控中的微机应用北京清华大学出版社。1988.

许会，车新生。曹棠嫫等。蓄电池测试装置单片机数据采集记录4古译郎主编。杨玉伟。电池手听。叫。了，防工业出mi，1987.

5王桂英电源变换技术北京人民邮电出版社