基于DSP的蓄電池充放電裝置的設計
關鍵詞:蓄電池;充電;放電;DSP;Buck-B00st;數(shù)字控制
0 引言
蓄電池作為儲能電源已廣泛用于各個行業(yè)中。蓄電池充電裝置大多采用兩級充電模式,同步采樣方法,用不帶滯環(huán)的PI調節(jié)器進行PI調節(jié)。對于深度放電的蓄電池,為保證正常的使用壽命,在一般的充電程序前必須增加涓流充電過程。同步采樣方法存在開關管動作引起的電壓和電流尖峰,從而導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。本裝置采用非同步采樣方法,保證了電壓電流的采樣值更準確,系統(tǒng)更加穩(wěn)定。為了減少蓄電池充放電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的噪聲,提高動態(tài)響應,引入滯環(huán)PI調節(jié)器,相對于不帶滯環(huán)的PI調節(jié)器,控制過程相對更為簡單并且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文以12V,100Ah鉛酸蓄電池為例,介紹了全數(shù)字控制蓄電池充放電電路和控制方法。
1 系統(tǒng)主電路
蓄電池充放電的Buck―Boost主電路和TMS320LF2407控制目標板示于圖1。該電路的電流可雙向流動:當電流由Udc流向Uba時,S1和D1輪番工作(S2和D2阻斷),蓄電池充電;當電流由Uba流向Ude時,S2和D2輪番工作(S1和D1阻斷)蓄電池放電,此時Ude變成負載。用傳感器對Ude、Uba和IL進行采樣送入DSP中,進行AD轉換。當程序判斷電路工作正常時送出電路啟動信號IOPB4。在這之前電路則處于關閉的不工作狀態(tài)。
2 系統(tǒng)控制原理
2.1控制方法簡介
如圖1所示,由傳感器送來的Udc、Uba和IL三路采樣信號經(jīng)過DSP內(nèi)部的AD模塊轉換。通過比較Ude和Uba電壓的大小判斷電路工作于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)。當Ude>Uba時,電路工作于Buck(蓄電池充電)模式。根據(jù)Uba的大小判斷蓄電池工作于涓流充電、恒流充電還是恒壓充電方式。12V的蓄電池實際上是由6個單體蓄電池串聯(lián)而成,因此,UbaL=1.75 V6=10.5 V;Uba_H=2.256=13.5V。當蓄電池電壓過低,低于Uba_l,時,為了延長蓄電池壽命采用小電流對蓄電池充電,充電電流為,ILL=O.0l C。當蓄電池電壓升高到UbaL時轉為恒流充電,充電電流為,IL_H=O.1 C。當蓄電池電壓升高到Uba_H時(13.5V),轉為恒壓充電,充電電壓為13.5V,此時充電電流應該繼續(xù)減小。這里對于12V,100A.h的蓄電池來說。C=100A。當UdcUba時,電路工作于Boost(蓄電池放電)模式。
2.2 三級充電模式
傳統(tǒng)蓄電池大多采用兩級充電模式,這種充電模式對于深度放電的蓄電池來說(蓄電池單體電壓低于1.75V)是不夠的。本裝置在恒流、恒壓充電模式之前增加了涓流充電模式,如圖2所示。涓流充電模式對深度放電的蓄電池來說是必不可少的。
2.3 非同步采樣方法
同步采樣方法是在開關管開始工作時進行電壓、電流采樣,因為開關管動作會引起電壓、電流尖峰,采樣的數(shù)值就有很大偏差,造成系統(tǒng)不穩(wěn)定,因此,采用非同步采樣方法控制精度更高。如圖3所示,本裝置的PWM開關頻率為20kHz,通過在周期中斷程序中延時5μs,就可以避免開關管動作對采樣值產(chǎn)生影響,實現(xiàn)非同步采樣。
2.4帶滯環(huán)的PI調節(jié)器
DC/DC變換器的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)調節(jié)目標不同。動態(tài)時要求系統(tǒng)響應快,超調量小,此時要求調節(jié)器能有效控制系統(tǒng)振蕩,快速進入穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時要求系統(tǒng)穩(wěn)定性好,穩(wěn)定范圍寬。針對這兩種狀態(tài),對蓄電池充放電的PI調節(jié)實行滯環(huán)調節(jié)。
式中:f[e(k)]為PI調節(jié)函數(shù)。
當輸出誤差e(k)的絕對值比較小時,采用滯環(huán)兩點控制;當e(k)在滯環(huán)外時(誤差的絕對值較大時)采用PI調節(jié)。這樣就可以既快速又平穩(wěn)地調節(jié)蓄電池充放電了。
3 軟件設計
采用DSP的通用定時器T1、T2分別產(chǎn)生PWM,、PWM2輸出,控制S1、S2的開通和關斷,選擇連續(xù)增計數(shù)模式,產(chǎn)生PWM步驟如下:
1)根據(jù)載波周期設置TxPR;
2)設置TxCON寄存器以確定計數(shù)模式和時鐘源,并啟動PWM輸出操作;
3)將對應于PWM脈沖的在線計算寬度(占空比)的值加載到TxCMPR寄存器中。
控制主程序通過比較電路兩端電壓Uba和Uda大小來判斷蓄電池的工作方式。圖4是蓄電池充電程序流程圖,通過比較蓄電池電壓的大小來選擇充電模式。每種充電模式都包含一個滯環(huán)PI調節(jié)。圖5是蓄電池放電程序流程圖。圖6是系統(tǒng)中斷程序流程圖,當處于蓄電池充電模式時x=1,程序返回重新比較蓄電池電壓,判斷充電方式,處于放電模式時x=2,程序返回重新進行PI調節(jié)。
4 試驗結果
采用圖1的Buc-k.Boost電路,用DSPTMS320LF2407來控制的蓄電池充放電裝置,采用20kHz的采樣頻率。如圖7所示,分別為蓄電池工作于涓流充電、恒流充電、恒壓充電和放電的電壓、電流波形。
5 結語
采用電流雙向流動的Buck-Boost電路和16位DSP實現(xiàn)蓄電池充放電功能,增加了蓄電池脈沖充電模式,采用非同步采樣法,運用滯環(huán)PI調節(jié),延長了蓄電池壽命,提高了系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定度,提高了蓄電池的充電和供電質量。
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