一種智能型全自動(dòng)快速充電機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

　　1 充電機(jī)的現(xiàn)狀

　　目前，礦用電機(jī)車蓄電池的充電，無論是恒流充電、恒壓充電或是先恒流再恒壓的分段式充電，都有一個(gè)共同的問題，就是這種小電流慢充方式，蓄電池初充需70小時(shí)以上，進(jìn)行普通充電也需10小時(shí)以上，這種充電方式在充電過程的初期，充電電流遠(yuǎn)小于蓄電池可接受的充電電流，因而拉長(zhǎng)了充電時(shí)間，造成電能的浪費(fèi)。而在充電過程的后期，充電電流又大于蓄電池可接受的電流，蓄電池內(nèi)部溫度升高，產(chǎn)生大量析氣，并形成內(nèi)部硫化結(jié)晶，大大縮短了蓄電池的循環(huán)使用壽命，甚至有可能永久性地?fù)p壞電池。這不僅造成了浪費(fèi)，也增加了對(duì)環(huán)境的污染。同時(shí)，這種傳統(tǒng)充電機(jī)采用變壓器變壓整流，可控硅控制的途徑，技術(shù)落后，設(shè)備笨重，可靠性也差。

　　美國(guó)科學(xué)家馬斯通過對(duì)鉛酸蓄電池的大量試驗(yàn)研究，提出了一條鉛酸蓄電池可接受的充電電流曲線。在充電過程的初期，蓄電池可接受的充電電流很大。隨著充電過程的延續(xù)，充電電流逐漸按指數(shù)規(guī)律減小。讓充電機(jī)的充電電流按這樣一條理想電流曲線變化，就可以最大限度的提高充電效率。同時(shí)，試驗(yàn)表明，采用脈沖式的充電方式是消除各種極化現(xiàn)象，提高充電速度，延長(zhǎng)蓄電池循環(huán)使用壽命的有效途徑。這種充電方式是在對(duì)蓄電池充電的過程中適時(shí)暫停充電，并適當(dāng)加入放電脈沖。當(dāng)電池充電停止時(shí)，電池的歐姆極化消失，濃差極化和電化學(xué)極化減弱。若能在電池充電過程中讓其反向放電，則極化現(xiàn)象迅速消失，電池內(nèi)部溫度也會(huì)因放電而得到有效控制。脈沖電流充放電對(duì)電池極板有加強(qiáng)其韌性的效果，可以大大提高蓄電池的循環(huán)使用壽命。同時(shí)，由于電池極化現(xiàn)象的消失，脈沖電流又可以深層次地激活電池內(nèi)部的活性物質(zhì)，從而大幅度提高蓄電池的充電有效容量。

　　當(dāng)前，帶有自適應(yīng)控制技術(shù)的脈沖式充電機(jī)已成為礦用電機(jī)車充電機(jī)的主要發(fā)展方向。因此，開發(fā)新一代的智能快速充電機(jī)不僅可以提高充電效率，降低使用單位的運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)也具有節(jié)能、環(huán)保等諸方面的社會(huì)意義。

　　2 一種智能型全自動(dòng)快速充電機(jī)

　　2．1 電氣原理

　　充電機(jī)電氣原理框圖見圖1。電氣原理分為三大部分，即逆變主通道、檢測(cè)控制單元和對(duì)話單元(顯示操作單元)。

　　逆變主通道將380 V交流電源變換為可對(duì)電池進(jìn)行充電的可控直流電源，由輸入回路、工頻整流濾波電路、移相全橋(ZVT-PWM)變換電路、高頻整流電路濾波電路、輸出回路及放電回路組成。

　　輸入回路即供電回路，在非運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可切斷主通道電源。輸入回路設(shè)計(jì)有軟啟動(dòng)功能，避免啟動(dòng)沖擊對(duì)回路元件造成的損傷。

　　工頻整流濾波電路將380 V交流電整流為約550 V的直流電，如圖2所示。

　　移相全橋功率變換電路是主通道的核心，完成從直流到交流再到直流的變換。如圖3所示。通過改變橋臂IGBT控制信號(hào)的相位，來改變耦合到高頻變壓器的波形寬度，從而改變輸出給被充電池的電流、電壓值。

　　高頻整流濾波電路將高頻變壓器副邊的高頻交流電，整流為電池充電要求的平滑直流電。

　　輸出開關(guān)電路在非充電狀態(tài)下保證主通道與被充電池的隔離，防止發(fā)生反接造成的危險(xiǎn)。

　　放電電路實(shí)現(xiàn)"充-停-放-停-充"的充電方式，從而改善電池的充電效果和恢復(fù)電池的性能。此外，還可以對(duì)電能未消耗完的待充電池進(jìn)行放電處理。

　　控制單元接收來自對(duì)話單元給定的參數(shù)和命令，并通過對(duì)主通道各相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，動(dòng)態(tài)控制主通道的工作，實(shí)現(xiàn)要求的充電功能和充電進(jìn)程。同時(shí)為設(shè)備提供多種保護(hù)。

　　控制單元采用最新嵌入式內(nèi)核芯片ARM設(shè)計(jì)。采集模擬量為：4路溫度、輸出電流、放電電流、輸出電壓和電池電壓。控制量為：輸入開關(guān)、軟啟動(dòng)、輸出開關(guān)、輸出電容放電和ZVT-PWM變換控制等

　　控制單元與對(duì)話單元之間為RS232全雙工通信。控制單元接收來自對(duì)話單元的各種控制命令，并向?qū)υ拞卧獙?shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　對(duì)話單元是整機(jī)操作平臺(tái)，接收并實(shí)現(xiàn)操作者的各種工作指令，完成各種工作方式的參數(shù)設(shè)定、記憶及各種動(dòng)靜態(tài)參數(shù)顯示。對(duì)話單元由控制芯片、LCM、參數(shù)存儲(chǔ)器和操作按鍵組成。

　　當(dāng)充電機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，設(shè)備首先進(jìn)行自檢。自檢項(xiàng)目包括充電電池是否反接、主通道各部分是否正常。

　　自檢結(jié)果將發(fā)送給對(duì)話單元。

　　自檢正常時(shí)，設(shè)備處于待命狀態(tài)，準(zhǔn)備接收由對(duì)話單元發(fā)來的各種命令及參數(shù)，并按要求開始相應(yīng)的工作進(jìn)程。

　　自檢故障時(shí)，對(duì)話單元顯示故障編號(hào)，等待檢修。

　　2．2 工作方式

　　智能型全自動(dòng)快速充電機(jī)設(shè)計(jì)了三種工作方式：便捷方式、智能方式和放電方式。

　　便捷方式。一種常規(guī)的恒流限壓定時(shí)充電工作方式，此方式工作時(shí)，充電機(jī)以設(shè)定電流向負(fù)載電瓶恒流充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到限制電壓時(shí)，電壓不再上升，而充電電流逐漸減小。當(dāng)充電時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，充電機(jī)自動(dòng)結(jié)束充電過程。此種模式充電，電流不宜超過100 A，否則電瓶不易充滿，且析氣量大。

　　智能方式。一種針對(duì)不同規(guī)格型號(hào)的電池采取不同整定參數(shù)充電的工作方式。而對(duì)每一種電池又有三種充電模式，即初充模式、恒流模式和快速模式。

　　a．初充模式。為兩階段的定電流、定時(shí)間的自動(dòng)充電方式。主要為新電池初充設(shè)計(jì)。此模式充電，兩階段電流均不宜過大，

　　b．恒流模式。開始充電時(shí)為恒流工作，當(dāng)電壓升高到設(shè)定值時(shí)轉(zhuǎn)入穩(wěn)壓工作，當(dāng)充電時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間或充電容量滿時(shí)自動(dòng)停止充電，這是基本進(jìn)程。當(dāng)充電時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，基本進(jìn)程會(huì)疊加周期性的放電脈沖，疊加后的充電過程為"充-停-放-停-充"。

　　c． 快速模式?？焖倌Ｊ桨齻€(gè)順序階段：恒流、恒壓和小電流維持。恒流段以大電流充電為特征，當(dāng)充電量達(dá)到設(shè)定容量或充電時(shí)間達(dá)到設(shè)定值或電壓升至限定值時(shí)結(jié)束，轉(zhuǎn)入恒壓段。恒流段可使電瓶恢復(fù)80％左右的容量。恒壓段則維持恒流充電結(jié)束時(shí)的電壓，而電流逐漸減小，當(dāng)恒壓充電達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入維持充電過程。快速模式和恒流模式一樣，當(dāng)充電時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，基本進(jìn)程會(huì)疊加周期性的放電脈沖，疊加后的充電過程為"充-停-放-停-充"。恒壓過程結(jié)束時(shí)，電瓶容量可恢復(fù)95％以上。當(dāng)充電進(jìn)程轉(zhuǎn)入維持充電過程時(shí)，脈沖疊加停止。放電方式是為人工對(duì)電瓶放電而設(shè)計(jì)的功能。進(jìn)入該方式時(shí)，電瓶按照設(shè)定電流放電，當(dāng)電瓶電壓降到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停止放電。

　　2．3 技術(shù)性能和參數(shù)

　　1)額定輸入電壓：380 VAC±10％50 Hz；

　　2)額定輸出功率：30 kW；

　　3)直流輸出電流：5-200 A；

　　4)直流輸出電壓：30～300 V；

　　5)工作模式：三種，便捷充電、智能充電和自動(dòng)放電。智能充電模式分為三種充電方式，即初充方式、恒流方式和快速方式；

　　6)具有自檢功能；

　　7)具有電池反接保護(hù)功能；

　　8)具有過流、過載、短路和超溫等保護(hù)功能；

　　3 結(jié)語

　　本設(shè)計(jì)以大功率IGBT為核心，嵌入先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)，在充電過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)電池的充電情況，自動(dòng)調(diào)整充電參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳的模式控制。通過"充-停-放-停-充"的脈沖充電方式，實(shí)現(xiàn)了可控的去極化功能和最佳的充電工藝要求，提高了充電效率和電池的充電容量，延長(zhǎng)了電池的使用壽命，同時(shí)設(shè)備還具有自檢及多種保護(hù)功能，有著廣闊的應(yīng)用前景。