羅冰洋，徐文靜，劉思寧，莫易敏

(1.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430070;2.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430070)

蓄電池作為一種充電裝置，具有電壓穩(wěn)定、充電可靠、攜帶便捷等優(yōu)勢(shì)［1］。目前，隨著低碳經(jīng)濟(jì)的興起，電動(dòng)機(jī)車(chē)發(fā)展迅猛，由于鉛蓄電池具有比其他電池更成熟可靠、更安全、更長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)輛充電設(shè)備中［2］。

蓄電池的充放電技術(shù)與其應(yīng)用有著密切聯(lián)系，如今過(guò)充或者欠充的現(xiàn)象非常普遍，為了提高蓄電池的壽命及充電效率，需要一個(gè)最優(yōu)的充電過(guò)程控制。該研究基于恒流恒壓充電技術(shù)，結(jié)合PLC的強(qiáng)大功能來(lái)達(dá)到智能控制的目的。

1 蓄電池充電方式

1.1 恒流充電(CC)

恒流充電即充電全程電流恒定，當(dāng)蓄電池基本充滿以后還能以很小的電流對(duì)蓄電池繼續(xù)充電，使極板內(nèi)部較多的活性物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)［3］。

1.2 恒壓充電(CV)

恒壓充電即充電過(guò)程中充電電壓保持不變，充電電流隨著蓄電池端電動(dòng)勢(shì)的升高而逐漸減小。在充電初期，由于蓄電池電動(dòng)勢(shì)較低，充電電流較大，因而充電快速。在恒壓充電過(guò)程中，電流無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)，也沒(méi)有去極化措施，在充電后期，充電電流較小，極板深處的活性物質(zhì)不能恢復(fù)，因此可能導(dǎo)致蓄電池的欠充現(xiàn)象［4］。

1.3 恒流恒壓充電(CC-CV)

圖1 蓄電池固有充電曲線

圖1為蓄電池的固有充電曲線，實(shí)際的充電曲線能與之吻合，能保證蓄電池充滿而不過(guò)充，對(duì)蓄電池本身也是一種維護(hù)，可提高電池的壽命和使用次數(shù)［5］。為此，該設(shè)計(jì)采用恒流恒壓兩階段充電模式。

當(dāng)接收到充電命令后，控制信號(hào)電壓快速上升，充電電壓上升，直到充電電流I達(dá)到設(shè)定值，停止升壓，并暫時(shí)保持電壓不變;當(dāng)I與設(shè)定電流出現(xiàn)偏差時(shí)，通過(guò)改變控制信號(hào)電壓V，改變充電電流，使充電電流基本恒定，此時(shí)，充電機(jī)工作在恒流充電狀態(tài)。

當(dāng)蓄電池充電電壓達(dá)到設(shè)定值，即電壓上升至115 V時(shí)，保持蓄電池充電電壓不變，轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)。此時(shí)，充電電流慢慢下降，當(dāng)充電電流達(dá)到設(shè)定電流值時(shí)，充電完成，控制電壓快速回零。

根據(jù)該種模式，在充電前期采用恒流充電方法，可限制蓄電池充電的最大電流;在充電后期采用定電壓補(bǔ)足充電法，即恒壓充電，可有效避免過(guò)充和欠充現(xiàn)象，延長(zhǎng)電池使用壽命，使機(jī)車(chē)電池的維護(hù)管理工作更加科學(xué)化和智能化［6］。

2 充電機(jī)硬件總設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)電源實(shí)驗(yàn)裝置的主要技術(shù)指標(biāo):輸入電壓為交流380 V，10 kVA，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為0～150 V(DC)，輸出電流調(diào)節(jié)范圍為0～100 A(DC)，環(huán)境溫度要求為-20℃ ～+45℃。

充電機(jī)功能要求:該系統(tǒng)需要將所有設(shè)備都集成在柜體內(nèi)部，具有噪聲低、搬運(yùn)方便等特點(diǎn)，用HMI人機(jī)界面進(jìn)行控制，為用戶提供良好、直觀的操作界面，使充電工作變得輕松和簡(jiǎn)單［7］。在充電過(guò)程中顯示充電電壓、充電電流、充電時(shí)間等，并顯示充電曲線，方便用戶觀察蓄電池充電特性。該機(jī)只需要對(duì)電池類(lèi)型(電力機(jī)車(chē)用、內(nèi)燃機(jī)車(chē)用)進(jìn)行簡(jiǎn)單選擇，按下充電按鈕，系統(tǒng)便可自行完成充電全過(guò)程，可自動(dòng)判斷是否充滿電，充滿電后自動(dòng)停止充電，同時(shí)具有故障自檢測(cè)功能，對(duì)電流、電壓的輸入和過(guò)載情況中出現(xiàn)的故障可以及時(shí)反應(yīng)。

充電機(jī)硬件設(shè)計(jì)總框圖如圖2所示。

圖2 充電機(jī)硬件設(shè)計(jì)總框圖

在圖2中，控制器是整個(gè)充電機(jī)的核心，在該設(shè)計(jì)中，選擇了松下FPO系列的PLC控制器［8］，除了接收傳感單元輸送的電壓、電流信號(hào)外，通過(guò)FPO的梯形圖編程軟件對(duì)整個(gè)充電機(jī)的恒流恒壓充電進(jìn)行智能控制，以達(dá)到設(shè)備的功能要求。

HMI人機(jī)交互界面是PLC控制器的上位機(jī)，對(duì)智能控制的狀態(tài)進(jìn)行顯示，實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)觸摸操作對(duì)充電機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定及電壓電流數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)打印等。

繼電器模塊與PLC合作，控制整個(gè)電路的通斷及導(dǎo)通動(dòng)作，其中還包含風(fēng)扇及顯示燈等附屬裝置。

3 電源主電路設(shè)計(jì)

圖3 主電路原理圖

主電路原理圖如圖3所示。主電路由繼電器、整流變頻單元及傳感電路組成，輸入380 V的交流電壓。其中，整流單元包括變壓器，對(duì)直接輸入進(jìn)來(lái)的高壓起著緩沖和隔離的作用［9］，然后進(jìn)入整流電路，由匹配的觸發(fā)板對(duì)其進(jìn)行觸發(fā);輸出的電壓和電流各自由傳感模塊向外輸出。

4 充電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

充電機(jī)的PLC控制器選用松下FPO系列，控制部分電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 控制部分電路原理圖

電壓、電流信號(hào)經(jīng)過(guò)檢測(cè)設(shè)備將信號(hào)輸入PLC控制器，當(dāng)充電的控制信號(hào)下達(dá)后，系統(tǒng)初始化，Y1輸出，繼電器J1閉合，各項(xiàng)工作有序開(kāi)始，與PLC連接的外部設(shè)備如風(fēng)扇、顯示燈及報(bào)警器等都會(huì)適時(shí)地給出反應(yīng)。當(dāng)充電完成時(shí)，繼電器會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，恒流恒壓充電方法的智能實(shí)現(xiàn)由PLC內(nèi)置的編程語(yǔ)言進(jìn)行控制，在智能充電的整個(gè)過(guò)程中，由HMI觸摸屏與PLC相連，實(shí)時(shí)地顯示及操作。

5 充電機(jī)軟件設(shè)計(jì)

該智能充電機(jī)的軟件控制需要滿足的要求為:點(diǎn)擊充電按鈕，開(kāi)始充電，充電指示燈亮。在程序中，采用PID控制［10］，設(shè)定閾值為115 V，當(dāng)電壓值小于115 V時(shí)，保持恒定的電流，電壓值不斷上升，此時(shí)便為恒流充電狀態(tài);當(dāng)電壓值達(dá)到115 V時(shí)，根據(jù)PID程序判斷，進(jìn)入恒壓充電程序，進(jìn)而執(zhí)行恒壓充電模式;當(dāng)檢測(cè)到電流小于設(shè)定值即恒流電流的1/4后則充電停止，即認(rèn)為充電完成。充電完成后紅燈閃爍，點(diǎn)擊“完成”按鍵，則紅燈停止閃爍。

根據(jù)以上的要求，采用FPO系列PLC編寫(xiě)梯形圖語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件控制［11］。其主要思想是:利用PID程序判斷閾值，控制充電模式的轉(zhuǎn)換，同時(shí)通過(guò)連接繼電器實(shí)現(xiàn)各個(gè)充電柜顯示、報(bào)警、通斷等功能。程序流程圖設(shè)計(jì)如圖5所示。

6 結(jié)論

筆者對(duì)恒流恒壓的充電方法進(jìn)行了分析，利用PLC的智能控制設(shè)計(jì)出供大功率機(jī)車(chē)充電的設(shè)備，從而避免欠充、過(guò)充等現(xiàn)象。同時(shí)，使用HMI人機(jī)交換界面顯示，操作方便、直觀。系統(tǒng)試運(yùn)行性能穩(wěn)定，情況良好，達(dá)到了預(yù)期的目的。

但是該充電機(jī)依賴于PLC內(nèi)部程序控制，調(diào)試人員必須現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)PLC程序的修改來(lái)解決各項(xiàng)具體問(wèn)題，以達(dá)到個(gè)性化使用該充電機(jī)的目的。

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