潘世麗，湯淋淋

（硅湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 昆山 215332）

0 引言

電力機車的安全性、可靠性很大一部分是取決于蓄電池技術(shù)。過去，由于技術(shù)不成熟，蓄電池的充放電、過壓、欠壓保護的檢測都是通過人工操作完成的，精度難以保證，又浪費大量人力物力。伴隨著IGBT、GRT等電力電子技術(shù)優(yōu)良開關(guān)器件的出現(xiàn)，市面上涌現(xiàn)出大量新型的功率轉(zhuǎn)換電路。本文采用80C196KB單片機，設(shè)計了基于單片機控制的蓄電池容量校核系統(tǒng)，介紹了主電路、控制電路的組成以及監(jiān)控系統(tǒng)硬件接口的工作原理。

1 設(shè)計方案

本文設(shè)計出當(dāng)電流為462 A時，蓄電池可以實現(xiàn)自動恒流充電、自動放電的電路，采用BUCK電路結(jié)構(gòu)，實時檢測蓄電池充電以及放電電流、蓄電池的容量及蓄電池組總電壓，從而自動實現(xiàn)三充兩放程序。

主電路結(jié)構(gòu)：如果實驗用三相全控橋操控技術(shù)，主電路處于整流的狀態(tài)，則蓄電池開始充電；在放電時，存儲在蓄電池里的化學(xué)能換成電能，釋放到交流電網(wǎng)，可以節(jié)約大量能量。SCR是具有不可控性的，因為源逆變易發(fā)生顛覆，所以有可能造成逆變的失敗，可靠性就會大大降低。為此，選用開關(guān)頻率高，電流穩(wěn)定精度高，可靠性高的BUCK電路結(jié)構(gòu)。

控制電路的結(jié)構(gòu)：IGBT集成模塊驅(qū)動電路—EXB841會作為優(yōu)先選擇，它在體積、效率、可靠性等方面都比分立元件的驅(qū)動更具有優(yōu)勢，而且其內(nèi)部有過流檢測及過載慢柵壓等控制功能，抗干擾能力強，保護靈敏、可靠快速。采用TL494集成芯片除了可以產(chǎn)生理想的PWM波外，其內(nèi)部集成的誤差放大器可以充分利用，形成電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器以實現(xiàn)恒流充放電。高性能的80C196單片機可以實現(xiàn)對電壓電流無誤的監(jiān)控調(diào)節(jié)，滿足了電流的高精度等一些技術(shù)問題。充電機功率因數(shù)相對較高，電流穩(wěn)定且精度高，無靜態(tài)可聽噪聲，電路相對簡單，體積較小，分量較輕，成本也較低，性價比極高。

2 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)是由三部分組合而成：BUCK為電路中心的恒流充電、放電主回路；驅(qū)動、檢測、保護回路；以單片機控制為主的監(jiān)控電路。系統(tǒng)的組成框如圖1所示。

在充電時，觸頭保持原態(tài),交流源經(jīng)過三相不控橋整流濾波過后,BUCK電路再向蓄電池組提供電力。80C196KB單片機檢測表明，電壓達到最大容量的時候,軟件控制送入一個低電平,而后接觸器線圈KM就會得電,常開閉合則相應(yīng)觸頭KM產(chǎn)生動作,常閉斷開，電路自動轉(zhuǎn)入向R0放電過程。80C196KB可以控制PWM波的占空比，外圍電路構(gòu)成的PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了恒流充放電。本系統(tǒng)還具有過壓、過流、過放電保護功能，單片機監(jiān)控系統(tǒng)具有報警功能。漢顯液晶顯示可同時顯示電壓電流狀態(tài)。單向脈動電壓的電路采用的是由二極管構(gòu)成的整流電路。該設(shè)計采用的是三相不控橋式整流方案。為了降低其中的脈動直流分量，必須采用濾波電路，將整流器輸出的脈動直流轉(zhuǎn)變成平滑的直流，同時抑制高頻干擾。

2.1 充電主回路

恒流充電機主電路如圖2所示，開關(guān)管由絕緣柵型三極管IGBT為主組合。如果IGBT的占空間比為D,且BUCK電路的輸入電壓為Ui，設(shè)置電路工作處于一種電流連續(xù)傳輸?shù)臓顟B(tài),則輸出電壓公式為U0=Ui×D；結(jié)論表示：改變占空比D就能調(diào)節(jié)BUCK電路的輸出電壓U0。

2.2 放電主回路

蓄電池的電路采用直接對電阻放電法。為保證蓄電池的使用壽命，如圖3所示的BOOST電路中，電池和電抗器串聯(lián)造成電流不可突變，蓄電池的恒流放電場合是最合適的方法，缺點是BOOST電路的占空比控制起來相對復(fù)雜。BUCK電路具有應(yīng)用廣泛、控制簡單的特點。如圖4所示，將蓄電池的脈沖放電電流轉(zhuǎn)換為恒定電流后，設(shè)置了一個LC濾波電路，目的是保證了蓄電池的電流的恒定。電阻反并聯(lián)了一個續(xù)流的二極管，目的是為了避免等效電感所引起的開關(guān)過電壓。

2.3 PWM信號產(chǎn)生電路

TL494作為第二代脈寬調(diào)制型電路，具有性能優(yōu)越、價格低廉的特點。它由振蕩器、誤差放大器、觸發(fā)器、基準和邏輯等多個電路組合而成。振蕩器的頻率由外接的Rt和Ct決定，f≈1.1/Rt×Ct。Rt可取1.8～500 kΩ，Ct取 4 700PF～10 μF, 振蕩器的頻率可達300 kHz。圖5所示為PWM波發(fā)生電路。

2.4 IGBT-驅(qū)動電路

日本富士公司生產(chǎn)的EXB841，它是一個性能良好的IGBT專用驅(qū)動芯片。該芯片主要由放大器部分、過電流模塊、5 V電壓基準部分。管腳6是通過快速二極管VD6連接到集電極。通過檢測集電極、發(fā)射級的電壓來判斷IGBT是否會出現(xiàn)短路現(xiàn)象。

如圖6所示，主開關(guān)管IGBT過電流時，EXB841的5個管腳輸出低電平，光耦VL1有輸出，EXB841的15管腳被鉗位，從而封鎖PWM信號，然后實現(xiàn)對EXB841軟關(guān)斷，實現(xiàn)對主開關(guān)管IGBT保護作用。

用電壓比較器，充電過程中，當(dāng)傳感器檢測到的值，大于允許蓄電池充電達到Vmax時，此時VD導(dǎo)通。A點電位為“0”，EXB841的15管腳就會被鉗位，從而實現(xiàn)PWM信號的封鎖。

（1）單門限電壓比較器缺點是抗干擾能力差，優(yōu)點是高靈敏和簡潔。

（2）Vfb中含有噪聲和干擾電壓時，Vo就會高低不平，導(dǎo)致比較器的不穩(wěn)定。

（3）引入正反饋網(wǎng)絡(luò)就構(gòu)成了遲滯比較器的前提是以反相輸入單門限比較器為基礎(chǔ)。

（4）正反饋的作用會使比較器的門限電壓是隨輸出電壓Vo變化。回差電壓為：

2.5 監(jiān)控電路

80C196KB單片機內(nèi)部電路主要由八通道模擬多路轉(zhuǎn)換采集模塊、10位A/D轉(zhuǎn)換器以及采樣保持電路組成。采用逐次比較方式來完成信號的轉(zhuǎn)換，并且A/D輸入的電壓控制在0～Vref參考電壓范圍。

RAM和ROM的檢測是通過CPU地址總線、數(shù)據(jù)總線以及存儲器相連的。通過送出的地址碼來選擇RAM或ROM。雙向數(shù)據(jù)通道是由數(shù)據(jù)總線、CPU和存儲器構(gòu)成。80C196KB單片機是沒有提供專門的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線的，而用P3、P4 I/O口作為16位數(shù)據(jù)和地址復(fù)用。圖7所示為單片機擴展ROM接線圖。圖8所示為單片機擴展RAM接線圖。

3 結(jié)語

本文對蓄電池的主電路、控制電路、檢測電路等多個電路結(jié)構(gòu)做了較為詳細的介紹，該系統(tǒng)的主要組成是恒流充放電主電路、監(jiān)控電路。通過80C196KB單片機的控制，系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)置好的程序，自動對蓄電池的充放電進行檢查。

這一系統(tǒng)突出的特點是充放電主回路共用一套BU CK電路裝置，通過軟件控制接觸器KM的吸合從而控制常開常閉觸頭的動作，達到兩種電路的自動切換。