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        電力機(jī)車蓄電池溫度補(bǔ)償充電控制電路的設(shè)計(jì)

        2021-06-03 06:13:26李華柏謝永超
        電源技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:控制電路環(huán)境溫度使用壽命

        李華柏,謝永超,鄧 智

        (1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南株洲 412001;2.廣州機(jī)車檢修段,廣東廣州 510000)

        蓄電池是機(jī)車上備用電源,它與電源柜并聯(lián)運(yùn)行,起著十分重要的作用。在升弓以前,提供機(jī)車所需的電能,升弓以后,機(jī)車電源柜(PSU)充電電路對(duì)蓄電池補(bǔ)充電。每臺(tái)機(jī)車備用電源由48 節(jié)DLM-170 型單體蓄電池串聯(lián)組成,單體為閥控式密封鉛酸蓄電池,容量170 Ah,額定電壓2 V。

        某機(jī)務(wù)段HXD3 機(jī)車自上線運(yùn)用以來(lái),發(fā)生較多的蓄電池虧電與鼓脹現(xiàn)象,部分蓄電池提前失效,使用壽命縮短。故障分析認(rèn)為PSU 裝置的輸出電流太小,不能滿足快速充電要求,導(dǎo)致電池組長(zhǎng)期虧電狀態(tài)下使用;PSU 蓄電池充電環(huán)境溫度補(bǔ)償功能出現(xiàn)異常,無(wú)法正常充電,有可能使電池組過(guò)充,也可能欠充,非正常使用會(huì)使蓄電池使用壽命縮短。

        一般情況下,機(jī)車PSU 要同時(shí)為機(jī)車供電和給蓄電池組充電,設(shè)計(jì)最大輸出電流55 A(25 ℃)。蓄電池充電電流需要25~34 A,機(jī)車控制系統(tǒng)工作需要30 A。當(dāng)需求電流大于55 A 時(shí)觸發(fā)PSU 輸出保護(hù),導(dǎo)致PSU 在限流區(qū)工作,蓄電池充電不足。

        本文針對(duì)此情況,制定了蓄電池溫度自動(dòng)補(bǔ)償充電控制電路,該電路可以提高充電質(zhì)量,保證機(jī)車蓄電池組的正常運(yùn)行使用。

        1 蓄電池充電模式的管理

        PSU 是機(jī)車的直流電源柜,它除了給機(jī)車提供DC 110 V控制電源,還需要對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充電。電源柜根據(jù)蓄電池的電壓與荷電情況手動(dòng)或自動(dòng)切換均衡充電、快速充電和浮充電三種模式。

        1.1 浮充方式

        當(dāng)蓄電池電壓U0>108 V,按浮充方式充電。25 ℃時(shí),浮充電壓為108 V(2.25 V/單節(jié)),電流設(shè)置為0.15C(25.5 A),確保蓄電池滿荷電狀態(tài)。

        1.2 均衡充電模式

        當(dāng)蓄電池的浮充電壓產(chǎn)生偏差,會(huì)造成蓄電池組充電不足,蓄電池長(zhǎng)期充電不足將降低蓄電池的使用壽命。當(dāng)靜態(tài)開(kāi)路擱置3 個(gè)月以上、連續(xù)工作3 個(gè)月或全浮充運(yùn)行2 個(gè)月,需對(duì)蓄電池均衡充電。均衡充電時(shí),PSU 設(shè)置充電電壓112.8 V(2.35 V/單節(jié),25 ℃),電流0.1C(17 A),充電24 h。

        1.3 快速充電模式

        蓄電池有時(shí)采用快速充電模式充電??焖俪潆娔J接?種,模式一見(jiàn)圖1,模式二見(jiàn)圖2。

        圖1 快速充電模式一(25 ℃)

        圖2 快速充電模式二(25 ℃)

        模式一充電,蓄電池組帶載電壓U>96 V,以110 V(2.29 V/節(jié))、25.5 A 進(jìn)行恒流充電;當(dāng)U=110 V 時(shí),進(jìn)入恒壓充電階段;這時(shí)充電電流逐慚減小,當(dāng)充電電流I<7 A 時(shí),轉(zhuǎn)為浮充方式;浮充電壓108 V(2.25 V/節(jié)),浮充至電流連續(xù)3 h 不再下降,充電過(guò)程結(jié)束[1-2]。為了延長(zhǎng)電池使用壽命,一般不連續(xù)使用模式一。

        模式二充電,蓄電池組帶載電壓U≤96 V,以112.8 V(2.35 V/節(jié))、34 A 進(jìn)行恒壓限流充電;當(dāng)U≥112.8 V 時(shí)轉(zhuǎn)為恒壓充電;當(dāng)充電電流I<25.5 A 時(shí),轉(zhuǎn)為110 V(2.29 V/節(jié))恒壓充電;當(dāng)I<7 A 時(shí),轉(zhuǎn)為108 V(2.25 V/節(jié))進(jìn)行浮充充電。此模式可以連續(xù)使用。

        2 溫度自動(dòng)補(bǔ)償充電控制方法

        2.1 充電電壓、溫度與使用壽命的關(guān)系

        機(jī)車蓄電池主要是浮充使用,電池的使用壽命與浮充電壓及環(huán)境溫度有較大的關(guān)系。電池使用壽命/設(shè)計(jì)壽命與浮充電壓的關(guān)系見(jiàn)圖3。當(dāng)浮充電壓為2.25 V 時(shí),使用壽命最長(zhǎng)。浮充電壓過(guò)高,蓄電池內(nèi)部溫度升高,容易引起失水;浮充充電電壓過(guò)低,蓄電池可能充電不足,長(zhǎng)此以往使用壽命變短。蓄電池浮充壽命與溫度關(guān)系見(jiàn)圖4。由圖4 可見(jiàn),環(huán)境溫度越高,浮充壽命越短。

        圖3 電池使用壽命/設(shè)計(jì)壽命與浮充電壓的關(guān)系[3]

        圖4 電池使用壽命與溫度的關(guān)系[3]

        研究表明,閥控式密封鉛酸蓄電池充電過(guò)程中的失水是導(dǎo)致蓄電池失效的主要因素之一。長(zhǎng)期浮充電壓過(guò)高,氣體析出量增加,再化合效率降低,引起失水。同時(shí)過(guò)充導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部溫度增加,而負(fù)極上產(chǎn)生的氫在電池內(nèi)部積累,產(chǎn)生的壓力使安全閥處于開(kāi)啟狀態(tài),增加水的揮發(fā),進(jìn)一步造成失水[3]。

        2.2 溫度補(bǔ)償原理

        根據(jù)蓄電池使用壽命與浮充電壓、溫度之間相關(guān)性,當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí),只用恒壓充電,蓄電池可能無(wú)法滿充電;當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí),較高充電電壓會(huì)使蓄電池過(guò)充,極板逐漸軟化甚至有活性物質(zhì)脫落,電池失水、過(guò)熱,嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致電池鼓脹。

        蓄電池充電電壓應(yīng)隨溫度變化進(jìn)行調(diào)整,補(bǔ)償蓄電池在不同溫度情況下的化學(xué)反應(yīng)活性,保證充電的正常進(jìn)行。蓄電池最佳使用溫度為25 ℃。其浮充、快充、均充電壓都以25 ℃為基準(zhǔn)。環(huán)境溫度高于或低于25 ℃時(shí),需要采用溫度補(bǔ)償方法對(duì)充電電壓進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償,浮充與快充電壓溫度補(bǔ)償系數(shù)為每單節(jié)-3 mV/℃。均衡充電電壓按每單節(jié)-4 mV/℃進(jìn)行補(bǔ)償。

        本文采用TMS320F 2812PGFA 處理器作為控制核心,設(shè)計(jì)蓄電池的溫度監(jiān)測(cè)與電壓自動(dòng)補(bǔ)償裝置。

        2.3 充電溫度補(bǔ)償方法

        式(1)為溫度補(bǔ)償計(jì)算公式:

        式中:V補(bǔ)償為蓄電池組的電壓補(bǔ)償值;k為溫度補(bǔ)償系數(shù),浮充與快充時(shí)k=0.003,均充時(shí)k=0.004;θo為環(huán)境溫度。

        按照式(1)進(jìn)行溫度線性補(bǔ)償,一方面受制于蓄電池組的溫度、電壓、電流的測(cè)量精度要求,另一方面會(huì)增加控制的難度與復(fù)雜性。參考蓄電池性能參數(shù),綜合考慮充電效果與控制方式,本文對(duì)浮充與均衡充電采用階段式溫度補(bǔ)償,以每5 ℃的變化范圍作為區(qū)間進(jìn)行電壓補(bǔ)償,如表1、表2 所示。

        表1 浮充方式階段電壓調(diào)整值

        表2 均充方式階段式電壓調(diào)整值

        對(duì)于快速充電模式,充電電壓為多段設(shè)置,可根據(jù)式(1)對(duì)充電電壓進(jìn)行線性溫度補(bǔ)償。

        2.4 基于TMS320F2812 溫度補(bǔ)償控制電路

        2.4.1 溫度補(bǔ)償控制電路組成

        溫度補(bǔ)償控制電路以DSP-TMS320F 2812PGFA 為核心,補(bǔ)償控制電路原理見(jiàn)圖5。溫度傳感器、電流傳感器和電壓測(cè)量模塊完成對(duì)電壓、電流、溫度的采樣,數(shù)據(jù)傳送給處理器,進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理。處理器輸出控制信號(hào)與電壓調(diào)整模塊的控制端相連,完成對(duì)電壓的調(diào)整。監(jiān)視模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視、故障報(bào)警等功能[4]。

        圖5 蓄電池充電溫度自動(dòng)補(bǔ)償電路原理

        充電控制界面采用觸摸屏形式,觸摸屏通過(guò)串口與DSP處理器進(jìn)行通訊,控制操作的菜單可以選擇均充、浮充和快充模式。顯示屏顯示控制參數(shù)及監(jiān)測(cè)參數(shù),并循環(huán)顯示三個(gè)溫度傳感器實(shí)時(shí)溫度和平均溫度。

        為防止單個(gè)溫度傳感器虛接或開(kāi)路故障導(dǎo)致的溫度補(bǔ)償異常,電路中配置三路溫度傳感采樣電路,每個(gè)溫度采樣電路與處理器的A/D 采樣口獨(dú)立連接。機(jī)車配置電池組,裝在三層框架式機(jī)箱內(nèi),每層蓄電池安裝一個(gè)DS18B20 溫度傳感器。將三個(gè)傳感器取樣結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。溫度正常波動(dòng)時(shí),取平均值作為溫度補(bǔ)償值。若其中一個(gè)傳感器數(shù)據(jù)異常,則取其它兩個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。最后利用平均溫度θo來(lái)計(jì)算溫度補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)精度的優(yōu)化。

        2.4.2 溫度補(bǔ)償控制

        在觸摸屏上設(shè)置充電模式。蓄電池均充與浮充時(shí),處理器根據(jù)實(shí)測(cè)溫度,確定溫度區(qū)間,然后發(fā)出PWM 脈沖控制信號(hào),使PSU 充電單元輸出與溫度區(qū)間相對(duì)應(yīng)充電電壓;若實(shí)測(cè)溫度超出溫度閾值則報(bào)警,并自動(dòng)調(diào)整至浮充電壓進(jìn)行充電。溫度電壓補(bǔ)償控制閾值見(jiàn)表1、表2。

        快充模式下,處理器預(yù)設(shè)兩種快充充電電壓曲線,并根據(jù)實(shí)測(cè)溫度,按式(1)進(jìn)行溫度補(bǔ)償與電壓調(diào)整。

        充電電壓溫度補(bǔ)償具體流程如下:

        A 設(shè)定帶載充電電壓臨界值U0=96 V,調(diào)用25oC 快速充電模式一與模式二的溫度-電壓曲線,按表1 與表2 設(shè)定階段溫度區(qū)間;

        B 測(cè)量蓄電池實(shí)際電壓U1和環(huán)境溫度θ0;

        C 通過(guò)觸摸屏設(shè)定充電模式,可選均衡充電、浮充、快充等模式。選擇快充模式時(shí),進(jìn)入步驟D,選擇均衡充電模式進(jìn)入步驟G,否則進(jìn)行步驟H;

        D 快充模式,如果U1>U0,進(jìn)入下一步驟E;否則,進(jìn)入步驟F;

        E 按快充模式一曲線進(jìn)行充電(見(jiàn)圖2),依據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得溫度θ0,按式(1)進(jìn)行線性溫度補(bǔ)償,輸出控制信號(hào),調(diào)整充電電壓;

        F 按快充模式二曲線進(jìn)行充電(見(jiàn)圖3),依據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得溫度θ0,按式(1)進(jìn)行線性溫度補(bǔ)償,輸出控制信號(hào)調(diào)整充電電壓;

        G 均衡充電,依據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得溫度θ0,判斷溫度區(qū)間,單片機(jī)輸出控制信號(hào),根據(jù)表2 調(diào)整充電電壓;

        H 單一浮充充電,依據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得溫度θ0,判斷溫度區(qū)間,單片機(jī)輸出控制信號(hào),根據(jù)表1 調(diào)整充電電壓。

        3 實(shí)驗(yàn)分析

        為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性,人為改變環(huán)境溫度,對(duì)系統(tǒng)溫度補(bǔ)償電壓自動(dòng)調(diào)整功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

        由表3 可知,采用浮充與均充模式時(shí),經(jīng)溫度補(bǔ)償,考慮測(cè)量誤差,調(diào)整后的實(shí)際充電電壓基本與表1、表2 所示階段電壓補(bǔ)償值一致。

        表3 階段溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        在快充模式下,溫度補(bǔ)償后的電壓采用線性調(diào)整,由表4可知,實(shí)際充電電壓值基本符合式(1)的線性調(diào)整規(guī)律。

        表4 快充模式二線性溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        4 結(jié)論

        在對(duì)電力機(jī)車蓄電池使用壽命與充電電壓、溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了分析基礎(chǔ)上,對(duì)充電方式進(jìn)行了優(yōu)化,設(shè)計(jì)以TMS320F 2812PGFA 為控制核心的蓄電池充電溫度自動(dòng)補(bǔ)償控制電路,依據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電壓,提高了充電質(zhì)量,保證了蓄電池組的正常使用壽命。

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