鉛酸蓄電池自動(dòng)充放電控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了酸蓄電池自動(dòng)充放電控制器的構(gòu)成，給出了充放電時(shí)流和電壓控制策略，同時(shí)簡(jiǎn)述了軟件實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)際應(yīng)用表明，采用混合型模糊PID控制可滿(mǎn)足充放電控制速度快、精度高的要求。

關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池 充放電機(jī) 模糊控制 PID控制 單片機(jī)

鉛酸蓄電池是目前大容量電池的主要品種，在通訊、交通、電力等部分得到了廣泛應(yīng)用，但因充放電控制不合理而損壞的電池點(diǎn)相當(dāng)大的比例。若鉛酸蓄電池充放電適當(dāng)，可以工作在10～15年時(shí)間。而現(xiàn)在，許多電池在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，還是采用一些簡(jiǎn)單的充放電設(shè)備進(jìn)行充放電，不僅造成充電量不足，使電池不能發(fā)揮最大的電力效應(yīng)，而且縮短了使用壽命。為此，我們研制了鉛酸蓄電池自動(dòng)充放電控制器。

1 充放電方法

對(duì)于蓄電池的充放電應(yīng)該嚴(yán)格按要求進(jìn)行（尤其是浮充充電），根據(jù)蓄電池充放電的特性，用計(jì)算機(jī)控制其過(guò)程最為合適。

典型的蓄電池充電包含四個(gè)階段，如圖1所示。

每個(gè)階段以恒電流或恒電壓充電，依賴(lài)于電流、電壓的設(shè)定值Ib1、Ib2、Eb2。第一階段，以Ib1恒流充電，當(dāng)電壓達(dá)到Eb1時(shí)轉(zhuǎn)入第二。第二階段以電壓Eb1進(jìn)行恒壓充電，隨著電池開(kāi)路電壓的提高，電流會(huì)逐漸變小，當(dāng)充電電流達(dá)到Ib2時(shí)，轉(zhuǎn)入第三階段。第三階段以Ib2恒流充電，這時(shí)電池電壓進(jìn)一步提高，當(dāng)電壓達(dá)到Eb2時(shí)轉(zhuǎn)入第四階段。第四階段以Eb2恒壓充電，這時(shí)電流進(jìn)一步逐漸變小，當(dāng)充電安時(shí)數(shù)達(dá)到后停止。

電池的放電，主要是控制電流以給定值放電，通過(guò)三相全控整流橋回饋電網(wǎng)，當(dāng)蓄電池達(dá)到終止放電電壓時(shí)停止放電。

2 蓄電池自動(dòng)充放電控制器的構(gòu)成

蓄電池自動(dòng)充放電控制器的構(gòu)成如圖2所示，由三相全控整流橋電路、觸發(fā)板、計(jì)算機(jī)控制板、電流電壓傳感器及濾波電路構(gòu)成。三相全控整流橋電路由觸發(fā)板控制，為蓄電池組提供數(shù)百安培充放電流。觸發(fā)板由計(jì)算機(jī)控制板控制，為三相全控整流橋電路提供整流或逆變觸發(fā)脈沖。用電流分流器和電壓分壓器測(cè)得充放電過(guò)程電流和電壓信號(hào)，信號(hào)濾波后，被計(jì)算機(jī)控制板周期采樣。以16位單片計(jì)算機(jī)80C196KB為核心構(gòu)成的計(jì)算機(jī)控制板包括鍵盤(pán)、顯示電路、微型打印機(jī)、12位調(diào)節(jié)輸出電路，80C196KB通過(guò)內(nèi)嵌A/D通道采樣輸入信號(hào)，完成分段曲線(xiàn)控制。

三相全控整流橋的輸出電流是帶有紋波的直流，電流和電壓傳感器信號(hào)經(jīng)π型濾波器濾波，其輸出信號(hào)作為混合型模糊PID控制器的輸入量，濾波前的信號(hào)由計(jì)算機(jī)采樣用于快速保護(hù)。濾波器的時(shí)間常數(shù)取值為工頻電壓的周期。模糊PID控制器的控制周期取值小于工頻電壓的周期，過(guò)大會(huì)造成調(diào)節(jié)失控。過(guò)電流和過(guò)電壓的抑制與保護(hù)措施是由計(jì)算機(jī)快速封鎖觸發(fā)脈沖完成的。

3 控制策略

由于電網(wǎng)的波動(dòng)及周邊負(fù)荷的變化，在交流電的一個(gè)或多個(gè)周波內(nèi)會(huì)使充電電流出現(xiàn)躍變。自動(dòng)充放電控制器的調(diào)節(jié)功能是使充電流或電壓穩(wěn)定。電流在深放電后充電，開(kāi)始階段電池的內(nèi)阻較大，隨著充電電壓的升高，內(nèi)阻變得非常小，因此使電網(wǎng)中很小的電壓波動(dòng)也會(huì)引起充電電流較大的變化。這就要求充電控制器的調(diào)節(jié)速度要快，不然會(huì)引起跳閘，甚至損壞整流電路。在實(shí)踐中我們比較不多種控制算法，對(duì)鉛酸蓄電池充放電過(guò)程的控制，采用混合型模糊PID控制器[1～3]較合適，如圖3所示。

當(dāng)誤差e≥EP時(shí)，應(yīng)用模糊控制器調(diào)節(jié)，E、EC、U分別是偏差、偏差變化率和控制量的模糊語(yǔ)言變量。系統(tǒng)根據(jù)不同的狀態(tài)使用合適的控制規(guī)則。根據(jù)現(xiàn)時(shí)的精確量e、ec進(jìn)行模糊化，由模糊控制規(guī)則計(jì)算出模糊控制變量U，把計(jì)算出的模糊控制變量U精確化，加到控制對(duì)象上。偏差和偏差變化率為：

e(n)=y(n)-r(n) (1)

ec(n)=e(n)-e(n-1) (2)

這里，r(n)為nT時(shí)刻控制系統(tǒng)的設(shè)定值，y(n)為nT時(shí)刻控制系統(tǒng)的輸出，e(n)為nT時(shí)刻控制系統(tǒng)的偏差，ec(n)為nT時(shí)刻控制系統(tǒng)的偏差變化率，T為采樣周期。E、EC、U的模糊子集規(guī)定為：E={NB，NM，NS，PS，PM，PB}，EC={NB,NM,NS,PS,PM,PB}。

模糊控制器的控制規(guī)則采用條件語(yǔ)句形式，表達(dá)為：

if Ei and Ecj then Uk.

根據(jù)實(shí)際調(diào)試和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出模糊控制規(guī)則，共計(jì)36條。采用Mamdani推理合成算法，用重心法進(jìn)行模糊判決，從而計(jì)算出精確輸出量u。根據(jù)上述規(guī)則，對(duì)于所有輸入組合和狀態(tài)值進(jìn)行離線(xiàn)計(jì)算，得控制表存于E2PROM中。在模糊控制過(guò)程中根據(jù)e、ec查相應(yīng)的控制表，得輸出控制量。

當(dāng)誤差eEP時(shí)，應(yīng)用增量式PID控制器調(diào)節(jié)：

Δu(n)=Kp(e(n)-e(n-1))+Kie(n)+Kd(e(n)-2e(n-1)+e(n-2)) (3)

式中，Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數(shù)。而t(n)時(shí)刻的輸出量為：

u(n)=u(n-1)+Δu(n) (4)

4 系統(tǒng)軟件

整個(gè)軟件用PLM96語(yǔ)言編寫(xiě)，全部模塊化編程。利用系統(tǒng)資源提供的8個(gè)軟件定時(shí)器，設(shè)為中斷方式，驅(qū)動(dòng)8個(gè)事件。其中，軟定時(shí)器T0設(shè)為20毫秒中斷，用于驅(qū)動(dòng)恒電流或恒電壓控制。軟定時(shí)器T1用于驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)處理和充放電過(guò)程曲線(xiàn)控制。軟定時(shí)器T2用于驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)，累計(jì)充放電安時(shí)和時(shí)間。軟件中還設(shè)置不快速保護(hù)功能、軟啟動(dòng)功能和暫停后的自恢復(fù)功能。

蓄電池自動(dòng)充放電控制器的硬件與軟件設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，融為一體。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，控制器對(duì)電流和電壓的檢測(cè)精度達(dá)到0.1%，控制精度在穩(wěn)態(tài)時(shí)小于0.2%，控制過(guò)程動(dòng)態(tài)超調(diào)量小于1%，充電量計(jì)量精度小于0.14%，蓄電池的充放電合格率大為提高。

鉛酸蓄電池自動(dòng)充放電控制器的應(yīng)用使充電與放電過(guò)程自動(dòng)化，不僅顯著提高不蓄電池的生產(chǎn)質(zhì)量和使用壽命，而且節(jié)省電能約5%.該控制器經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用和多次修正后，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，適用于各種荷刻的工業(yè)環(huán)境。目前已經(jīng)被魯中蓄電池廠(chǎng)和淄博蓄電池廠(chǎng)等多家廠(chǎng)商采用。