一種智能型全自動快速充電機的設計

1 充電機的現狀

    目前，礦用電機車蓄電池的充電，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小時以上，進行普通充電也需10小時以上，這種充電方式在充電過程的初期，充電電流遠小于蓄電池可接受的充電電流，因而拉長了充電時間，造成電能的浪費。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，蓄電池內部溫度升高，產生大量析氣，并形成內部硫化結晶，大大縮短了蓄電池的循環使用壽命，甚至有可能永久性地損壞電池。這不僅造成了浪費，也增加了對環境的污染。同時，這種傳統充電機采用變壓器變壓整流，可控硅控制的途徑，技術落后，設備笨重，可靠性也差。

    美國科學家馬斯通過對鉛酸蓄電池的大量試驗研究，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，充電電流逐漸按指數規律減小。讓充電機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，試驗表明，采用脈沖式的充電方式是消除各種極化現象，提高充電速度，延長蓄電池循環使用壽命的有效途徑。這種充電方式是在對蓄電池充電的過程中適時暫停充電，并適當加入放電脈沖。當電池充電停止時，電池的歐姆極化消失，濃差極化和電化學極化減弱。若能在電池充電過程中讓其反向放電，則極化現象迅速消失，電池內部溫度也會因放電而得到有效控制。脈沖電流充放電對電池極板有加強其韌性的效果，可以大大提高蓄電池的循環使用壽命。同時，由于電池極化現象的消失，脈沖電流又可以深層次地激活電池內部的活性物質，從而大幅度提高蓄電池的充電有效容量。

    當前，帶有自適應控制技術的脈沖式充電機已成為礦用電機車充電機的主要發展方向。因此，開發新一代的智能快速充電機不僅可以提高充電效率，降低使用單位的運營成本，同時也具有節能、環保等諸方面的社會意義。

2 一種智能型全自動快速充電機

2．1 電氣原理

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

    逆變主通道將380 V交流電源變換為可對電池進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，在非運行狀態時，可切斷主通道電源。輸入回路設計有軟啟動功能，避免啟動沖擊對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。

    輸出開關電路在非充電狀態下保證主通道與被充電池的隔離，防止發生反接造成的危險。

    放電電路實現"充-停-放-停-充"的充電方式，從而改善電池的充電效果和恢復電池的性能。此外，還可以對電能未消耗完的待充電池進行放電處理。

    控制單元接收來自對話單元給定的參數和命令，并通過對主通道各相關參數的實時檢測，動態控制主通道的工作，實現要求的充電功能和充電進程。同時為設備提供多種保護。

    控制單元采用最新嵌入式內核芯片ARM設計。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、軟啟動、輸出開關、輸出電容放電和ZVT-PWM變換控制等。

    控制單元與對話單元之間為RS232全雙工通信。控制單元接收來自對話單元的各種控制命令，并向對話單元實時發送數據。

    對話單元是整機操作平臺，接收并實現操作者的各種工作指令，完成各種工作方式的參數設定、記憶及各種動靜態參數顯示。對話單元由控制芯片、LCM、參數存儲器和操作按鍵組成。

    當充電機進入工作狀態時，設備首先進行自檢。自檢項目包括充電電池是否反接、主通道各部分是否正常。

    自檢結果將發送給對話單元。

    自檢正常時，設備處于待命狀態，準備接收由對話單元發來的各種命令及參數，并按要求開始相應的工作進程。

    自檢故障時，對話單元顯示故障編號，等待檢修。

2．2 工作方式

    智能型全自動快速充電機設計了三種工作方式：便捷方式、智能方式和放電方式。

    便捷方式。一種常規的恒流限壓定時充電工作方式，此方式工作時，充電機以設定電流向負載電瓶恒流充電，當充電電壓達到限制電壓時，電壓不再上升，而充電電流逐漸減小。當充電時間達到設定時間時，充電機自動結束充電過程。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。一種針對不同規格型號的電池采取不同整定參數充電的工作方式。而對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、定時間的自動充電方式。主要為新電池初充設計。此模式充電，兩階段電流均不宜過大。

    b．恒流模式。開始充電時為恒流工作，當電壓升高到設定值時轉入穩壓工作，當充電時間達到設定時間或充電容量滿時自動停止充電，這是基本進程。當充電時間足夠長時，基本進程會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。快速模式包含三個順序階段：恒流、恒壓和小電流維持。恒流段以大電流充電為特征，當充電量達到設定容量或充電時間達到設定值或電壓升至限定值時結束，轉入恒壓段。恒流段可使電瓶恢復80％左右的容量。恒壓段則維持恒流充電結束時的電壓，而電流逐漸減小，當恒壓充電達到設定時間時，自動轉入維持充電過程。快速模式和恒流模式一樣，當充電時間足夠長時，基本進程會疊加周期性的放電脈沖，疊加后的充電過程為"充-停-放-停-充"。恒壓過程結束時，電瓶容量可恢復95％以上。當充電進程轉入維持充電過程時，脈沖疊加停止。放電方式是為人工對電瓶放電而設計的功能。進入該方式時，電瓶按照設定電流放電，當電瓶電壓降到設定值時自動停止放電。

2．3 技術性能和參數

    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)具有電池反接保護功能；
    8)具有過流、過載、短路和超溫等保護功能；

3 結語

    本設計以大功率IGBT為核心，嵌入先進的智能控制系統，在充電過程中實時檢測電池的充電情況，自動調整充電參數，實現最佳的模式控制。通過"充-停-放-停-充"的脈沖充電方式，實現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，延長了電池的使用壽命，同時設備還具有自檢及多種保護功能，有著廣闊的應用前景。■