矿用电机车蓄电池智能充电装置的研究.pdf

当代化工研究 Modem Chemical Research40 基础研究 2020 ・ 14 矿用电机车蓄电池智能充电装置的研究 *张_非 山西潞安环能五阳煤矿山西046200 摘要■针对目前矿井中使用的电机车蓄电池充电慢、使用时间短等问题，设计一种新型的大功率智能充电装置，采用高频开关技术对充 电装置的电路进行拓扑，选用DSP对蓄电池的状态进行采集和处理，智能充电装置是采用变化电流的充电方式进行充电，以满足不同充电 要求，将充电装置应用在实际中，结果表明智能充电装置能将充电时间大大缩短，且便捷度更高，体积更小，性能更优. 关键词蓄电池；电机车；高频开关；DSP;充电装置 中图分类号TD64 文献标识码A Research on Intelligent Battery Charging Device for Mine Electric Locomotive Zh a n g Yif e i Sh a n xi Lua n Hua n n e n g Wuya n g Co a l Min e , Sh a n xi, 046200 Abstract z Aiming at the problems ofslow charging and short service time of electric locomotive batteries used in mines at present, a new type of high-power intelligent charging device is designed. The high-frequency switch technology is adopted to topology the circuit of the charging device, and DSP is selected to collect and process the state of the battery. The intelligent charging device adopts the charging of changing current to charge to meet different charging requirements. The charging device is applied in practice, and the results show that the intelligent charging device can greatly shorten the charging time, and has higher convenience, smaller volume and better perance. Key wordsz battery\ electric locomotive\ high-frequency switch； ； DSP； ； charging device 引旨 在矿井的辅助运输中，电机车起主要作用，而电机车的 运行时间及效率主要靠蓄电池的性能来决定，如果电机车的 蓄电池充电不充分，就会降低蓄电池的性能和使用寿命，而 且在对蓄电池进行充电的过程中，会释放出对人体有害的气 体，都会对矿井安全生产带来损失，也严重影响矿井电机车 的发展。 为了对蓄电池不合理充电产生的问题进行解决，对蓄电 池的充电装置进行改进，同时考虑蓄电池的使用寿命、充电时 间以及所使用的人力物力等情况，通过对充电装置的优化，使 电机车更好地发挥作用，实现对蓄电池的智能化管理。 1 蓄电池充电原理 在对电机车蓄电池进行充电时，如果充电装置的电流比 蓄电池的额定电流大时，会使电池极板上的活性物质的导电强 度逐渐丧失，并在电池内产生大量的气泡，当电池极板被大量 的气泡冲击后，极板上的活性物质会逐渐变软甚至出现脱落现 象，导致电池发热而影响其性能和使用寿命。如果充电装置的 电流比蓄电池的额定电流小时，蓄电池的充电时间会大幅度增 加，电池极板上的活性物质不能得到完全反应，出现长时间的 充电不足，减小电池容量，提高电池温度，从而降低了电池的 使用寿命。因此，要提高蓄电池的性能，延长使用寿命，需要 选择合适的电流来进行充电，依据马斯规律切得到蓄电池的充 电电流I与充电时间t的关系曲线如图1所示。 2.智能充电装置硬件设计 根据蓄电池的充电原理閃，在充电过程中，为了减少电 池的极化现象，设计智能充电装置，根据蓄电池所能接受的 最大电流，采用高频开关电源技术进行充电，短时间去极化 方法来进行，以提高使用寿命，缩短充电时间。得到蓄电池 的智能充电装置的硬件原理图如图2所示。 O 滤波电容 cr C aC3[ C4l 全桥逆变电路 相桥式 疫流电路 骂而乜ir|G召卑g卑 输出滤 波电感 岛频林流TT 裕电池 G1 G2 G3 G4 电源板 |JTAG接I」 |通JIJI/Ol 丨 TMS320LF2407A DSP 控制板 a|igbt驱动电路 M57959 , O I PWM控制芯片 | | SG3525骡动电路| SRAM |汨反卜令阙 接触幻 c| 风扇 | 电源变换 c”- J电流检测| C |电丿k检测| 图1蓄电池可接受充电电流曲线 图2硬件原理图 ⑴主电路 主电路主要包括整流、滤波和逆变电路，其中整流电路 采用的是三相桥式整流，滤波电路是对输出电容进行滤波， 逆变电路采用的是全桥逆变模式，蓄电池的充电电流变换是 采用交一直一交一直型方式，首先给主电路输入电压为380V 的交流电，经整流和滤波后得到变换的直流电，通过开关电 源的集成芯片来控制IGBT模块的通断，直流电在全桥逆变电 路下转换成高频的交流电，在15KHz的高频开关电源技术的 耦合作用下，对其副边采用二极管整流，最后经输出滤波的 当代化工研究 Mo/efn Chemical Research412020 ・ 14 基础研究 电容和电感，得到连续的直流电，将直流电输出，最终实现 蓄电池的充电。 ⑵控制电路 控制电路主要包括DSP控制器和PWM控制电路、A/D采 样电路、IGBT驱动电路等外围电路，其中，以控制器为 核心，按照事先设定好的程序进行自动充电，主要采用 TMS320F2407型数字芯片⑷，该芯片内含有大量的程序存储 空间，有单双口存储器，可以存储近1.5k字的数据，其中双 口随机存储器可存储544字，单口随机存储器可存储2k字， 两个时间管理器模块，两个16位的定时器以及10位的A/D模 块转换器。在外围电路的配合下，将充电数据进行采集，编 写相应的充电程序，确保能够对蓄电池进行初次充电和变换 电流充电等多种控制方式。 3.智能充电装置软件设计 ⑴主程序设计 在CCS3. 1的软件开发环境下，采用模块化的编程方式 来编写充电程序，其主程序流程图如图3所示，在准备充电 时，先对系统的定时器、时间管理器及I/O口等进行初始 化，待完成初始化后，开中断，进入主程序循环，当定时器 4中断时，执行中断程序，将模拟量转成数字量并采集相应 的数据，如果定时器4不中断，则对充电装置的工作状态进 行判断，通过启动故障处理程序来进行故障检测，显示出故 障发生的原因并及时报警，在判断充电装置处于正常工作状 态下，调用充电计时程序，对蓄电池充电所需的时间进行计 算，如果蓄电池在某一段的充电时间过长，超出了充电装置 所设置的限幅，充电装置会自动变化交流电，进入下一段继 续充电，最后执行判断程序，判断蓄电池是否充电结束，如 果没有结束则继续进行充电，结束则充电装置停机。 图3主程序流程图 2数字PID控制程序设计 对软件程序的设计采用增量式闭环PID控制算法⑷，输 入PID的比例、积分、微分系数以及采样周期，计算出对应 的系数，然后测出被控量的实际值，求出偏差，再将偏差值 进行积分分离，比较偏差与设定值的大小，根据对应的公式 计算出控制增量，并最终输出控制量。 4.智能充电装置应用效果 将智能充电装置在某煤矿上进行为期2周的充电试验， 选择7列电机车，使用60节蓄电池来进行充电试验，得到蓄 电池在充电时，蓄电池的端电压及充电电流随充电时间变化 的曲线如图4所示。 图4端电压及充电电流变化曲线 从图中可以看出，在充电的初始阶段，充电电流是 80A,蓄电池的端电压从140V缓慢变化到150V,在进行充电 28分钟后，蓄电池的端电压升高到170V,在达到充电结束 的电压后，停止充电5分钟，可以看到蓄电池端电压下降到 120V,在进行第五段充电时，蓄电池的端电压在刚开始时增 长缓慢，而充电时间越长，端电压越稳定，且伴有小幅度的 端电压下降，而在经过五段变电流的充电后，可以看到蓄电 池已基本充满，且满电的电机车可以持续工作8小时。根据 充电试验结果，可以看出，智能充电装置能够有效缩短充电 时间，提高使用寿命。 5.结论 根据电机车蓄电池出现的充电时间长，使用寿命短的缺 陷，根据蓄电池的充电原理，设计一种智能的蓄电池充电装 置，得到如下结果 1 智能充电装置采用高频开关电源技术替代传统的 工频变压器，减小了充电装置的整体体积，提高了充电装置 的可靠性和效率。 2 采用DSP先进控制技术，实现对蓄电池充电全过程 的智能监控。 3 对智能充电装置在某矿上进行试验，根据试验结 果，可以看出，智能充电装置在经过不同的充电电流段后， 充电时间大大缩短，且一次充满电后，使用时间长达8小 时，降低了能耗，延长了寿命，效果显著。 【参考文献】 [1] 郭俊,曹以龙.新型矿用电机车蓄电池充电装置[J].煤矿机 电,2007 163-65. [2] 芮秀凤，朱一凡,关宁,等.煤矿井下蓄电池电机车充电装置 的研究[J].煤矿机械, 2011 11 147-149. [3] 张小群，高艳霞,余威,等.矿用电机车蓄电池智能充电机的 研制[J].煤矿机械，2007, 28 1 121-123. ⑷徐美华，耿宇翔，郑昌陆.矿用蓄电池智能充电机的设计与 实现[J].制造业自动化,2014, 36 11 122-125. 【作者简介】 张一非 1990-,男，本科，助理工程师，山西潞安环能五 阳煤矿；研究方向煤矿辅助运输.