礦用數(shù)字化電池充電裝置的研制

礦用數(shù)字化電池充電裝置的研制

礦燈是用于采礦和提取過程中必要的照明工具。這對提高工資狀況、提高工作效率、安全生產(chǎn)具有重要意義。充電器的效率和充電器的性能直接影響充電器的使用壽命?，F(xiàn)在礦用電池為普通鉛酸蓄電池具有成本低廉、供電可靠等優(yōu)點,酸性礦燈目前仍是我國礦燈制造業(yè)的主要發(fā)展方向。長期以來礦燈充電技術(shù)和充電設(shè)備一直沿用傳統(tǒng)的恒壓、恒流充電方式,完成一次滿充電的時間往往需要十幾個小時,充電電流過小,充電電壓不穩(wěn)定,充電曲線不合理,嚴重影響電池的使用壽命?；?0C196KC技術(shù)研發(fā)了一種開關(guān)電源式的數(shù)字化充電裝置,主要采用變電流間歇性充電方法,根據(jù)每個蓄電池的充電狀態(tài)和周圍環(huán)境溫度,自動調(diào)整充電過程。裝置穩(wěn)定可靠,有良好的人機操作功能,既縮短了充電時間,提高了充電效率,又延長了電池的壽命。1充電裝置的組成整個裝置由充電主電路、充電狀態(tài)信息采樣、驅(qū)動及保護和微處理器控制系統(tǒng)組成。主電路是對電池組直接充電的環(huán)節(jié),它由整流電路、濾波電路、高頻直流變換器(DC-DC)和放電去極化電路組成。充電裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖1。電池參數(shù)及充電狀態(tài)信息采集、充電隔離驅(qū)動及保護控制系統(tǒng)和微處理器控制單元構(gòu)成了充電裝置的控制系統(tǒng),它是一個以數(shù)字信號處理器芯片為核心的實時監(jiān)測、控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)對電池端電壓、電池溫度、充電電流等參數(shù)進行實時數(shù)據(jù)采集,對數(shù)據(jù)進行分析和計算,得出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù),輸出PWM信號調(diào)節(jié)移相角,從而控制充電裝置主電路的輸出電壓、電流,完成對蓄電池的高效、快速、無損的智能充電。2放電去極化過程dp系統(tǒng)要求的快速充電方法,一方面要加快電池的化學反應(yīng)速度(提高充電電壓或電流等),使充電速度得到最大的提高;另一方面又要保證負極的吸收能力,使負極能夠跟上正極氧氣產(chǎn)生的速度,同時要盡可能的消除電池的極化現(xiàn)象。在綜合了各種充電方法優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上,裝置采用波浪式間歇正負零脈沖充電法,正脈沖用于充電,負脈沖用于放電去極化,如圖2所示。本裝置中的控制實現(xiàn):充電時間、放電時間、間歇時間都采用時間控制,當實時時鐘定時時間到,即采集信息,判斷采用波浪式間歇正負零脈沖快速充電,還是采用定電壓浮充充電。如果溫度超過設(shè)定的門限值,則停止充電,否則繼續(xù)進行,充電過程中檢測到電壓出現(xiàn)負增量,表示己經(jīng)充滿,則可結(jié)束充電。在充電過程中,暫時停止充電(兩脈沖的間隙部分),電阻歐姆極化可立即消失,濃差極化和電化學極化也逐漸消失,充電副反應(yīng)也隨之停止。在暫時停充后,再為蓄電池提供一條放電通道讓其反向放電(圖中的負脈沖部分),則極化現(xiàn)象將更迅速消失,充電副反應(yīng)也將減少。蓄電池就可接受較大充電電流,充電速度將大大加快。電流以脈沖方式輸出,還可以加快活性物質(zhì)的反應(yīng)速度,使充電曲線在總體上逼近馬斯提出的蓄電池可接受充電電流曲線,并且在整個快速充電時期內(nèi),采取適時去極化措施,避免了蓄電池在充電過程中產(chǎn)生大量氣體和溫升過高的向題,從而縮短了充電時間,提高了充電效率。3主要充電電路3.1bung電路BUCK電路屬于降壓扼流圈電路,輸出電壓比輸入電壓低時使用。如圖3的BUCK充主電電路中,交流電經(jīng)變壓器降壓后,由整流器整流和大電容C1平滑濾波,作為直流充電源。全控器件Q1、二極管D10、電感L1和電容C23構(gòu)成BUCK電路。在工作過程中,PWM控信號的高電平脈沖出現(xiàn),使全控器件Q1導通之后,電感L1的電流不斷增大,電容C2充電,BUCK變換器不斷存儲能量,同時通過電感L2對電池充電,此時,續(xù)流二極管因反向偏置而截止。經(jīng)過PWM高電平脈沖持續(xù)時間后,PWM信號變低,Q1截止,電感L1中的電流減小,L1兩端的感應(yīng)電動勢使續(xù)流二極管導通,L1中的存儲電流和電容C23存儲電荷向電池充電。經(jīng)過PWM信號的低電平持續(xù)時間后,PWM信號的又一高電平脈沖到來,再度使Q1導通,上述過程重復發(fā)生。3.2tl494+5數(shù)字電PWM回路采用電力場效應(yīng)管,實現(xiàn)充電電壓(電流)的自動調(diào)節(jié),由TL494、單片機組成充電控制回路,構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。在回路中TL494實現(xiàn)對電流、電壓的調(diào)節(jié)。檢測到的電池電流轉(zhuǎn)換為0～5V的電信號,通過簡單濾波電路進行平滑、去除雜波干擾后的值送給TL494的誤差放大器I的IN+同相輸入端。設(shè)定輸入信號是由TL494的+5V基準電壓源經(jīng)一精密多圈電位器分壓,由電位器動端通過濾波電路接入TL494的誤差放大器I的IN-反相輸入端。反饋信號和設(shè)定信號通過TL494的誤差放大器工進行比較放大,進而控制停止PWM輸出,用來控制外接的充電電路,以維持充電機在恒流充電時電流恒定,或在恒壓充電時電壓恒定,防止過充電。3.3均流較弱的電流會放大放大20倍均流是通過控制每個電源模塊的功率級來實現(xiàn)的,用UC3907設(shè)計的均流電路,UC3907內(nèi)部的電流放大器將檢測到的電流信號放大20倍與均流母線上的信號比較。若大于均流母線上的信號,則母線上的電壓將由該電源決定,即“主控”;若調(diào)節(jié)器的輸出電流小于母線上的電流信號,即“輔控”時,調(diào)節(jié)器使電壓放大器的基準電壓升高100mV,強迫系統(tǒng)的反饋電壓減小,通過PWM驅(qū)動模塊的調(diào)節(jié)使該電源輸出電壓增加,從而自動平衡電流。3.4長絲環(huán)境質(zhì)量hlus402b選擇HL402B為驅(qū)動芯片,HL402B具有先降柵壓后軟關(guān)斷的雙重短路保護功能。HIA02B降柵壓延遲時間、降柵壓時間、軟關(guān)斷斜率均可通過外接電容進行整定,能夠適應(yīng)不同飽和壓降的IGBT的驅(qū)動和保護。由于HL402B內(nèi)含一個具有靜電屏蔽層的高速光藕合器,可以實現(xiàn)信號隔離,抗干擾能力強,響應(yīng)速度快,隔離電壓高。具有對被驅(qū)動功率IGBT進行降柵壓、軟關(guān)斷的雙重保護功能。在軟關(guān)斷及降柵壓的同時還將輸出報警信號,以實現(xiàn)對封鎖脈沖或分斷主回路的保護。它的輸出驅(qū)動電壓幅值很高,其正向驅(qū)動電壓可達15～17V,負向驅(qū)動電壓可達10～12V,因而可用來直接驅(qū)動容量為150A/1200V以下的IGBT。4比較器使用時測試控制系統(tǒng)是整個數(shù)字化智能充電系統(tǒng)的控制核心,采用80C196KC單片機作為控制器,該部分電路主要任務(wù)是根據(jù)智能充電算法完成對多種電池的充電;對充電過程中的各種信號進行檢測;實現(xiàn)保護及報警,方便用戶操作。過壓、過流保護電路由電流、電壓采樣回路輸出的采樣信號送比較器,與給定的過流、過壓值進行比較,LM324做比較器使用時,工作在非線性區(qū);同時設(shè)計中通過兩個溫控開關(guān),分兩級對可控硅進行過熱保護。80C196KC的P0口的三個通道實現(xiàn)電壓檢測、電流檢測、溫度的檢測,AC.H0通道用于輸出電壓和電池電壓的監(jiān)測,AC.H1通道用于電池表面溫度的監(jiān)測,AC.H2通道用于供電時的輸出電流、充放電時的電流的監(jiān)測。而溫度、電壓和電流的檢測則采用傳感器來實現(xiàn),分述如下:1)蓄電池表面溫度的檢測采用了溫度傳感器AD590。AD590是一種雙端集成的溫度傳感器,其輸出電流不受電源電壓波動的干擾,而與溫度有很好的線性關(guān)系。2)測量電壓選用精度為0.1%的WBV342Q調(diào)制型隔離傳感器?？紤]到充電時電壓有所提高,選擇傳感器輸入范圍直流0～10V,輸出范圍為0～5V?？筛鶕?jù)用戶的實際情況調(diào)整檢測的個數(shù)和量程,傳感器的輸出端通過電子開關(guān)4051與采集單元的輸入端相連。3)測量電流選用精度為l%的WB122K霍爾隔離型傳感器。輸入范圍為0～20A,輸出范圍為0～5V。傳感器的輸出端通過電子開關(guān)4051與采集單元的輸入端相連。5智能充電測試抽樣的試驗礦燈10盞對裝置進行實驗,對抽樣的礦燈進行初充電處理;按《煤礦安全規(guī)程》的要求對礦燈進行11h放電;新充電裝置安裝好功率表。技術(shù)指標:1)交流電網(wǎng)輸入波形為正弦波,輸入電壓為50Hz:220VAC。2)電網(wǎng)頻率波動范圍不超過額定值的±2%。3)輸出電壓:DC5V,輸出電流:2～18A連續(xù)可調(diào)。4)輸出電壓精度:0.5%,輸出電流精度:0.5%。5)紋波系數(shù):0.5%,均流不平衡度:1<%。6)環(huán)境溫度不低于-10℃,不高于+50℃。實際測得充電流和充電時間關(guān)系曲線如圖6,由圖可看出,智能充電裝置基本達到了設(shè)計所要求的充電模式。充電時間:智能充電機除一盞的充電時間為7h10min外,其余均在7h內(nèi),而過去則在10h以上。6充電系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)以微處理器80C196KC為控制,實現(xiàn)電池的智能充電控制。通過總線微處理器與數(shù)字電池實現(xiàn)了多種信息交換,提高了系統(tǒng)的智能性,體現(xiàn)了系統(tǒng)的先進性;