矿用数字化电池充电装置的研制

矿用数字化电池充电装置的研制

矿灯是用于采矿和提取过程中必要的照明工具。这对提高工资状况、提高工作效率、安全生产具有重要意义。充电器的效率和充电器的性能直接影响充电器的使用寿命。现在矿用电池为普通铅酸蓄电池具有成本低廉、供电可靠等优点,酸性矿灯目前仍是我国矿灯制造业的主要发展方向。长期以来矿灯充电技术和充电设备一直沿用传统的恒压、恒流充电方式,完成一次满充电的时间往往需要十几个小时,充电电流过小,充电电压不稳定,充电曲线不合理,严重影响电池的使用寿命。基于80C196KC技术研发了一种开关电源式的数字化充电装置,主要采用变电流间歇性充电方法,根据每个蓄电池的充电状态和周围环境温度,自动调整充电过程。装置稳定可靠,有良好的人机操作功能,既缩短了充电时间,提高了充电效率,又延长了电池的寿命。1充电装置的组成整个装置由充电主电路、充电状态信息采样、驱动及保护和微处理器控制系统组成。主电路是对电池组直接充电的环节,它由整流电路、滤波电路、高频直流变换器(DC-DC)和放电去极化电路组成。充电装置的结构原理如图1。电池参数及充电状态信息采集、充电隔离驱动及保护控制系统和微处理器控制单元构成了充电装置的控制系统,它是一个以数字信号处理器芯片为核心的实时监测、控制系统。数据采集环节对电池端电压、电池温度、充电电流等参数进行实时数据采集,对数据进行分析和计算,得出相应的控制数据,输出PWM信号调节移相角,从而控制充电装置主电路的输出电压、电流,完成对蓄电池的高效、快速、无损的智能充电。2放电去极化过程dp系统要求的快速充电方法,一方面要加快电池的化学反应速度(提高充电电压或电流等),使充电速度得到最大的提高;另一方面又要保证负极的吸收能力,使负极能够跟上正极氧气产生的速度,同时要尽可能的消除电池的极化现象。在综合了各种充电方法优缺点的基础上,装置采用波浪式间歇正负零脉冲充电法,正脉冲用于充电,负脉冲用于放电去极化,如图2所示。本装置中的控制实现:充电时间、放电时间、间歇时间都采用时间控制,当实时时钟定时时间到,即采集信息,判断采用波浪式间歇正负零脉冲快速充电,还是采用定电压浮充充电。如果温度超过设定的门限值,则停止充电,否则继续进行,充电过程中检测到电压出现负增量,表示己经充满,则可结束充电。在充电过程中,暂时停止充电(两脉冲的间隙部分),电阻欧姆极化可立即消失,浓差极化和电化学极化也逐渐消失,充电副反应也随之停止。在暂时停充后,再为蓄电池提供一条放电通道让其反向放电(图中的负脉冲部分),则极化现象将更迅速消失,充电副反应也将减少。蓄电池就可接受较大充电电流,充电速度将大大加快。电流以脉冲方式输出,还可以加快活性物质的反应速度,使充电曲线在总体上逼近马斯提出的蓄电池可接受充电电流曲线,并且在整个快速充电时期内,采取适时去极化措施,避免了蓄电池在充电过程中产生大量气体和温升过高的向题,从而缩短了充电时间,提高了充电效率。3主要充电电路3.1bung电路BUCK电路属于降压扼流圈电路,输出电压比输入电压低时使用。如图3的BUCK充主电电路中,交流电经变压器降压后,由整流器整流和大电容C1平滑滤波,作为直流充电源。全控器件Q1、二极管D10、电感L1和电容C23构成BUCK电路。在工作过程中,PWM控信号的高电平脉冲出现,使全控器件Q1导通之后,电感L1的电流不断增大,电容C2充电,BUCK变换器不断存储能量,同时通过电感L2对电池充电,此时,续流二极管因反向偏置而截止。经过PWM高电平脉冲持续时间后,PWM信号变低,Q1截止,电感L1中的电流减小,L1两端的感应电动势使续流二极管导通,L1中的存储电流和电容C23存储电荷向电池充电。经过PWM信号的低电平持续时间后,PWM信号的又一高电平脉冲到来,再度使Q1导通,上述过程重复发生。3.2tl494+5数字电PWM回路采用电力场效应管,实现充电电压(电流)的自动调节,由TL494、单片机组成充电控制回路,构成闭环控制系统。在回路中TL494实现对电流、电压的调节。检测到的电池电流转换为0～5V的电信号,通过简单滤波电路进行平滑、去除杂波干扰后的值送给TL494的误差放大器I的IN+同相输入端。设定输入信号是由TL494的+5V基准电压源经一精密多圈电位器分压,由电位器动端通过滤波电路接入TL494的误差放大器I的IN-反相输入端。反馈信号和设定信号通过TL494的误差放大器工进行比较放大,进而控制停止PWM输出,用来控制外接的充电电路,以维持充电机在恒流充电时电流恒定,或在恒压充电时电压恒定,防止过充电。3.3均流较弱的电流会放大放大20倍均流是通过控制每个电源模块的功率级来实现的,用UC3907设计的均流电路,UC3907内部的电流放大器将检测到的电流信号放大20倍与均流母线上的信号比较。若大于均流母线上的信号,则母线上的电压将由该电源决定,即“主控”;若调节器的输出电流小于母线上的电流信号,即“辅控”时,调节器使电压放大器的基准电压升高100mV,强迫系统的反馈电压减小,通过PWM驱动模块的调节使该电源输出电压增加,从而自动平衡电流。3.4长丝环境质量hlus402b选择HL402B为驱动芯片,HL402B具有先降栅压后软关断的双重短路保护功能。HIA02B降栅压延迟时间、降栅压时间、软关断斜率均可通过外接电容进行整定,能够适应不同饱和压降的IGBT的驱动和保护。由于HL402B内含一个具有静电屏蔽层的高速光藕合器,可以实现信号隔离,抗干扰能力强,响应速度快,隔离电压高。具有对被驱动功率IGBT进行降栅压、软关断的双重保护功能。在软关断及降栅压的同时还将输出报警信号,以实现对封锁脉冲或分断主回路的保护。它的输出驱动电压幅值很高,其正向驱动电压可达15～17V,负向驱动电压可达10～12V,因而可用来直接驱动容量为150A/1200V以下的IGBT。4比较器使用时测试控制系统是整个数字化智能充电系统的控制核心,采用80C196KC单片机作为控制器,该部分电路主要任务是根据智能充电算法完成对多种电池的充电;对充电过程中的各种信号进行检测;实现保护及报警,方便用户操作。过压、过流保护电路由电流、电压采样回路输出的采样信号送比较器,与给定的过流、过压值进行比较,LM324做比较器使用时,工作在非线性区;同时设计中通过两个温控开关,分两级对可控硅进行过热保护。80C196KC的P0口的三个通道实现电压检测、电流检测、温度的检测,AC.H0通道用于输出电压和电池电压的监测,AC.H1通道用于电池表面温度的监测,AC.H2通道用于供电时的输出电流、充放电时的电流的监测。而温度、电压和电流的检测则采用传感器来实现,分述如下:1)蓄电池表面温度的检测采用了温度传感器AD590。AD590是一种双端集成的温度传感器,其输出电流不受电源电压波动的干扰,而与温度有很好的线性关系。2)测量电压选用精度为0.1%的WBV342Q调制型隔离传感器。考虑到充电时电压有所提高,选择传感器输入范围直流0～10V,输出范围为0～5V。可根据用户的实际情况调整检测的个数和量程,传感器的输出端通过电子开关4051与采集单元的输入端相连。3)测量电流选用精度为l%的WB122K霍尔隔离型传感器。输入范围为0～20A,输出范围为0～5V。传感器的输出端通过电子开关4051与采集单元的输入端相连。5智能充电测试抽样的试验矿灯10盏对装置进行实验,对抽样的矿灯进行初充电处理;按《煤矿安全规程》的要求对矿灯进行11h放电;新充电装置安装好功率表。技术指标:1)交流电网输入波形为正弦波,输入电压为50Hz:220VAC。2)电网频率波动范围不超过额定值的±2%。3)输出电压:DC5V,输出电流:2～18A连续可调。4)输出电压精度:0.5%,输出电流精度:0.5%。5)纹波系数:0.5%,均流不平衡度:1<%。6)环境温度不低于-10℃,不高于+50℃。实际测得充电流和充电时间关系曲线如图6,由图可看出,智能充电装置基本达到了设计所要求的充电模式。充电时间:智能充电机除一盏的充电时间为7h10min外,其余均在7h内,而过去则在10h以上。6充电系统优化系统以微处理器80C196KC为控制,实现电池的智能充电控制。通过总线微处理器与数字电池实现了多种信息交换,提高了系统的智能性,体现了系统的先进性;