鉅大LARGE | 點擊量：1818次 | 2021年12月08日
鉛酸蓄電池自動充放電控制器的設計與實現
摘要：介紹了酸蓄電池自動充放電控制器的構成，給出了充放電時流和電壓控制策略，同時簡述了軟件實現方法。實際應用表明，采用混合型模糊pID控制可滿足充放電控制速度快、精度高的要求。
關鍵詞：鉛酸蓄電池充放電機模糊控制pID控制單片機
鉛酸蓄電池是目前大容量電池的重要品種，在通訊、交通、電力等部分得到了廣泛應用，但因充放電控制不合理而損壞的電池點相當大的比例。若鉛酸蓄電池充放電適當，可以工作在10～15年時間。而現在，許多電池在生產和使用過程中，還是采用一些簡單的充放電設備進行充放電，不僅造成充電量不足，使電池不能發揮最大的電力效應，而且縮短了使用壽命。為此，我們研制了鉛酸蓄電池自動充放電控制器。
1充放電方法
關于蓄電池的充放電應該嚴格按要求進行（尤其是浮充充電），根據蓄電池充放電的特性，用計算機控制其過程最為合適。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
典型的蓄電池充電包含四個階段，如圖1所示。
每個階段以恒電流或恒電壓充電，依賴于電流、電壓的設定值Ib1、Ib2、Eb2。第一階段，以Ib1恒流充電，當電壓達到Eb1時轉入第二。第二階段以電壓Eb1進行恒壓充電，隨著電池開路電壓的提高，電流會逐漸變小，當充電電流達到Ib2時，轉入第三階段。第三階段以Ib2恒流充電，這時電池電壓進一步提高，當電壓達到Eb2時轉入第四階段。第四階段以Eb2恒壓充電，這時電流進一步逐漸變小，當充電安時數達到后停止。
電池的放電，重要是控制電流以給定值放電，通過三相全控整流橋回饋電網，當蓄電池達到終止放電電壓時停止放電。
2蓄電池自動充放電控制器的構成
蓄電池自動充放電控制器的構成如圖2所示，由三相全控整流橋電路、觸發板、計算機控制板、電流電壓傳感器及濾波電路構成。三相全控整流橋電路由觸發板控制，為蓄電池組供應數百安培充放電流。觸發板由計算機控制板控制，為三相全控整流橋電路供應整流或逆變觸發脈沖。用電流分流器和電壓分壓器測得充放電過程電流和電壓信號，信號濾波后，被計算機控制板周期采樣。以16位單片計算機80C196KB為核心構成的計算機控制板包括鍵盤、顯示電路、微型打印機、12位調節輸出電路，80C196KB通過內嵌A/D通道采樣輸入信號，完成分段曲線控制。
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經π型濾波器濾波，其輸出信號作為混合型模糊pID控制器的輸入量，濾波前的信號由計算機采樣用于快速保護。濾波器的時間常數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，過大會造成調節失控。過電流和過電壓的抑制與保護措施是由計算機快速封鎖觸發脈沖完成的。
3控制策略
由于電網的波動及周邊負荷的變化，在交流電的一個或多個周波內會使充電電流出現躍變。自動充放電控制器的調節功能是使充電流或電壓穩定。電流在深放電后充電，開始階段電池的內阻較大，隨著充電電壓的升高，內阻變得非常小，因此使電網中很小的電壓波動也會引起充電電流較大的變化。這就要求充電控制器的調節速度要快，不然會引起跳閘，甚至損壞整流電路。在實踐中我們比較不多種控制算法，對鉛酸蓄電池充放電過程的控制，采用混合型模糊pID控制器[1～3]較合適，如圖3所示。
當誤差e≥Ep時，應用模糊控制器調節，E、EC、U分別是偏差、偏差變化率和控制量的模糊語言變量。系統根據不同的狀態使用合適的控制規則。根據現時的精確量e、ec進行模糊化，由模糊控制規則計算出模糊控制變量U，把計算出的模糊控制變量U精確化，加到控制對象上。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時刻控制系統的設定值，y(n)為nT時刻控制系統的輸出，e(n)為nT時刻控制系統的偏差，ec(n)為nT時刻控制系統的偏差變化率，T為采樣周期。E、EC、U的模糊子集規定為：E={NB，NM，NS，pS，pM，pB}，EC={NB,NM,NS,pS,pM,pB}。
模糊控制器的控制規則采用條件語句形式，表達為：
ifEiandEcjthenUk.
根據實際調試和相關經驗總結出模糊控制規則，共計36條。采用Mamdani推理合成算法，用重心法進行模糊判決，從而計算出精確輸出量u。根據上述規則，關于所有輸入組合和狀態值進行離線計算，得控制表存于E2pROM中。在模糊控制過程中根據e、ec查相應的控制表，得輸出控制量。
當誤差e<Ep時，應用增量式pID控制器調節：
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。而t(n)時刻的輸出量為：
u(n)=u(n-1)+Δu(n)(4)
4系統軟件
整個軟件用pLM96語言編寫，全部模塊化編程。利用系統資源供應的8個軟件按時器，設為中斷方式，驅動8個事件。其中，軟按時器T0設為20毫秒中斷，用于驅動恒電流或恒電壓控制。軟按時器T1用于驅動數據處理和充放電過程曲線控制。軟按時器T2用于驅動計時，累計充放電安時和時間。軟件中還設置不快速保護功能、軟啟動功能和暫停后的自恢復功能。蓄電池自動充放電控制器的硬件與軟件設計有機結合，融為一體。經實際測試，控制器對電流和電壓的檢測精度達到0.1%，控制精度在穩態時小于0.2%，控制過程動態超調量小于1%，充電量計量精度小于0.14%，蓄電池的充放電合格率大為提高。
鉛酸蓄電池自動充放電控制器的應用使充電與放電過程自動化，不僅顯著提高不蓄電池的生產質量和使用壽命，而且節省電能約5%.該控制器經過實際應用和多次修正后，運行穩定可靠，適用于各種荷刻的工業環境。目前已經被魯中蓄電池廠和淄博蓄電池廠等多家廠商采用。
