矿用单轨吊车蓄电池智能充电系统设计

【摘 要】 针对煤矿井下蓄电池充电系统的不足，设计了基于改进型变电压间歇快速充电法的蓄电池单轨吊车智能充电系统。该充电系统集成于机车内，与整车控制系统共享一块ARM芯片，具有成本低、效率高、能有效延长蓄电池使用寿命等优点，具有很好的市场发展前景。

【关键词】 变电压间歇快速充电法；模糊-PID双模控制；ARM；智能充电系统

1、引言

蓄电池驱动的单轨吊车是用于煤矿井下的新一代运输设备，而作为单轨吊车动力源的蓄电池，是保证整个机车安全可靠运行的重要部件。如何提高蓄电池的运行效率、加快充电速度和延长使用寿命一直是业内的研究热点。现有的蓄电池监控系统大多采用单片机作为控制单元，由于结构简单、功能单一，只能对充电过程进行简单的监视，而数据存储与处理能力极差，这大大降低了工作效率、缩短了器件寿命，从而增加了设备运行成本。

本文采用嵌入式处理器S3C2410作为主控制芯片，来实现数据实时采样,并结合基于模糊-PID双模控制测量和改进型变电压间歇脉冲快速充电算法，设计了集成的智能蓄电池单轨吊车充电系统。

2、系统结构和原理

2.1、系统硬件结构

该智能充电系统硬件结构如图1所示：

（1）整流单元：主电路的输入为380V或者660V交流电，经过三相桥式整流单元，输出537V或者933V直流电。

（2）斩波电路：由于之后的H桥电路中的IGBT管耐压1200V左右，给予2倍余量的考虑，所以设置本模块对输出电压进行降压处理，以使H桥的输入电压小于600V。

（3）H桥驱动单元：作为智能系统的核心，采用了GE公司生产的开关电源专用控制芯片来控制开关管，从而产生蓄电池充电所需的可变电压和电流驱动充电。

（4）接口电路：包括LED显示，电流、电压和温度采样等等电路。

2.2、改进型变电压间歇快速充电法原理

上世纪60年代中期，美国科学家马斯通过大量

实验得出：若蓄电池电流按 ，即马斯充电曲线变化，则充电时间最短，并且对电池的容量和寿命几乎没有影响。该曲线奠定了蓄电池快速充电方法的研究方向。

（1）变电压间歇快速充电法

该方法基于恒压充电和脉冲充电的基础之上，将恒电压充电段改为限流变压间歇充电段，如图2所示。

充电前期，将充电电压分成若干段，各段采用一定电压，以保证充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接收率随着充电的进行逐渐下降的特点；充电后期采用定电压充电，获得过充电量，将电池恢复至完全充电状态。

由图2可以看出，在段间变压时，会有短暂的断流停充。在间歇停充期间，蓄电池内由化学反应而产生的O2和H2能够得以重新化合而被吸收，自然也就消除浓差极化和欧姆极化现象，进而减轻蓄电池内压，使得下一轮的恒压充电顺利地进行，蓄电池也可以吸收更多的电量。

（2）改进型变电压间歇脉冲快速充电法

由马斯曲线可知，蓄电池初始充电电流最好为最大充电电流I0，这样才能达到快速充电的目的；但是矿用动力蓄电池容量动辄好几百AH，充电机难以提供几百A的充电电流。这里采用大电流(比如100A)作为初始充电电压对蓄电池进行恒流充电。当初始电流大于该时间点对应的马斯充电电流时，电池内部极化现象明显，则进入下一个充电阶段——变压间歇充电；同时，在每个停充间歇中，给电池一个反向激化脉冲电流，这可快速消除极化，提高蓄电池接收充电电流的能力，大大缩短充电时间。当任意一节蓄电池充电电压达到规定值时，进入最后的浮充阶段，对电池以小电流充电，从而最大限度延长蓄电池的寿命。

（3）模糊-PID双模稳源控制器

系统所设计的模糊-PID双模稳源控制器能够根据环境电量的变化，快速调节充电电压或电流，以避免跳闸中断充电损坏电池，甚至损坏充电电路的危险。控制的原理图如图4所示。

当误差e大于某一设定值时，应用模糊控制器调节，其中e为偏差，ec为偏差变化率，它们经过模糊化接口K1和K2被模糊化成相应的模糊变量E和EC；再经模糊规则表推理出控制量的模糊变量U，最后经K3解模糊为可直接加于被控对象的变量U1。

K1和K2的模糊子集都是：

{负大，负中，负小，正小，正中，正大}={NB,NM, NS,PS,PM,PB}

模糊推理规则如表1所示，输入和输出的隶属函数如图5所示。

模糊控制规则采用语句为：

模糊推理采用mandani法，解模糊采用centroid法，如图6所示，即可计算出精确输出量U1错误！未找到引用源。

当误差e小于某一设定值时，应用增量式PID控制器调节。

3、系统的软件实现

本智能充电平台集成于机车的嵌入式控制系统中，在C开发平台上完成软件编写。智能充电系统的主程序流程图如图7所示。

开机后，系统自动初始化、设中断。若定时器1发生中断，则执行中断服务程序，程序根据检测到的整流单元的输出电压计算Buck电路所需占空比，得到合适的PWM信号控制开关管的通断。若通用定时器4发生中断，则执行模数转换程序。模数转换总共有七路，其中四路为温度采样，另两路为电压采样，还有一路为电流采样。这些采样值主要用于电路保护、充电阶段转换以及液晶屏上充电参数的显示。

若电池温升过高，则进入过高温度处理子程序，会使充电电路暂停工作、打卡散热设备。

充电计时模块主要进行充电时间的计算，用于液晶屏上的充电时间显示，此外当变电流充电的某一段充电时间大于时间限幅时，充电计时模块也会做出判断，让充电机直接进入变电流充电的下一段。

最后一个是充电是否完成判断模块，当充电机完成了5段变电流充电后，则蓄电池充电完成。充电完成后，充电机停止输出，并自动进行初始化，等待下一次蓄电池充电。

4、结束语

根据实际试验，60节蓄电池完全放电后的电压为115V左右，充电完成后电压为120V左右。首段充电电流为80A，开始蓄电池的端电压变化很慢，充电25min左右电池端电压增长很快，达到停充电压后，停充5min，蓄电池电压下降到120V左右。进入第5段浮充时，蓄电池的端电压开始时略有增长。随着充电时间的增加，蓄电池的端电压逐渐稳定，并会有小幅度的下降。经过5段变电流充电后电池基本已充满电。充满电的蓄电池能使单轨吊机车能连续工作8h。

充电实验表明，该智能充电机确实能对单轨吊车蓄电池进行有效充电，且充电时间比以前缩短了一半，充电机的利用率大大增加，同时也使蓄电池的使用寿命显著延长。

本智能充电机以高频开关电源技术为基础，嵌入智能控制，能自动根据检测的蓄电池状态来调整充电参数。它还具有完善的保护功能，很好地满足了煤矿设备高安全性的要求，具有较好的推广价值。

参考文献

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作者简介：

石晓艳(1980－)，女，讲师，硕士，安徽理工大学电气与信息工程学院从事自动控制和电力电子与电力传动方向的教学与研究工作。

李振璧(1959-)，男，博士，副教授,现安徽理工大学电气与信息工程学院从事教学与科研工作,研究方向为智能控制。