高精密铅酸蓄电池充放电管理系统的研究

魏丽君，章若冰

(1.湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 412001；2.中南大学自动化学院，湖南长沙 410001)

0 引言

随着科技的发展，电力系统、通讯和轨道交通智能装备领域整流电路类电源逐渐不能满足工作的需求，晶闸管体积大、效率低、存在较大谐波污染，而IGBT模块虽然具有输入阻抗大、驱动功率小，通断速度快等优点[1-4]，但是存在过压、过热、抗冲击、抗干扰等承受力较低的问题，并且保护电路复杂、价格昂贵。近年来，可充放电蓄电池装置得到了广泛的应用，特别是铅酸蓄电池可靠性高、价格低、控制电路易实现而得到了广大用户的青睐[5-8]，但现有铅酸蓄电池的充放电管理系统设计存在不合理性，依然存在续航时间短、功率因数低、高次谐波污染大等问题，当前主要的研究方法是采用弱磁控制算法对充放电系统进行管理[9-11]，但依然存在较大改进的空间，成为铅酸蓄电池应用中亟待解决的难题。

本文从铅酸蓄电池电池管理系统存在的问题出发，基于电流解耦控制算法[12-15]，通过蓄电池充放电装置主电路设计、检测电路设计、控制电路的设计等，完成一款智能铅酸蓄电池充放电管理系统设计，并对其网侧功率因数、输出电压纹波、输出电压稳定精度、输入电流总谐波畸变等性能参数进行测试，验证设计的可靠性和正确性。

1 系统整体设计

系统硬件设计原理框图如图1所示。控制核心采用STM32单片机，根据功率回路电流、电压反馈情况，进行电流和电压调节，温度采样模块进行温度采集并进行温度补偿，系统将根据温度补偿后的电压与电流给定，控制智能充放电系统的运行。

图1 硬件设计整体框图

电源控制模块是整个系统的关键，需要根据电压、电流的反馈情况调节后进行相应的检测与控制处理，处理过程主要采用电流解耦控制算法，此外温度采集电路的准确度也对系统的运行起到了关键作用。如检测到异常信号，系统还具有报警显示等功能。

2 蓄电池主电路设计

大量电力电子设备在应用过程中给电网造成了谐波污染，功率因数低，为消除电网的谐波污染，提高功率因数，采用具有双向流动的三相全桥PWM整流器设计蓄电池主电路，有效降低了谐波污染，其结构模型如图2所示。该电路主要完成计算并选择变压器的参数、计算交流侧电感参数、计算直流侧电容参数工作。

图2 主电路结构模型图

3 蓄电池检测电路设计

3.1 交流电压检测电路设计

交流电压检测电路硬件原理图如图3所示。

图3 交流电压检测电路硬件原理图

设R3+W2=R5，根据“虚短”可得：

(1)

式中：U0为输出电压；Vi′根据设计需要由AD736调出；R4、R5已知，因此可直接求出U0。

3.2 直流电压、电流检测电路设计

直流电压、电流检测电路原理图如图4所示。

图4 直流电压、电流检测电路原理图

输入电压：U=U0+=U0-，经衰减变为Ui：

(2)

因为运放不吸收电流，所以U3=Ui。根据运放的虚地原理，有同相端电压U3与异相端电压U2相等，所以：

(3)

从图4分析：

(4)

因为A/D的输入阻抗很高，所以光耦(U16B)输出电压U4为

U4=I2·Rw5=I1·Rw5

(5)

式中Rw5为光耦(U16B)输出端的滑动变阻器电阻。

4 蓄电池控制电路设计

蓄电池控制电路原理图如图5所示。隔离驱动和比较单元共6路。铅酸蓄电池充放电装置控制系统采用STM32硬件控制平台，主要完成输出电压、电流信号的检测、采样和计算以及对恒流充电的控制等。控制部分需检测5个信号，A相、B相电流ia与ib，交流输入电压峰值E，同步信号syn及直流侧输出电流Idc。

图5 铅酸蓄电池充放电装置控制系统图

为了将复杂的分析过程简化，将两相同步旋转坐标系(d，q)作为变流器的数学模型，变流器交流侧变量转变为直流量，再对三相静止坐标系(a，b，c)的系统特性进行分析和设计。两坐标系间矢量分解关系如图6所示。

图6 矢量分解图

电路在坐标系(d,q)的模型可用如下表达式进行描述：

(6)

式中：L、R、w分别为坐标量；ed、eq，vd、vq，id、iq分别为交流侧矢量Edq、Vdq、Idq的d、q分量；p为微分算子；vdc、idc分别为2个方向分量的积。

由图6可知，两相同步旋转坐标系中q轴与Edq重合，所以ed=0。

由于变流器d、q轴变量存在相互耦合情况，因此在设计过程中需要采用解耦控制策略，可简化设计，并采用PI调节器进行电流调节，此时vd、vq可以得到的控制方程如式(7)所示。

(7)

将式(7)代入式(6)，化简后可以得到：

式(7)、式(8)表明系统电流内环(id，iq)实现解耦控制，如图7所示。

图7 三相变流器电流内环解耦控制结构图

考虑到2个内部电流环路的对称性，所以仅以iq控制为例，探讨如何设计电流调节器，图8为iq电流内环结构。

图8 电流外环控制系统设计

图8中T3s为电流内环耦合值，Kpwm为电流内环脉宽调制增益，电压型变流器直流侧电流vdc是通过电压外环控制来稳定的。令三相电网基波电动势为

(9)

式中Em为有效值。

如果只是从开关函数sk(k=a，b，c)的低频分量的角度来考虑，则：

(10)

式中：θ为开关函数基波初始相位；m为PWM调制比。

采用单位功率因数正弦波电流控制策略，其三相变流器网侧电流可由式(11)表示。

(11)

式中Im为PWM调制比下的电流。

此外，三相变流器直流侧电流idc可由开关函数描述如下：

idc=saia+sbib+scic

经过计算可得：

idc=0.75mImcosθ

综上所述，三相变流器直流电流外环控制结构如图9所示。

图9 三相变流器电流外环控制结构图

图9中，Kv、Tv为电压外环PI调节参数，Wci(s)为电流内环等效传递函数，τv为时间常数。

5 软件设计

本系统的软件设计主要从以下几个方面进行，具体的程序设计流程图如图10和图11所示。

图10 主函数流程图 图11 WFG中断流程图

主函数主要通过定时器中断采集三相电流和支流侧电压。三相电流通过坐标变换和逆变换后与支流侧电压通过PI控制算法后的值采用电压空间矢量算法进行处理。

6 实验测试

经过设计，在实验室对装置进行了充电工况输出侧波形质量数据测试，本装置的电气特性参数如下：蓄电池网侧额定电压DC120V，网侧的功率因数达到了0.997，输出电压纹波仅为0.73%，可计算得出输出电压稳定精度达到了0.09%，输出电流总谐波畸变为3.2%，小于5%，达到设计要求。具体测试数据如表1所示。

表1 充电工况输出侧波形质量数据分析

7 结论

本文在分析现有铅酸蓄电池充放电管理系统存在的问题基础上，基于电流解耦控制算法，完成了蓄电池充放电装置主电路设计、检测电路和控制电路的设计，在实验室进行了参数测试，实验表明该装置网侧功率因数达到0.997，输出电压纹波仅为0.73%，稳定精度高，输出电流总谐波畸变为3.2%，实验表明该装置精度高，稳定性好，试制可行。