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一种智能型全自动快速充电机的研究与设计
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1 充电机的现状
目前，矿用电机车蓄电池的充电，无论是恒流充电、恒压充电或是先恒流再恒压的分段式充电，都有一个共同的问题，就是这种小电流慢充方式，蓄电池初充需70小时以上，进行普通充电也需10小时以上，这种充电方式在充电过程的初期，充电电流远小于蓄电池可接受的充电电流，因而拉长了充电时间，造成电能的浪费。而在充电过程的后期，充电电流又大于蓄电池可接受的电流，蓄电池内部温度升高，产生大量析气，并形成内部硫化结晶，大大缩短了蓄电池的循环使用寿命，甚至有可能永久性地损坏电池。这不仅造成了浪费，也增加了对环境的污染。同时，这种传统充电机采用变压器变压整流，可控硅控制的途径，技术落后，设备笨重，可靠性也差。
美国科学家马斯通过对铅酸蓄电池的大量试验研究，提出了一条铅酸蓄电池可接受的充电电流曲线。在充电过程的初期，蓄电池可接受的充电电流很大。随着充电过程的延续，充电电流逐渐按指数规律减小。让充电机的充电电流按这样一条理想电流曲线变化，就可以最大限度的提高充电效率。同时，试验表明，采用脉冲式的充电方式是消除各种极化现象，提高充电速度，延长蓄电池循环使用寿命的有效途径。这种充电方式是在对蓄电池充电的过程中适时暂停充电，并适当加入放电脉冲。当电池充电停止时，电池的欧姆极化消失，浓差极化和电化学极化减弱。若能在电池充电过程中让其反向放电，则极化现象迅速消失，电池内部温度也会因放电而得到有效控制。脉冲电流充放电对电池极板有加强其韧性的效果，可以大大提高蓄电池的循环使用寿命。同时，由于电池极化现象的消失，脉冲电流又可以深层次地激活电池内部的活性物质，从而大幅度提高蓄电池的充电有效容量。
当前，带有自适应控制技术的脉冲式充电机已成为矿用电机车充电机的主要发展方向。因此，开发新一代的智能快速充电机不仅可以提高充电效率，降低使用单位的运营成本，同时也具有节能、环保等诸方面的社会意义。
2 一种智能型全自动快速充电机
2．1 电气原理
充电机电气原理框图见图1。电气原理分为三大部分，即逆变主通道、检测控制单元和对话单元(显示操作单元)。
逆变主通道将380 V交流电源变换为可对电池进行充电的可控直流电源，由输入回路、工频整流滤波电路、移相全桥(ZVT-PWM)变换电路、高频整流电路滤波电路、输出回路及放电回路组成。
输入回路即供电回路，在非运行状态时，可切断主通道电源。输入回路设计有软启动功能，避免启动冲击对回路元件造成的损伤。
工频整流滤波电路将380 V交流电整流为约550 V的直流电，如图2所示。
移相全桥功率变换电路是主通道的核心，完成从直流到交流再到直流的变换。如图3所示。通过改变桥臂IGBT控制信号的相位，来改变耦合到高频变压器的波形宽度，从而改变输出给被充电池的电流、电压值。
高频整流滤波电路将高频变压器副边的高频交流电，整流为电池充电要求的平滑直流电。
输出开关电路在非充电状态下保证主通道与被充电池的隔离，防止发生反接造成的危险。
放电电路实现"充-停-放-停-充"的充电方式，从而改善电池的充电效果和恢复电池的性能。此外，还可以对电能未消耗完的待充电池进行放电处理。
控制单元接收来自对话单元给定的参数和命令，并通过对主通道各相关参数的实时检测，动态控制主通道的工作，实现要求的充电功能和充电进程。同时为设备提供多种保护。
控制单元采用最新嵌入式内核芯片ARM设计。采集模拟量为：4路温度、输出电流、放电电流、输出电压和电池电压。控制量为：输入开关、软启动、输出开关、输出电容放电和ZVT-PWM变换控制等
控制单元与对话单元之间为RS232全双工通信。控制单元接收来自对话单元的各种控制命令，并向对话单元实时发送数据。
对话单元是整机操作平台，接收并实现操作者的各种工作指令，完成各种工作方式的参数设定、记忆及各种动静态参数显示。对话单元由控制芯片、LCM、参数存储器和操作按键组成。
当充电机进入工作状态时，设备首先进行自检。自检项目包括充电电池是否反接、主通道各部分是否正常。
自检结果将发送给对话单元。
自检正常时，设备处于待命状态，准备接收由对话单元发来的各种命令及参数，并按要求开始相应的工作进程。
自检故障时，对话单元显示故障编号，等待检修。
2．2 工作方式
智能型全自动快速充电机设计了三种工作方式：便捷方式、智能方式和放电方式。
便捷方式。一种常规的恒流限压定时充电工作方式，此方式工作时，充电机以设定电流向负载电瓶恒流充电，当充电电压达到限制电压时，电压不再上升，而充电电流逐渐减小。当充电时间达到设定时间时，充电机自动结束充电过程。此种模式充电，电流不宜超过100 A，否则电瓶不易充满，且析气量大。
智能方式。一种针对不同规格型号的电池采取不同整定参数充电的工作方式。而对每一种电池又有三种充电模式，即初充模式、恒流模式和快速模式。
a．初充模式。为两阶段的定电流、定时间的自动充电方式。主要为新电池初充设计。此模式充电，两阶段电流均不宜过大，
b．恒流模式。开始充电时为恒流工作，当电压升高到设定值时转入稳压工作，当充电时间达到设定时间或充电容量满时自动停止充电，这是基本进程。当充电时间足够长时，基本进程会叠加周期性的放电脉冲，叠加后的充电过程为"充-停-放-停-充"。
c． 快速模式。快速模式包含三个顺序阶段：恒流、恒压和小电流维持。恒流段以大电流充电为特征，当充电量达到设定容量或充电时间达到设定值或电压升至限定值时结束，转入恒压段。恒流段可使电瓶恢复80％左右的容量。恒压段则维持恒流充电结束时的电压，而电流逐渐减小，当恒压充电达到设定时间时，自动转入维持充电过程。快速模式和恒流模式一样，当充电时间足够长时，基本进程会叠加周期性的放电脉冲，叠加后的充电过程为"充-停-放-停-充"。恒压过程结束时，电瓶容量可恢复95％以上。当充电进程转入维持充电过程时，脉冲叠加停止。放电方式是为人工对电瓶放电而设计的功能。进入该方式时，电瓶按照设定电流放电，当电瓶电压降到设定值时自动停止放电。
2．3 技术性能和参数
1)额定输入电压：380 VAC±10％50 Hz；
2)额定输出功率：30 kW；
3)直流输出电流：5-200 A；
4)直流输出电压：30～300 V；
5)工作模式：三种，便捷充电、智能充电和自动放电。智能充电模式分为三种充电方式，即初充方式、恒流方式和快速方式；
6)具有自检功能；
7)具有电池反接保护功能；
8)具有过流、过载、短路和超温等保护功能；
3 结语
本设计以大功率IGBT为核心，嵌入先进的智能控制系统，在充电过程中实时检测电池的充电情况，自动调整充电参数，实现最佳的模式控制。通过"充-停-放-停-充"的脉冲充电方式，实现了可控的去极化功能和最佳的充电工艺要求，提高了充电效率和电池的充电容量，延长了电池的使用寿命，同时设备还具有自检及多种保护功能，有着广阔的应用前景。
目前，矿用电机车蓄电池的充电，无论是恒流充电、恒压充电或是先恒流再恒压的分段式充电，都有一个共同的问题，就是这种小电流慢充方式，蓄电池初充需70小时以上，进行普通充电也需10小时以上，这种充电方式在充电过程的初期，充电电流远小于蓄电池可接受的充电电流，因而拉长了充电时间，造成电能的浪费。而在充电过程的后期，充电电流又大于蓄电池可接受的电流，蓄电池内部温度升高，产生大量析气，并形成内部硫化结晶，大大缩短了蓄电池的循环使用寿命，甚至有可能永久性地损坏电池。这不仅造成了浪费，也增加了对环境的污染。同时，这种传统充电机采用变压器变压整流，可控硅控制的途径，技术落后，设备笨重，可靠性也差。
美国科学家马斯通过对铅酸蓄电池的大量试验研究，提出了一条铅酸蓄电池可接受的充电电流曲线。在充电过程的初期，蓄电池可接受的充电电流很大。随着充电过程的延续，充电电流逐渐按指数规律减小。让充电机的充电电流按这样一条理想电流曲线变化，就可以最大限度的提高充电效率。同时，试验表明，采用脉冲式的充电方式是消除各种极化现象，提高充电速度，延长蓄电池循环使用寿命的有效途径。这种充电方式是在对蓄电池充电的过程中适时暂停充电，并适当加入放电脉冲。当电池充电停止时，电池的欧姆极化消失，浓差极化和电化学极化减弱。若能在电池充电过程中让其反向放电，则极化现象迅速消失，电池内部温度也会因放电而得到有效控制。脉冲电流充放电对电池极板有加强其韧性的效果，可以大大提高蓄电池的循环使用寿命。同时，由于电池极化现象的消失，脉冲电流又可以深层次地激活电池内部的活性物质，从而大幅度提高蓄电池的充电有效容量。
当前，带有自适应控制技术的脉冲式充电机已成为矿用电机车充电机的主要发展方向。因此，开发新一代的智能快速充电机不仅可以提高充电效率，降低使用单位的运营成本，同时也具有节能、环保等诸方面的社会意义。
2 一种智能型全自动快速充电机
2．1 电气原理
充电机电气原理框图见图1。电气原理分为三大部分，即逆变主通道、检测控制单元和对话单元(显示操作单元)。
逆变主通道将380 V交流电源变换为可对电池进行充电的可控直流电源，由输入回路、工频整流滤波电路、移相全桥(ZVT-PWM)变换电路、高频整流电路滤波电路、输出回路及放电回路组成。
输入回路即供电回路，在非运行状态时，可切断主通道电源。输入回路设计有软启动功能，避免启动冲击对回路元件造成的损伤。
工频整流滤波电路将380 V交流电整流为约550 V的直流电，如图2所示。
移相全桥功率变换电路是主通道的核心，完成从直流到交流再到直流的变换。如图3所示。通过改变桥臂IGBT控制信号的相位，来改变耦合到高频变压器的波形宽度，从而改变输出给被充电池的电流、电压值。
高频整流滤波电路将高频变压器副边的高频交流电，整流为电池充电要求的平滑直流电。
输出开关电路在非充电状态下保证主通道与被充电池的隔离，防止发生反接造成的危险。
放电电路实现"充-停-放-停-充"的充电方式，从而改善电池的充电效果和恢复电池的性能。此外，还可以对电能未消耗完的待充电池进行放电处理。
控制单元接收来自对话单元给定的参数和命令，并通过对主通道各相关参数的实时检测，动态控制主通道的工作，实现要求的充电功能和充电进程。同时为设备提供多种保护。
控制单元采用最新嵌入式内核芯片ARM设计。采集模拟量为：4路温度、输出电流、放电电流、输出电压和电池电压。控制量为：输入开关、软启动、输出开关、输出电容放电和ZVT-PWM变换控制等
控制单元与对话单元之间为RS232全双工通信。控制单元接收来自对话单元的各种控制命令，并向对话单元实时发送数据。
对话单元是整机操作平台，接收并实现操作者的各种工作指令，完成各种工作方式的参数设定、记忆及各种动静态参数显示。对话单元由控制芯片、LCM、参数存储器和操作按键组成。
当充电机进入工作状态时，设备首先进行自检。自检项目包括充电电池是否反接、主通道各部分是否正常。
自检结果将发送给对话单元。
自检正常时，设备处于待命状态，准备接收由对话单元发来的各种命令及参数，并按要求开始相应的工作进程。
自检故障时，对话单元显示故障编号，等待检修。
2．2 工作方式
智能型全自动快速充电机设计了三种工作方式：便捷方式、智能方式和放电方式。
便捷方式。一种常规的恒流限压定时充电工作方式，此方式工作时，充电机以设定电流向负载电瓶恒流充电，当充电电压达到限制电压时，电压不再上升，而充电电流逐渐减小。当充电时间达到设定时间时，充电机自动结束充电过程。此种模式充电，电流不宜超过100 A，否则电瓶不易充满，且析气量大。
智能方式。一种针对不同规格型号的电池采取不同整定参数充电的工作方式。而对每一种电池又有三种充电模式，即初充模式、恒流模式和快速模式。
a．初充模式。为两阶段的定电流、定时间的自动充电方式。主要为新电池初充设计。此模式充电，两阶段电流均不宜过大，
b．恒流模式。开始充电时为恒流工作，当电压升高到设定值时转入稳压工作，当充电时间达到设定时间或充电容量满时自动停止充电，这是基本进程。当充电时间足够长时，基本进程会叠加周期性的放电脉冲，叠加后的充电过程为"充-停-放-停-充"。
c． 快速模式。快速模式包含三个顺序阶段：恒流、恒压和小电流维持。恒流段以大电流充电为特征，当充电量达到设定容量或充电时间达到设定值或电压升至限定值时结束，转入恒压段。恒流段可使电瓶恢复80％左右的容量。恒压段则维持恒流充电结束时的电压，而电流逐渐减小，当恒压充电达到设定时间时，自动转入维持充电过程。快速模式和恒流模式一样，当充电时间足够长时，基本进程会叠加周期性的放电脉冲，叠加后的充电过程为"充-停-放-停-充"。恒压过程结束时，电瓶容量可恢复95％以上。当充电进程转入维持充电过程时，脉冲叠加停止。放电方式是为人工对电瓶放电而设计的功能。进入该方式时，电瓶按照设定电流放电，当电瓶电压降到设定值时自动停止放电。
2．3 技术性能和参数
1)额定输入电压：380 VAC±10％50 Hz；
2)额定输出功率：30 kW；
3)直流输出电流：5-200 A；
4)直流输出电压：30～300 V；
5)工作模式：三种，便捷充电、智能充电和自动放电。智能充电模式分为三种充电方式，即初充方式、恒流方式和快速方式；
6)具有自检功能；
7)具有电池反接保护功能；
8)具有过流、过载、短路和超温等保护功能；
3 结语
本设计以大功率IGBT为核心，嵌入先进的智能控制系统，在充电过程中实时检测电池的充电情况，自动调整充电参数，实现最佳的模式控制。通过"充-停-放-停-充"的脉冲充电方式，实现了可控的去极化功能和最佳的充电工艺要求，提高了充电效率和电池的充电容量，延长了电池的使用寿命，同时设备还具有自检及多种保护功能，有着广阔的应用前景。
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