基于DSP脉冲精确控制的蓄电池充放电装置

摘要：随着对蓄电池脉冲快速充放电研究的深入，对精确脉冲发生装置及控制算法的研究显得越来越重要。提出一种基于DSP的蓄电池充放电脉冲发生电路，可对充放电脉冲的发生时间、幅值和宽度进行精确控制。并针对短时间脉冲的控制需要，提出一种改进型PI控制算法，可使充电电流尽快稳定在参考值附近。在此基础上研制了一台基于TMS28336型DSP，容量为20 kVA的脉冲充放电装置，并对其进行了脉冲充电电流为500 A，脉冲放电电流为1 500 A的脉冲发生实验，结果验证了所提出的脉冲发生电路和控制算法的可行性，其放电电流平均值精度可达99．5％，纹波误差为1％。
关键词：蓄电池；脉冲充放电；比例积分控制

1 引言
如今，高效、可靠的蓄电池充电方法显得越来越重要，这也极大地推动了智能快速充电技术的发展。在蓄电池的快速化成和快速充电领域，未来主要的发展方向是脉冲充电电源，用反向电流短时间放电的方法消除极化，这样就可以保证不产生大量气体，又不发热，大大缩短充电时间。目前有采用高频开关电源构成充电电源来进行脉冲充放电，也有采用蓄电池正负极并联放电电阻并设计相应开关控制电路来实现脉冲充放电。但前者造价很高，难以实现大功率输出；后者放电控制电路复杂且无法实现放电电流的任意调节。
此处提出一种基于TMS28336型DSP的蓄电池充放电装置，既能对蓄电池进行恒流充放电，又能对蓄电池进行脉冲充放电，并可准确、快速地调节脉冲特性，即对充放电脉冲的幅值和宽度都可精确控制。通过对一台样机进行实验，验证了该充放电系统的可行性及控制策略的优越性。

2 系统结构及其工作原理
此处研究的蓄电池脉冲充电电源装置，包括由IGBT构成的三相全桥结构的双向换流器，采用脉宽调制(PWM)方式。当其工作在整流模式时，将取自交流电网的380 V三相电整流为100 V直流电；当工作在逆变模式时，将取自直流母线上的100 V直流电逆变为与电网电压同频、同相、同幅的三相电，并馈入电网。能实现直流升降压功能的双向DC／DC电路，在充放电切换时都是功率半导体器件进行动作，对充放电脉冲的时间控制精度能达到毫秒级别；由两个功率开关管V1，V2，一个快恢复二极管VD5和一个放电电阻R组成的充放电投切装置，能实现快速充放电切换。微控制器根据充放电脉冲波形和采集到的电压、电流信号，产生一系列控制脉冲去触发双向DC／DC模块和充放电投切装置。图1为整个电路的原理图。

2．1 脉冲／恒流／恒压充电模式
在充电阶段，首先充放电投切装置动作，关断V2，开通V1，随后DSP封锁V4脉冲，给V3触发信号，此时形成一个Buck电路对蓄电池充电，改变V3触发信号的占空比即可实现对充电电流的精确控制；此时三相不控整流电路经V1和Buck电路对蓄电池进行充电。在放电转充电过程中，为防止在V2关断时产生过压击穿，在R两端反并联一个快恢复续流二极管VD5，如图2所示。

充电模式下，给定Udc1，Udc2的控制值，则V1的占空比D1为：

式中：Ug1为交流电网线电压有效值；n为变压器变比；α为可控整流电路的触发角。[p]
2．2 脉冲放电模式
在放电时，首先充放电投切装置动作，关断V1，开通V2，此时蓄电池经Boost电路和R放电，如图3所示。在放电阶段控制器封锁V3脉冲，给V4触发信号，此时形成一个Boost电路对蓄电池进行放电，改变V4触发信号的占空比即可实现对放电电流的精确控制。

放电模式下，放电电流参考值为I2，放电电压参考值为Udc2，则V2的占空比D2控制初始值为：

[p]
3 精确脉冲控制
3．1 脉冲宽度控制
一个充电脉冲周期分为4个阶段，如图4所示。各阶段通过开关周期计数的方式进行计时，时间控制精度与整个装置开关频率相关。微控制器根据这4个阶段的判断信号，对脉冲宽度进行精确控制。其控制流程如图5所示。

脉冲充放电的脉冲幅值和宽度可以是固定值，也可以是蓄电池电压及温度的函数。这些脉冲幅值、宽度及函数关系式中的系数可通过串行通信接口RS232传入微控制器。与微控制器通信的设备可以是任意一台可进行RS232通信的电脑，也可以编写专门的后台软件来控制装置。
3．2 脉冲幅值控制
这里对短时间脉冲提出由代数运算获得蓄电池充放电电流给定值的滞环控制方法。使控制器对持续时间较短的充放电脉冲做出快速调节，保证短时间恒流充放电的电流稳定。其控制框图如图6所示。

首先根据式(1)确定占空比理论值为D0，实验所用样机充电模式下，Udc2参考值7 V，DC／DC变换电路高压侧直流电压为67 V，则可算出V1的初始占空比D01=0．1；按照放电功率为10 kW设计负载，编织电阻，风冷，使用IGBT进行投切，若Udc=65 V，I=150 A，则R=0．6 Ω，IGBT应使用200 A，则可算出此时V2的初始占空比D02=0．658。
将D01，D02作为V1，V2的占空比初始值，进行第一个开关周期的PWM控制，将反馈得到的电流误差△ein输入滞环模块，若△ein1％io. ref则PI控制进行微调；若△eio>1％io.ref，则根据△eio直接计算D的变化量，累加到该开关周期的D上，达到快速调节D的目的．使io尽可能快地稳定在额定值并重置Dref，一旦△eio1％io.ref，即进入PI控制，利用当前开关周期的Dref作为控制初始值。
当Buck／Boost变换器蓄电池侧充放电电流进入稳态时，即io=io.ref，uo=uo.ref，即iC=iL-io(充电)或iC=io-iL(放电)，见图2，3所示，电容电压维持不变；必须要求控制器根据io，io.ref的大小关系给D的变化量一个合适的值，取D=K(io-io.ref)。
在Buck电路中，K=1，若ioio.ref，应使ic=iL-io0，对电容放电，即使电容电压降低，D减小；当io>io.ref时，需要D增加，取D=io-io.ref即可满足要求。
在Boost电路中，K=-1。若ioio.ref，应使iC=-iL+io>0，对电容充电，即使电容电压升高，D增大；当io>io.ref时，需D减小，取D=-(io-io.ref)即可满足要求。

4 实验结果
研制出一台容量为20 kVA的蓄电池脉冲充放电装置。具备恒流充电电流1 000 A，脉冲充电电流500 A，脉冲放电电流1 500 A的能力。其中，实验主电路参数：变压器变比8：1，容量20 kVA，三相初级线电压380 V，初级电流35A，DC／DC变换电路中C1=1 560μF；C2=275μF；L=1μH，开关频率fs=10 kHz。图7a示出充放电过程中蓄电池端电流波形，图7b示出一个持续时间为0．02 s的放电脉冲电流波形。由图可见，所采用的改进PI控电流输出，充放电电流平均值误差在0．5％～1％，放电脉冲纹波1％，充电脉冲纹波5％，充电脉冲纹波较大是由于样机充电电流输出侧未加入大电容滤波造成的，但并不影响整机的充电性能。

5 结论
提出一种基于DSP的蓄电池充放电脉冲发生电路，可对充放电脉冲的发生时间、幅值和宽度进行精确控制。并针对短时间脉冲的控制需要，提出了一种改进PI控制算法，使充电电流尽快稳定在参考值附近。对样机进行了实际充放电脉冲发生实验，测试了相关数据和波形，结果表明该蓄电池充放电装置工作正常，性能优异。