摘? 要: 介紹了鉛酸蓄電池自動(dòng)充放電控制器的構(gòu)成，給出了充放電時(shí)電流和電壓控制策略，同時(shí)簡(jiǎn)述了軟件實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)際應(yīng)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(guān)鍵詞: 鉛酸蓄電池? 充放電機(jī)? 模糊控制? PID控制? 單片機(jī)
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鉛酸蓄電池是目前大容量電池的主要品種，在通訊、交通、電力等部門得到了廣泛應(yīng)用，但因充放電控制不合理而損壞的電池占相當(dāng)大的比例。若鉛酸蓄電池充放電適當(dāng)，可以工作在10~15年時(shí)間。而現(xiàn)在，許多電池在生產(chǎn)和使用過程中，還是采用一些簡(jiǎn)單的充放電設(shè)備進(jìn)行充放電，不僅造成充電量不足，使電池不能發(fā)揮最大的電力效應(yīng)，而且縮短了使用壽命。為此，我們研制了鉛酸蓄電池自動(dòng)充放電控制器。
1 充放電方法
對(duì)于蓄電池的充放電應(yīng)該嚴(yán)格按要求進(jìn)行(尤其是浮充充電)，根據(jù)蓄電池充放電的特性，用計(jì)算機(jī)控制其過程最為合適。
典型的蓄電池充電包含四個(gè)階段，如圖1所示。
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每個(gè)階段以恒電流或恒電壓充電，依賴于電流、電壓的設(shè)定值Ib1、Ib2、Eb1、Eb2。第一階段，以Ib1恒流充電，當(dāng)電壓達(dá)到Eb1時(shí)轉(zhuǎn)入第二階段。第二階段以電壓Eb1進(jìn)行恒壓充電，隨著電池開路電壓的提高，電流會(huì)逐漸變小，當(dāng)充電電流達(dá)到Ib2時(shí)，轉(zhuǎn)入第三階段。第三階段以Ib2恒流充電，這時(shí)電池電壓進(jìn)一步提高，當(dāng)電壓達(dá)到Eb2時(shí)轉(zhuǎn)入第四階段。第四階段以Eb2恒壓充電，這時(shí)電流進(jìn)一步逐漸變小，當(dāng)充電安時(shí)數(shù)達(dá)到后停止。
電池的放電，主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(wǎng)，當(dāng)蓄電池達(dá)到終止放電電壓時(shí)停止放電。
2 蓄電池自動(dòng)充放電控制器的構(gòu)成
蓄電池自動(dòng)充放電控制器的構(gòu)成如圖2所示，由三相全控整流橋電路、觸發(fā)板、計(jì)算機(jī)控制板、電流電壓傳感器及濾波電路構(gòu)成。三相全控整流橋電路由觸發(fā)板控制，為蓄電池組提供數(shù)百安培充放電流。觸發(fā)板由計(jì)算機(jī)控制板控制，為三相全控整流橋電路提供整流或逆變觸發(fā)脈沖。用電流分流器和電壓分壓器測(cè)得充放電過程電流和電壓信號(hào)，信號(hào)濾波后，被計(jì)算機(jī)控制板周期采樣。以16位單片計(jì)算機(jī)80C196KB為核心構(gòu)成的計(jì)算機(jī)控制板包括鍵盤、顯示電路、微型打印機(jī)、12位調(diào)節(jié)輸出電路，80C196KB通過內(nèi)嵌A/D通道采樣輸入信號(hào)，完成分段曲線控制。
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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(hào)經(jīng)π型濾波器濾波，其輸出信號(hào)作為混合型模糊PID控制器的輸入量，濾波前的信號(hào)由計(jì)算機(jī)采樣用于快速保護(hù)。濾波器的時(shí)間常數(shù)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(huì)造成調(diào)節(jié)失控。過電流和過電壓的抑制與保護(hù)措施是由計(jì)算機(jī)快速封鎖觸發(fā)脈沖完成的。
3 控制策略
由于電網(wǎng)的波動(dòng)及周邊負(fù)荷的變化，在交流電的一個(gè)或多個(gè)周波內(nèi)會(huì)使充電電流出現(xiàn)躍變。自動(dòng)充放電控制器的調(diào)節(jié)功能是使充電電流或電壓穩(wěn)定。電池在深放電后充電，開始階段電池的內(nèi)阻較大，隨著充電電壓的升高，內(nèi)阻變得非常小，因此使電網(wǎng)中很小的電壓波動(dòng)也會(huì)引起充電電流較大的變化。這就要求充電控制器的調(diào)節(jié)速度要快，不然會(huì)引起跳閘，甚至損壞整流電路。在實(shí)踐中我們比較了多種控制算法，對(duì)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]較為合適，如圖3所示。
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??? 當(dāng)誤差e≥EP時(shí)，應(yīng)用模糊控制器調(diào)節(jié)，
分別是偏差、偏差變化率和控制量的模糊語言變量。系統(tǒng)根據(jù)不同的狀態(tài)使用合適的控制規(guī)則。根據(jù)現(xiàn)時(shí)的精確量e、ec進(jìn)行模糊化，由模糊控制規(guī)則計(jì)算出模糊控制變量
，把計(jì)算出的模糊控制變量精確化，加到控制對(duì)象上。偏差和偏差變化率為:
根據(jù)實(shí)際調(diào)試和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出模糊控制規(guī)則，共計(jì)36條。采用Mamdani推理合成算法，用重心法進(jìn)行模糊判決，從而計(jì)算出精確輸出量u。根據(jù)上述規(guī)則，對(duì)于所有輸入組合和狀態(tài)值進(jìn)行離線計(jì)算，得控制表存于E2PROM中。在模糊控制過程中根據(jù)e、ec查相應(yīng)的控制表，得輸出控制量。
當(dāng)誤差e 4 系統(tǒng)軟件 整個(gè)軟件用PLM96語言編寫，全部模塊化編程。利用系統(tǒng)資源提供的8個(gè)軟件定時(shí)器，設(shè)為中斷方式，驅(qū)動(dòng)8個(gè)事件。其中，軟定時(shí)器T0設(shè)為20毫秒中斷，用于驅(qū)動(dòng)恒電流或恒電壓控制。軟定時(shí)器T1用于驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)處理和充放電過程曲線控制。軟定時(shí)器T2用于驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)，累計(jì)充放電安時(shí)和時(shí)間。軟件中還設(shè)置了快速保護(hù)功能、軟啟動(dòng)功能和暫停后的自恢復(fù)功能。 蓄電池自動(dòng)充放電控制器的硬件與軟件設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，融為一體。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，控制器對(duì)電流和電壓的檢測(cè)精度達(dá)到0.1%，控制精度在穩(wěn)態(tài)時(shí)小于0.2%，控制過程動(dòng)態(tài)超調(diào)量小于1%，充電量計(jì)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(dòng)充放電控制器的應(yīng)用使充電與放電過程自動(dòng)化，不僅顯著提高了蓄電池的生產(chǎn)質(zhì)量和使用壽命，而且節(jié)省電能約5%。該控制器經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用和多次修正后，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，適用于各種苛刻的工業(yè)環(huán)境。目前已經(jīng)被魯中蓄電池廠和淄博蓄電池廠等多家廠商采用。 ? 參考文獻(xiàn) 1 陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，1998(1)：57～62 2 張紅杰，徐江寧.鉛蓄電池極板化成的模糊控制.測(cè)控技術(shù)，1998;17(1)：39～40 3 張承慧，章藝.一類新型模糊控制器及其應(yīng)用.測(cè)控技術(shù)，1996;15(5)：63～65