电池监控装置论文（精选7篇）
电池监控装置论文 篇1
煤矿安全监测监控系统主要设备之一就是隔爆兼本安型多路电源, 该多路电源是直流稳压电源, 适用于存在瓦斯、煤尘爆炸危险的工作环境。在矿井安全监测监控系统中, 本质安全型多路电源可为监控分站及各类传感器提供稳定的直流电源[1]。
根据《煤矿安全监控系统及检测仪器使用规范》 (AQ 1029—2007) 相关规定, 当井下设备检修或因其他原因停电时, 为保证分站以及传感器仍能正常工作不小于2 h, 在电源箱中需设置满足需求容量的蓄电池。铅酸蓄电池的使用不当会引起很多问题, 如硫化、容量减小、使用寿命缩短等情况, 因此, 实现蓄电池的智能化管理非常必要。新桥煤矿采用的后备电池监控管理装置系统具备电池的充放电监测、电池容量检测及显示等功能, 可通过对铅酸蓄电池的有效管理, 提高蓄电池的使用寿命, 降低维护成本。
1 后备电池监控管理装置工作原理
后备电池监控管理系统结构如图1所示。隔爆兼本安型多路电源交流输入, 经保险管接入隔离变压器的输入端。隔离变压器的输出连接到AC/DC转换器, AC/DC转换器输出稳定的直流电压, 一路经过电池管理电路连接备用蓄电池;另外三路经DC/DC和本安处理得到稳定的电源输出。当交流电停电时, 蓄电池中储存的电能通过DC/DC和本安处理放电, 保持稳定的电源输出, 实现不间断供电功能。
2 装置功能及实现
2.1 充放电过程
2.1.1 电路组成
电池监控管理装置充放电电路如图2所示。充放电组成元件主要有二极管、三极管、电阻及电容。另外, 为方便查看本安电源状态, 装置液晶显示屏上设置了指示符号, 用于显示多路电源所处状态是充、放电还是正常工作。
2.1.2 电路工作原理
(1) 正常工作。当MAX3082单片机没有向充放电电路发送信号时[2], 电路中的三极管Q1、Q2都处于导通状态, 此时电池管理电路不工作。
(2) 充电状态。检测电路检测到铅蓄电池电压值低于设计值时, 把欠压信号反馈到MAX3082单片机, 单片机的RE、DE即刻变为发送状态, 同时输出指令控制充放电电路中的Q1、Q2, 使三极管Q1导通、Q2截止, 完成对铅蓄电池的充电工作。
(3) 放电状态。检测电路检测到外部硬件电压为零时, 把欠压信号反馈到MAX3082单片机, 单片机的RE、DE即刻变为发送状态, 同时输出指令控制充放电电路中的Q1、Q2, 使三极管Q1截止、Q2导通, 完成铅蓄电池对外部电路的供电工作。
(4) 充放电过程。MAX3082单片机芯片发送和接收功能转换主要由RE、DE端的电平状态所控制。当RE、DE为1时, MAX3082处于发送状态;RE、DE为0时, MAX3082处于接收状态。正常情况下, 单片机芯片的RE、DE处于接收状态, 当外部电路断电时, 电压检测电路就会向单片机发送欠压信号, 单片机接到信号后, 芯片的RE、DE端由0转变为1, 即MAX3082处于发送状态, 把信号发送给充放电电路, 控制三极管Q1、Q2的通断, 此时执行元件Q1截止、Q2导通, 完成电池管理电路的放电工作。
2.2 电流、电压检测
电流、电压采集回路利用单片机的A/D转换器实现电压、电流参数的采集。由于单片机的A/D转换器对外加控制电压有一定的要求, 只允许对0~+5 V的标准电压进行转换, 因此需要将输入电压通过精密电阻进行衰减, 同时, 因要对输入信号进行隔离, 又要等比例输入单片机。因此, 系统选用光电耦合器。
2.2.1 电压采集
电压采集电路如图3所示。从分压电阻获取的充电电压信号经滤波后, 被单片机周期采样, 将信号转换成0~5 V的模拟电压信号, 送至单片机的A/D采样通道, 使单片机采集实时电压, 以便进行稳压、稳流调节, 为实现控制、保护等功能提供依据[2,3]。
2.2.2 电流采集
电流采集电路如图4所示。其工作原理和电压采集电路基本一致, 主要区别为电流输入信号为分流器输出信号, 范围为0~75 m V。由于A/D转换器精度不够高, 需通过放大器进行放大处理。该系统通过LM324将其放大, 根据放大器工作原理, 放大的倍数为40[4]。从而使得Vi处的电压范围为0~3 V, 而Vi相对于AGNDW的电压与AC1点相对于AGND的电压的关系跟图3中Vi点电压与AC0点电压的关系类似。在此, 通过调节RW6, 将0~75 m V的电压信号 (分流器上的电压) 放大到0~5 V, 供单片机采样。
2.3 RS485通信的应用
MAX3082单片机要实现对充放电电路的控制, 其处理器要与不同控制设备之间进行通信。该装置采用MAX485串行通信, MAX485用于RS485[5]通信的低功率收发器。芯片采用单一+5 V电源供电, 额定电流为300 m A, 半双工通信方式, 完成将TTL电平转换成RS485电平的功芯片中, 包含1个驱动器和1个接收器, 通信电路如图5所示。
2.4 系统显示
(1) 井下显示。为方便井下维护人员观察现场电池组, 电源箱采用液晶显示屏, 以实现人机交换。系统可以实时显示电池组三路本安电源的电流、电压、充放电状态、电池容量及充电电压等数据。
(2) 软件设计。系统启动后, 执行初始化程序, 并读取上次运行得到的各类参数, 最后通过采样子程序以获取电压、电流等数据, 经过运算处理后得到最终的蓄电池运行状态, 最终系统根据不同的状态进行各自的处理程序。
3 结语
自2013年2月, 后备电池监控管理装置开始应用于新桥煤矿安全监控系统, 并取得了良好的效果。
(1) 该管理装置智能化程度高、测量准确, 可及时发现并控制对蓄电池的不当使用, 提供自我保护[6,7], 并能准确地判断系统运行状态, 大大提高了传感器及分站的供电稳定性, 有助于提高蓄电池的使用寿命和工作效率, 减少了维护成本。
(2) 通过装置实时显示的三路电压、电流情况, 可实现电流的实时监测, 当发现电流瞬间超过230m A时, 及时安排监测工处理, 有效防止电流不稳引起的传感器误报警。
(3) 当井下因设备检修或因其他原因停电时, 该装置可实时显示蓄电池的剩余容量, 电池容量达不到要求时, 及时提醒井下维护人员进行更换, 确保了分站以及传感器的正常工作, 保证了数据实时监测, 提高了安全监测监控系统的可靠性和稳定性。
摘要：为了保持后备电池的性能, 延长蓄电池的使用寿命, 新桥煤矿采用了后备电池监控管理装置。主要介绍了后备电池监控管理装置的工作原理和充放电功能的实现及电压、电流等重要参数采集原理等, 该装置在新桥矿取得了良好的应用效果。
关键词：电池监控装置,RS485通信:工作原理
参考文献
[1]何明刚, 李长录, 杨晓丹, 等.煤矿井下监控系统后备电源用锂电池管理系统[J].煤矿安全, 2012 (5) :60-61.
[2]张秋萍.电子技术基础 (模拟部分) [M].上海:华东理工大学出版社, 2008.
[3]康华光.电子技术基础 (数字部分) [M].北京:高等教育出版社, 2011.
[4]姚年春, 侯玉杰.电路基础[M].北京:人民邮电出版社, 2010.
[5]姜地.单片机RS485多机通讯技术[J].中国科技信息, 2006 (17) :126-129.
[6]钱江, 凌朝东.智能型的铅酸蓄电池管理系统[J].单片机与嵌入式系统应用, 2009 (1) :56-58.
[7]姜伟光, 郝磊.用MAX308X实现RS232到RS485总线转换[J].国外电子元器件, 2003 (5) :71-72.
电池监控装置论文 篇2
随着世界范围绿色、环保呼声的高涨,电动汽车等绿色、低碳经济的用电设备的逐步增多。由于阀控式密封铅酸电池VRLA(Valve Regulated Lead Acid Battery)具有体积小、重量轻、自放电小、寿命长、使用方便、安全可靠等优良特点,目前己广泛应用于电力系统[1],目前大型电池供电设备一般多采用VRLA蓄电池作为主要的供电来源。由于目前对电池工作状态的监测管理系统在我国还是空白,使得电池供电系统的可靠性难以保证。目前国内企业所使用的管理系统,都是来自国外的产品,存在成本高,管理、升级困难,且仅适用于低电压、小电流器件,测控体系不健全,智能化程度低[2]。故此研究基于网络对大型电池供电系统电池电压、电流、温度、内阻等状态数据,监测的电池的工作状态的监测系统具有现实意义。
1 系统总体设计
系统由主监控室、分监控室和基站三部分组成,主监控室负责协调和管理的作用,管理各个分监控室和基站,具有最高权限,可是控制和访问下面的任意一个分监控室和基站。分监控室负责监控和管理基站,能够从基站得到信息并向主监控室提供信息服务。主监控室、分监控室由工业控制计算机和监控系统软件构成。基站的功能是实时采集本地监测数据并作一级存储,向分监控室提交监测信息,完成监控系统的执行功能。基站分为两种,一种是固定基站,另一类是移动基站,也就是该电池组使用在电力机车或者是电源车上。
1.1 基站检测单元的硬件设计
系统基站检测单元的硬件电路由处理器、蓄电池端电压检测、充放电电流检测、环境温度检测、充电电压输出、充电电流输出、液晶显示、RS232通信接口、失效报警电路和充电回路等部分组成。其结构如图1所示。
1.1.1 控制器的选择
处理器芯片是整个系统的核心部分。主要任务是对蓄电池状态信号采集、处理,并输出控制信号从而实现对蓄电池充放电的管理。系统选用ATmega16L,它是能够以单片方式提供Flash、EEPROM和10位ADC的高效的8位RISC微处理器,数据吞吐率高达1MIPS/MHz,可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
1.1.2 无线数据传输模块的实现
系统选用的是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器nRF905,该芯片工作电压为1.9～3.6V,32引脚QFN封装(5×5 mm),工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道,频道之间的转换时间小于650μs。适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。无线数据传输系统结构如图2所示。
1.2 系统的软件设计
系统主要完成对蓄电池充电过程、放电过程实时监控,能及时判断出失效的蓄电池并输出报警信号通知用户,同时能够对蓄电池的剩余容量进行估算。实时显示当前蓄电池的状态信息,并通过串行通信接口将蓄电池的状态信息发送给上位监控机,实现信息的海量存储、查阅分析,决定对电池的维护、更换,保障供电的可靠性。
1.2.1 基站监测模块设计
电池充放电监测控制原理如图3所示。
(1)失效模块
在系统中,采取了以每节VRLA蓄电池出厂前厂家给出的在额定容量下的内阻值为基准值,进行比较、分析、评估VRLA蓄电池性能的优劣。当测得内阻高于基准值的25%,启动活化放电子程序对蓄电池进行核对性活化放电;当测得内阻高于基准值的50%时,即刻发出蓄电池己失效的报警指示。
(2)充电监控
系统采用改进的四阶充电法,动态地调整各充电阶段转换点的值。第一阶段,采用恒流充电,不断检测蓄电池的端电压,当一定时间t内检测到的两次端电压值变化足够小时,这时即刻转入第二充电阶段,第二阶段采用恒压充电方式,第二阶段不断的检测充电电流,当充电电流的变化也足够小时,转入第三阶段恒流充电方式,同理检测充电电压,如果变化很小,则转入第四阶段恒流充电,直至蓄电池充满并将充电电压保持在浮充电压补充蓄电池的自放电。
(3)放电监控
在蓄电池使用和维护的过程中,为了活化蓄电池和测量蓄电池的容量,必须定期进行放电实验,因此,一套高性能的放电装置对蓄电池显得尤为重要[3]。系统将1.80 V设置为VRLA蓄电池末期放电电压的基准值,实时检测蓄电池的放电电流,根据放电电流的大小动态调整VRLA蓄电池的末期放电电压,从而达到对VRLA蓄电池的保护。同时系统也对放电电流监控,当放电电流大于正常值较多时,可判断VRLA蓄电池发生短路放电,应立即切断开关,结束放电。
1.2.2 上位机软件的设计
上位机软件平台主要把对采集到的数据做处理,实现数据的海量存储,设计友好复杂的功能和加人性化的管理界面。考虑到通用计算机的功能要远远大于单片机,故此上位机采用通用计算机,利用LabVIEW软件开发系统的管理界面。主要有通信模块、电池充放电管理模块、在线检测模块和网络功能模块。
1.2.3 网络功能的实现
系统利用LabVIEW平台提供的Web Publishing来实现网络功能,该工具在所有平台的所有版本都支持Internet/HTTP服务。可以方便地实现FTP,Telnet,SMTP,CGI,和E-mail等功能。在对蓄电池的综合测试中,利用Internet Toolkit工具包对蓄电池电压、电流、温度等测量值进行上传、下载、网络发布、远程登陆甚至以E-mail的形式发送。利用Internet toolkit工具包所提供的Vi子模块,可以编写FTP,Telnet,SMTP,E-mail等程序,再把所有的程序以子程序的形式显示,即当点击网络按钮时自动弹出网络选择模块,从而实现相应网络功能[4]。
2 系统试验与分析
2.1 失效检测试验与分析
在线运行蓄电池组绝大部分时间处于浮充状态,也就是静态状态,少数时间处于充放电状态,也就是动态状态,由于长时间的浮充使得蓄电池极易老化,造成各个蓄电池性能不一致,蓄电池寿命会大大下降。如何及早知道蓄电池的寿命,准确把握蓄电池性能变化趋势[5]。本系统是通过测量蓄电池的内阻来判断蓄电池是否失效。实验时分别对五块12 V、7 Ah铅酸蓄电池进行了测试,测试结果如表1所示。
实验时,1号、2号、3号蓄电池能正常放电,程序运行正常,但是测不出其内阻值,分析原因是因为检测精度造成的,本系统的检测精度为l mV,而蓄电池放电在l ms内端电压的变化量远低于1 mV,因此读数全部为零。4号、5号已严重损坏,无法进行放电,未能检测。测内阻失效检测功能失败。
实验时,4号、5号蓄电池无法正常充电,未能做放电实验。1号、2号、3号分别放出电量4.24 Ah、4.5l Ah、0.07 Ah。判断结果全部失效。考虑到1号、2号是新购买的蓄电池,由于库存、运输等问题未能激发正常状态,因此对1号、2号蓄电池做了多个充放循环,后测试分别放出电量6.75 Ah和6.78 Ah。判断1号、2号蓄电池有效。3号蓄电池经多个循环后实际容量未能恢复,判断其已失效。
2.2 充电试验与分析
实验时分别对3块12 V、7 Ah铅酸蓄电池进行了测试,1号蓄电池充电曲线如图4所示。
2号蓄电池测试曲线如图5,充电前开路电压为11.08 V。
3号蓄电池在上电以后,其电压变化非常快,仅恒流充电约20 min就进去了浮充状态。
观察1号,2号蓄电池的充电曲线,可以看出:1号、2号蓄电池充电过程基本正常,共用时大约12个小时,充电经过了四个阶段,经过恒流、恒压、恒流充电,最后进入浮充状态。与最佳充电曲线比较,各阶段曲线比较接近,但是在各阶段充电时间上要比最佳充电曲线短,分析认为造成时间缩短的原因是因为1号、2号蓄电池都是新购买的蓄电池,对于新的蓄电池在最初的几个充电循环中出现这种情况应属正常。3号蓄电池在上电以后,其电压变化非常快,仅恒流充电约20 min就进去了浮充状态。
分析充电过程,由于在恒流充电阶段,通过判断端电压的变化值决定是否转入第二阶段,实际中蓄电池的端电压变化仍很大,未能达到进入第二阶段的条件,而电压直接超过了浮充电压值而转入了第四阶段浮充充电。
2.3 放电试验及分析
实验时对1、2、3号铅酸蓄电池进行了测试,测试结果1号蓄电池放电曲线如图6所示。
通过观察1号、2号、3号蓄电池的放电曲线,可以看出:1号、2号蓄电池放电过程正常,1号蓄电池放电约7 h结束,2号蓄电池放电约7个半小时结束,都未能达到理论放电时间,分析认为原因仍然是因为新的蓄电池初始几个循环未能达到最佳状态。3号蓄电池己经老化,放电不到7 min就结束了。
2.4 剩余容量显示实验与分析
剩余容量显示实验目的是要检测系统能否及时准确地显示蓄电池当前状态下的剩余容量。测试结果如表2。
从实验结果可以看出:1号蓄电池放电持续431min结束,实际放出电量4.26 Ah,用安时法计算剩余容量应为2.74Ah,改进后计算剩余容量理论值应为-0.02 Ah,而程序中设定当放出电量大于基准电量值时剩余容量显示为0。安时法与改进安时法显示结果差距非常大,造成这样结果的原因是两种方法的基准值不同,如果蓄电池的实际容量值与额定值相同时,两种方法的显示结果应该是相同的,实验中使用的1号蓄电池,是新的蓄电池,其容量未能达到额定容量,实验结果恰好能够证明当蓄电池使用很长时间以后,由于老化蓄电池的实际寿命减小,这时安时法显示就会出现偏差,而改进后的安时法则能够准确显示蓄电池的剩余容量。
3 结论
系统采用分级管理结构,以单片机为监控单元的基站实现电池状态数据的采集和电池的投入和切除,上位机采用LABVIEW编程实现与底层单片机的通信,系统结构简单,成本低廉,通过LABVIEW自带的Web Publishing工具实现采集的信息发布和数据的远程传送,实现了大型供电电池监测和控制。系统的应用变原有的故障维修机制为状态维修机制,减少了故障几率,提高了电池供电系统的供电可靠性。
参考文献
[1]沈梦甜.电力用阀控密封式铅酸蓄电池维护方法的探讨[J].继电器,2001,29(5):20-22,26.SHEN Meng-tian.Discussion of valve-regulated sealed lead-acid battery used in power[J].Relay,2001,29(5):20-22,26.
[2]朱松然,邱训高.阀控式密封铅酸蓄电池现状及待解决的技术[J].电池工业,1999,12(5):185-187.ZHU Song-ran,QIU Xun-gao.VRLA current situation and need technology solving[J].China Battery Industry,1999,12(5):185-187.
[3]蔡子亮,马俊朋.一种新型电力系统蓄电池放电装置的设计[J].继电器,2007,35(14):38-41.CAI Zi-liang,MA Jun-peng.A new power system battery discharge device design[J].Relay,2007,35(14):38-41.
[4]秦学华,刘亚斌,等.基于LabVIEW的虚拟仪器网络化实现[J].测控技术,2004,23(2):71-73.QIN Xue-hua,LIU Ya-bin,et al.Implementation of network virtual instrument based on LABVIEW[J].Measurement and Control Techniques,2004,23(2):71-73.
蓄电池叉车强化试验控制装置 篇3
1. 强化试验方法
根据中华人民共和国机械行业标准JB/T3300-2010《平衡重式叉车整机试验方法》中关于蓄电池叉车强化试验方法,要求蓄电池叉车在0Q载荷状态下做3次循环行驶,在0.7Q载荷状态下做5次循环行驶,在1Q载荷状态下做2次循环行驶。以上10次循环组成1个大循环,按此循环方法进行200h强化试验。具体强化试验时叉车行驶路线如图1所示。
(1)空载循环
将叉车移至X1处,在0Q载荷(空载)状态下按路径1后退至A1处,再从A1处沿路径2前进至Y1处。从Y1处沿路径3后退至B1处,再从B1处沿路径4前进至X1处,第1个循环结束,按此方法进行第2、第3次循环。
(2)部分载荷循环
第3次循环结束后,将叉车移至X2处,叉取0.7Q载荷进行试验,按照空载循环试验方法和X2→A2→Y2→B2→X2行驶路线进行第4至第8次循环试验。
(3)额定载荷循环0Q-空载0.7Q——0.7倍额定载荷1Q——额定载荷
0Q-空载0.7Q——0.7倍额定载荷1Q——额定载荷L01——30m L02——32.5m L03——5m (0.5t≤Q≤2.5t)或7m (2.5t
第8次循环结束后,将叉车移至X3处,叉取1Q载荷进行试验,按照空载循环试验方法和X3→A3→Y3→B3→X3行驶路线进行第9和第10次循环试验。第10次循环结束后,将叉车移至X1处,重新按前述循环进行试验。
按此强化试验路线,每次循环要靠试验人员手工计数、计时来完成,其循环次数、每次循环所用时间的误差很大,不能保证强化试验数据的准确性。为保证按照标准进行强化试验,我们设计了一种强化试验控制装置。
2. 强化试验控制装置结构和原理
(1)结构
蓄电池叉车强化试验控制装置由12V电源、单片机控制单元、传感器单元、显示单元、USB接口等组成,如图2所示。
该装置由单片机控制。我们选用高速、低功耗、超强抗干扰和低价格S T C12C5A60S2系列新一代8051型单片机。该种单片机通过RS-232标准的串行数据通讯接口,可以很方便的实现程序下载。
显示器选用六位五寸七段共阳极LED高亮数码管显示,便于试验人员观察并及时调整试验载荷和强度。
传感器选用对射型光电传感器,每1种试验载荷对应1对光电传感器,3对光电传感器对应3种试验载荷。
电源选用具有容量大,使用时间长等优点的直流12V叉车用蓄电池,给各个单元供电。
USB接口既可以给单片机供电,又可以用作通讯接口使用。
(2)工作原理
蓄电池叉车强化试验控制装置工作原理如下所述:
叉车在0Q载荷开始试验时,车身遮挡住光源,传感器1被触发,开始计数、计时。单片机控制系统对数据进行处理,等叉车再回到试验起点时,车身遮挡住光源,第1次循环结束。传感器光源2次被遮挡之间的时间间隔就是该循环所用时间,感应的次数就是循环次数。单片机将处理后的数据通过LED数码管显示出来。第2次、第3次循环也按此方法进行。
第3次循环结束后,叉车转到0.7Q额定载荷处进行试验,传感器2被触发,此时开始进行第4至第8次循环试验。
第8次循环结束后,叉车转到1Q额定载荷处进行试验,传感器3被触发,此时开始进行第9和第10次循环试验。
第10次循环结束后,1个大循环试验结束,叉车又转到0Q载荷处进行试验,不停的按此方法进行循环试验,直至200h强化试验结束。
3. 仿真试验
我们运用Proteus仿真软件,对该装置的工作状况进行了仿真试验,大大节约了设计的时间和成本,并为系统的拓展提供了良好途径。
仿真结果表明,该装置能够实现试验循环自动计数计时功能,试验人员通过该装置显示的内容,可按标准要求及时调整试验载荷和强度,可保证叉车按标准进行强化试验。
4. 使用效果
基于单片机的电池储能装置 篇4
本文设计的电池储能装置也可作为移动电源使用,采用buck/boost双向DC/DC变换电路,5节锂电池作为负载,通过单片机控制PWM决定是恒流充电模式还是恒压放电模式;A/D、D/A将采集的电流/电压进行处理,通过按键对输入电流按0.05A步进进行设置,具有过充保护功能;系统有自置的辅助电源,可以为芯片提供工作电压。测量结果可显示,便于实时监控,具有较高的转换效率,实用性较强。
1 系统硬件电路设计
系统由双DC-DC变换主回路、控制电路、驱动电路、测量电路、保护电路组成,如图1所示。主回路输入的直流电压经过Boost DC-DC电路输出电压可调24~36V直流电;控制电路由单片机系统组成,单片机通过A/D对输出的电压、电流进行采样测量,并通过单片机产生的PWM信号对占空比进行自动调节,使输出电流稳定[4]。通过UCC27211驱动DC-DC主电路开关管的通断,保护电路检测输出电流的大小,实现过充保护[5],一旦出现故障,立即封锁驱动电路的输出,关断开关管,并切断DC-DC主电路以达到保护目的。
1.1 双向DC-DC主回路
主回路采用电压-电流型双向全桥DC/DC变换器,该拓扑既能够实现升压也能实现降压,这样方案简单,且成本较低。设计如图2所示,UCC27211作为驱动芯片,结合外围的开关管、二极管及电感等构成Buck/Boost升压、降压结构。
1.2 电压/电流采样电路
用单片机MSP430G2553产生PWM控制信号。单片机根据取样电路的反馈对PWM信号做出调整以实现稳压输出。这种控制方法灵活性高、可靠性好、抗干扰能力强,同时节省了系统的开发成本,可以针对本系统具体优化。康铜丝电阻温度系数小,阻值稳定,受外部干扰小,故采用康铜丝采样负载电流[6,7]。如图3所示,用A/D转换将采样到的电流输送到INA128仪表放大器中,将采样到的电压进行放大,与基准电压进行比较。用液晶屏显示此时的电压。由V/Rs=I,即测得电流值。
1.3 电源供电模块
交流电经整流二极管变为直流电后,再采用三端可调集成大功率稳压器并联的模式来提供稳定的电压和较大的输出电流。这种方法电路结构简单、输出的电压经滤波后纹波较小,稳定性较高,但效率较低,对变压器的容量要求较高。如图4所示,稳压电源采用三端稳压器7805、7905与MC34036构成。由于78系列稳压器最大输出电流为1.5A,而系统输出最大电流为2000m A,为此,需外加功率管扩流。
2 软件设计
锂电池化成过程分为锂电池充电和放电两个部分,锂电池充电,即Buck模式下,包括两个阶段:
(1)恒流限压充电,检测电流电压,当电流电压达到充电限制电压时,就进入恒压限流充电;
(2)恒压限流充电后,检测电池电流,当电池电流降低到规定值后,自动停机。锂电池放电,即Boost模式下,采用恒流放电,当达到放电终止电压时,自动停机。根据上述过程,具体的程序设计流程图如图5所示。
3 理论分析与计算
3.1 主回路主要器件选择与参数计算
首先选择电路开关频率fs。因为开关损耗几乎与开关频率的平方成正比,频率过高会使损耗增加;但如果频率太低,会使滤波电感、电容体积过大,而且电路容易出现音频噪声。综合考虑以后,选择fs为20KHz。
(1)电池的荷电状态:锂电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值,常用百分数表示。其取值范围为0~1,当SOC=0时表示电池放电完全,当SOC=1时表示电池完全充满。控制蓄电池运行时必须考虑其荷电状态。
(2)电压Uin的计算:U2的变化范围为24~36V,通过计算可得Uin变化范围为30.54~26.73V。
(3)占空比的计算:输出电压Uo的变化范围为30~36V,在Boost电路中可计算出D的变化范围为0.109~0.469。
(4)电感电流连续时,电感L的计算。临界负载电流:
当D=1/3时,Iob有最大值:Iobm=2×Uo27×L×fB。电流连续,则最小负载电流Io min≥Iobm,那么可以计算,取L=2m H。
(5)由输出纹波计算滤波电容C,取C为220u F。
(6)开关管的选择。由于电路最大输出电压U2为36V,因此开关管最大关断电压为36V。经计算,选择IRF3205作为开关管,其导通电阻为8mΩ。
3.2 驱动/采样电路器件选择与参数计算
(1)PWM驱动电路器件的选择
MOS管驱动芯片UCC27211静态功耗小,上升时间tr=170ns,下降时间tf=90ns,可实现MOS管的高速开通和关断。
(2)采样电路器件的选择
采样电阻的选择十分重要,要求噪声小,温度特性好,所以最好选择低温度系数的高精度采样电阻,例如,康铜丝制成的电阻,另外,采样电阻阻值取大一点,对稳定度有好处,但会使效率下降,折中考虑取R=10mΩ。
(3)A/D、D/A芯片的选择
由于充电电流I1在1~2A范围内步进可调时,要求电流控制精度不低于5%,计算可得:I1≥1.05I10
因此A/D采样精度较高,若D/A转换器位数越高,D/A转换时误差就越小,故选择16位芯片ADS1118,当测量并显示电流I1,且可以实现输入电流在1~2A范围内精度不低于2%。
3.3 提高效率的方法
系统主要由双向DC-DC变换器、控制电路、测量电路和辅助电源构成。影响系统效率的因素主要有:开关损耗、电感储能损耗、整流二极管损耗和辅助电源损耗。部分功耗计算如下:
(1)MOSFET损耗:
(2)储能电感损耗:PIND=PCO+PFe=Irms×Re+ΔB×m
因此提高效率的方法有:合理选择电路结构;适当降低开关频率,并设计缓冲网络降低开关管关断损耗;加大主回路电流容量;选择导通压降小的二极管,并采用多个并联的办法来降低二极管导通损耗;降低控制部分的消耗、提高辅助电源的效率;合理分配各模块的效率损失,降低线性调整管压降等。
4 测试结果
(1)电流控制精度
在U2=30V,改变设定电流值,记录电流测试值如表1所示:
(2)充电电流变化率
测试方法:在I1=2A时,调整直流稳压电源输出电压在24~36V之内变化,记录电流值如表2所示:
由得效率为8%。
(3)效率
充电模式时:在I1=2A,U2=30V时,通过测量U1、I2后计算得到,如表3所示:
放电模式时:保持U2=30∓0.5V,通过测量U1、I1、I2后计算得到,如表44所示:
通过对输入/输出电压、电流的测试,整个系统的效率为98%,略低于理论计算结果。原因是DDCC--DDCC电路中损耗计算复杂,而且采用简化公式计算,引起计算偏差,系统功能较多,控制系统复杂,消耗一定的功率。因此,可以通过降低控制电路、调整管的能量来提高整机效率。
(4)过充保护功能测试
测试方法:在电池组的输出端串入滑线变阻器,使U1增加。当充电完成时,开关断开,自动放电。
5 结论
本系统采用Buck从电、Boost放电电路,实现了双向DC-DC变换器的设计。在U2=30V时,充电电流I1在1~2A范围内步进可调步进值为0.05A,电流控制精度达4%;在I1=2A,U2在24~36V范围内变化时,充电电流I1的变化率为1%;当I1=2A,U2=30V时,变换器的效率达到95%;充电电流I1在1~2A内测量精度为2%,且具有过充保护功能,达到了题目的基本要求,基本满足发挥部分要求。
本电路结构简单、功能齐全、性能优良,保护电路完善,使用安全。
参考文献
[1]于遵谨.基于单片机的开关电源测试系统的设计[J].计算机测量与控制,2008,16(3):306-309..
[2]王贵锋,李峰.基于单片机控制的开关电源的研究与设计[J].自动化与仪器仪表,2014(10).
[3]张兴杵.开关电源功率变换器拓扑与设计[M].中国电力出版社,2010.
[4]段新东.PWM控制电流模式的DC-DC变换器设计[D].长春:吉林大学,2007.
[5]李瑞.高稳定数字化幵关电源研究[J].中国科技成果,2011,12(8).
[6]寇伟.低纹波高效率DC/DG开关电源设计与实现[D].北京:中国科学院大学,2015(04).
节能型蓄电池放电检测装置 篇5
单相节能型蓄电池放电检测装置主要包括DC/DC直流电流控制器、高频隔离变压器、DC/AC有源逆变器和DSP控制电路等。DSP的控制电路发出PWM信号, 将蓄电池放出的电流经高频隔离变压器进行DC/AC变换, 然后并入交流电网, 在控制蓄电池按要求放电的同时实现电能的回收再利用。
装置的原理为蓄电池电压Ed经DC/DC直流电流控制器后, 输送给DC/AC有源逆变器, DC/DC直流电流控制器为升压电路, 将蓄电池电压变换成DC/AC有源逆变电路前级所需要的直流电压, 逆变器的后级输出电压则并入电网, 它的幅值和相位由硬件和DSP组成的控制系统来完成[1]。另外, 主电路中加入了一些必要的保护措施。例如电感和电阻用于抑制直流输入合闸浪涌电流;电感和电容用于滤去PWM逆变电路产生的高频开关噪声[2]。
二、装置控制电路设计
3.1 D S P控制电路。本装置运用了T I公司的TMS320F28335处理芯片作为核心控制CPU, 利用DSP高速运算速度的特性, 满足了节能型蓄电池放电检测装置稳定、高效运行的要求。同时也具有放电性能好、对电网谐波污染小、使用安全、便捷等优点。
3.2DC/DC直流控制器。DC/DC直流控制器包括开关器件IGBT组成的全桥逆变电路、高频隔离变压器和整流二极管组成的全桥整流电路。DC/DC直流控制器采用全桥移相软开关技术, 开关器件IGBT组成的全桥逆变电路首先将直流电压逆变成高频交流电压, 通过高频变压器隔离后, 再由D1~D4组成的全桥整流电路变换成直流电压。
3.3DC/AC有源逆变器。DC/AC有源逆变器采用全桥拓扑, 调制方式为单极性调制。装置向电网输送能量时, 不仅要保证流入电网的电流为正弦波, 还要保证流入电网的电压相位一致和幅值稳定。在DC/AC有源逆变器中, 电压控制采用PI控制。原理为;互感器采集到的实际电压与给定的电压比较后, 把比较值经PI控制器送给DSP控制器。
3.4IGBT驱动电路设计。该装置中的开关器件均为IGBT, IGBT的驱动和保护也是装置本身需要研究的重要内容。本装置中采用HCPL316J来驱动IGBT, HCPL316J带有过流检测电路, 通过内部电路来监测IGBT的集电极电压, 一旦发生短路则关断IGBT进行保护。驱动电路中比较重要的一点是门极开通 () 电阻和门极关断电阻 () , 该电阻阻值越大, 开关损耗和驱动脉冲上升下降时间就会减少, 电阻阻值越小, 开关损耗和脉冲上升下降时间就会增加。它的大小可通过公式1来计算。
(1) 其中RG是门极电阻;正偏压电源电压;是负偏压电源电压;IG是门级驱动电路输出的峰值电流[3]。
三、结论
节能型蓄电池放电检测装置是针对直流电源蓄电池放电而设计制造的高新技术产品。它采用先进的电力电子技术, 利用有源逆变的方法将蓄电池放出的直流电能变换为交流回馈到电网, 放电过程智能控制, 具有使用安全、便捷, 自动化程度高, 高效节能等特点。
摘要：本文介绍了一种新型的单相节能型蓄电池放电检测装置, 并对其控制电路和控制方法进行了研究。电路具有IGBT过流、过热、直流过压、输出交流过压、输出交流欠压、输出交流过流等多种保护类型。结果表明, 该装置放电性能良好、对电网谐波污染小, 具有很高的使用价值。
关键词：能量回馈,蓄电池放电,PWM波,谐波
参考文献
[1]王兆安, 黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2000.
节能型蓄电池放电检测装置 篇6
关键词：能量回馈,蓄电池放电,PWM波,谐波
1 前言
现代供电系统中广泛使用蓄电池作储能设备, 是不间断供电的基础。蓄电池的合理使用和正确维护是确保直流操作系统和电力通信调度系统长期稳定运行的关键。
目前, 放电试验主要采用电阻或者耗能型电子负载, 将蓄电池能量以热形式消耗掉。这两种方式存在着耗能和安全等诸多缺陷。节能型蓄电池放电检测装置就是针对直流电源蓄电池放电而设计制造的高新技术产品。它基于32位DSP控制、采用先进的电力电子技术、利用有源逆变的方法将蓄电池放出的直流电能变换为交流回馈到电网, 放电过程智能控制, 具有放电性能良好、对电网谐波污染小、使用安全、便捷、自动化程度高、可以远方监控等特点。
2 装置硬件结构及工作原理
节能型蓄电池放电检测装置的整体结构框图如图1所示。主要包括DC/DC直流电流控制器、高频隔离变压器、DC/AC有源逆变器和DSP控制电路等。基于DSP的控制电路发出PWM信号, 将蓄电池放出的电流经高频隔离变压器进行DC/AC变换, 然后经噪音滤波器并入交流电网, 在控制蓄电池按要求放电的同时实现电能的回收再利用。
图2为蓄电池放电装置的主电路结构, 是图1模块的内部电路。Ed为蓄电池电压, 开关器件M1~M8为IGBT, 它的开断由DSP产生的PWM波控制[1]。节能型蓄电池放电检测装置的原理为蓄电池电压Ed经DC/DC直流电流控制器后, 输送给DC/AC有源逆变器, DC/DC直流电流控制器为升压电路, 将蓄电池电压变换成DC/AC有源逆变电路前级所需要的直流电压, 逆变器的后级输出电压则并入电网, 它的幅值和相位由硬件和DSP组成的控制系统来完成。
3 装置控制电路设计
3.1 DSP控制电路
本装置运用了TI公司的TMS320F28335处理芯片作为核心控制CPU, 利用DSP高速运算速度的特性, 集成DSP常用的外围电路, 满足了节能型蓄电池放电检测装置稳定、高效运行的要求。同时也具有放电性能好、对电网谐波污染小、使用安全、便捷、自动化程度高、可以远方监控等优点。
3.2 DC/DC直流控制器
如图2所示, DC/DC直流控制器包括开关器件IGBT (Ml~M4) 组成的全桥逆变电路、高频隔离变压器和D1~D4组成的全桥整流电路。DC/DC直流控制器采用全桥移相软开关技术, 开关器件IGBT组成的全桥逆变电路首先将直流电压逆变成高频交流电压, 通过高频变压器隔离后, 再由D1~D4组成的全桥整流电路变换成直流电压。
3.3 DC/AC有源逆变器
如图2所示, DC/AC有源逆变器采用全桥拓扑, 调制方式为单极性调制, 逆变器的输出采用双电感结构的滤波器。系统的控制算法由DSP实现, 利用软件完成锁相技术, 同时采用PI控制算法进行并网电流控制, 实现高质量并网电流的输出。
节能型蓄电池放电检测装置向电网输送能量时, 需要考虑并网的电能质量, 即不仅要保证流入电网的电流为正弦波, 还要保证流入电网的电压相位一致和幅值稳定。在DC/AC有源逆变器中, 电压控制采用PI控制。互感器采集到的实际电压与给定的电压比较后, 把比较值经PI控制器送给DSP控制器。在此同时, 电流传感器把从电网采集到的信号送给比较器, 比较器输出的频率信息送入PLL锁相电路, PLL锁相电路和计数器把数据信息传送到DSP控制器, DSP控制器对PI控制器和PLL锁相器传送的信息进行乘法运算后, 产生于电源同频同相的正弦调制PWM波。由此正弦调制PWM波控制IGBT (M5~M8) 的开通关断, 从而产生我们需要的入网电流信号。
3.4 IGBT驱动电路设计
节能型蓄电池放电检测装置中的开关器件均为IGBT, IGBT的开关特性和性能好坏直接影响着DC/AC有源逆变器输出电压的稳定与否。因此如何有效的驱动和保护IGBT也是装置本身需要研究的重要内容。节能型蓄电池放电检测装置中采用HCPL316J来驱动IGBT, HCPL316J带有过流检测电路, 可以通过14管脚来监测IGBT的集电极电压, 一旦发生短路则关断IGBT进行保护。R7和R8分别为IGBT的门极开通 (RG (on) ) 电阻和门级关断电阻 (RG (off) ) , 该电阻阻值越大, 开关损耗和驱动脉冲上升下降时间就会减少, 电阻阻值越小, 开关损耗和脉冲上升下降时间就会增加。它的大小可通过公式1来计算。
其中RG是门极电阻;VG (on) 正偏压电源电压;VG (off) 是负偏压电源电压;IG是门级驱动电路输出的峰值电流[3]。
参考文献
[1]王兆安, 黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社, 2000.
[2]易映萍.单相正弦波逆变蓄电池并网放电装置的研制[J].湖南工程学院学报, 2003 (4) :11-14.
太阳能电池板自动追光装置设计 篇7
我们的整套装置集成了多项功能, 其中包括初始寻光功能。在采光板上, 五个光敏电阻成十字状。
我们首先采用调用电机旋转一圈, 旋转的同时不断采及中心光敏电阻的AD数值, 记录最强点, 然后翻转回最强点, 此种方案将能很好的判断多个光源时的光强最强点判断。此时水平方向已经对准, 然后进入竖直方向修正, 我们不断采集竖直方向两个光敏电阻的AD数值, 进行比较, 然后转动以减小二者的数值差。循环此过程直至上下两个光敏的数值相等, 初始追光结束, 进入时时追光功能。逻辑控制单片机不断调用底层驱动单片机采回位于边缘的四个光敏电阻的AD数值, 比较水平向是否有差值, 若有则根据差值大小调整相应角度, 同理调整竖直向, 以使竖直向两光敏数值趋于相等, 不断循环进行采数, 比较, 调整过程, 以保证采光板一直对准光强最强点。对于根据时间预设追光功能, 首先我们需要一个万年历, 我们通过外部信号给逻辑控制单片机每秒发送一个脉冲, 然后单片机定时通过计数, 模拟出时钟, 然后我们通过对逻辑单片机的编成, 实现了年月日时分秒的存储以及时时显示。有了万年历后, 我们根据日照规律计算出采光板位置关于日期时间的函数, 然后通过用程序在逻辑控制单片机端实现此函数, 根据函数的到相应的追光动作, 控制电机转至相应位置, 从而实现预设追光。
2 设计原理
2.1 光强采集
光敏电阻通电时会两端电压因所接受的光强不同而改变, 光强越强, 电压越大, 光强减弱, 电压值减小。在整个装置的设计当中这是我们的最根本原理根据, 我们不断的通过AD将光敏电阻值取回, 通过逻辑判断进行相应操作。
2.2 追光判断
为了追光, 我们必须确定临界条件, 我们在采光的板水平以及竖直方向放置了四个电阻, 这样一旦水平方向的两个光敏电阻反映的光强值相等, 则表示水平方向采光板以对准光强最强点。同理, 当竖直两光敏电阻反应的光强值相等时, 则竖直方向已对准光强最强方向。从而实现了二维追光。
2.3 日照规律
为了更好的完成预设追光功能, 我们研究了日照规律, 并据此得到了相应的采光板位置关于时间的函数, 并用此函数得到相应的追光动作。
2.4 AD芯片采数
为了更好的进行逻辑控制, 我们需要精确的数值来反映光强大小, 所以我们采用AD芯片采回光敏电阻两端的电压值, 供计算使用。
2.5 单片机控制
为了实现更多的追光策略, 我们引入单片机, 利用其可计算, 可编成, 可完成复杂控制逻辑的功能, 更好的为装置提供控制策略, 调用硬件运转完成我们所需的功能。
3 程序说明
功能控制策略实现如图1所示。
4 制作调试
为了使此设备能很好的运行, 我们对其进行了多次测试。我们的原则是:迭代型开发过程。即首先设计出总体思路以及原理图、电路图, 然后按照这些材料, 针对每个部件进行开发测试, 首先让每个部件设计制作完成, 测试调通后进行组装测试。同时, 由于我们的作品当中既有软件部分又有硬件部分, 因此我们采用并行开发过程, 然后将单片机电路制作完成后, 用仿真器进行模拟逻辑正确性测试。由于有串行通讯, 所以我们两块单片机分开制作, 分别先和电脑相连通, 借助串口精灵软件进行单独测试, 完成后进行连通测试。软件模拟测试后, 等待硬件开发结束后, 用仿真器进行实际测试。基本功能实现后将程序烧入芯片进行最终测试。
5 测试纪录
非正常试验结果记录如表1所示:
参考文献