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急劇上升嚴(yán)重?fù)p壞了電池的板極，縮短了電池使用壽命。通過(guò)對(duì)變流充電優(yōu)化模式的分析。提出了依據(jù)蓄電池各單節(jié)端壓電液密度和溫度的變化綜合確定蓄電池組內(nèi)部狀態(tài)及其實(shí)際可接受充電電流能力的方法，通過(guò)合理逼近理想充電曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)充電過(guò)程的最優(yōu)控制。詳細(xì)介紹了基于這理論的種實(shí)用型智能化變流充電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及其相關(guān)技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)。
隨著對(duì)電池需求的日益增長(zhǎng)，研宄變流充電的優(yōu)化模式及其智能化控制系統(tǒng)己成為世界各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家普遍重視的科研課。
1變流充電的優(yōu)化模式恒流充電和恒壓充電是目前采用最多的兩種充電模式。
這種常規(guī)充電模式在控制上易于實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際應(yīng)用中存在重大缺陷。
在充電過(guò)程中，隨著蓄電池保有容量和端電壓的不斷增加，蓄電池內(nèi)部極化現(xiàn)象也逐漸嚴(yán)重，這使其可接受的充電電流越來(lái)越小。理想充電模式應(yīng)能在整個(gè)充電過(guò)程中按照蓄電池當(dāng)前實(shí)際可接受電流的能力提供有效的最大電流，這個(gè)電流顯然是動(dòng)態(tài)變化的，它是充電時(shí)間的函數(shù)。大量實(shí)驗(yàn)證明理想充電曲線是條指數(shù)曲線，可用下式io充電開(kāi)始時(shí)2.恒流充電曲線尸，0是蓄電池額定容量，為蓄電池充電電流接受比，由蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和狀態(tài)決定。
電電能有效地轉(zhuǎn)化為電池的化學(xué)能，電能轉(zhuǎn)化效率最高。同時(shí)蓄電池的出氣率和溫升最小。使蓄電池的極板得到充分保護(hù)。
大大延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。
由1可以看出。恒流充電電流在充電初期小于蓄電池可接受的最大電流。造成充電周期的延長(zhǎng)；在充電后期則遠(yuǎn)超過(guò)蓄電池可接受電流的能力。電能大部分耗費(fèi)在水的分解和電池能消耗了。伴隨而來(lái)的過(guò)度出氣和溫度急劇上升會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞電池的極板，造成極板活性物質(zhì)的過(guò)早脫落，縮短了電池使用壽命，恒壓充電之所以也不合理，這是因?yàn)樾铍姵氐膬?nèi)阻很小。
如1350車(chē)用蓄電池內(nèi)阻不足因此恒壓充電開(kāi)始時(shí)電流非常大。為了減小初始充電電流。充電電壓不能過(guò)高，并需采用外電阻降壓措施；而后期則因?yàn)樾铍姵囟藟阂呀咏潆婋妷?。充電電流又過(guò)小，這就產(chǎn)生了低電壓下充電不足的缺陷。
欠充電是常規(guī)恒壓充電如浮充中普遍存在的問(wèn)，欠充電造成蓄電池容量不足。運(yùn)行中特定電池過(guò)放電；長(zhǎng)期欠充電使極板嚴(yán)重硫化，造成使用壽命降低。
根據(jù)理想充電曲線，理論上充電起始電流應(yīng)盡可能大，但實(shí)際上由于蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)以及充電裝置和供電系統(tǒng)的種種限制，起始電流不能過(guò)大。另方面，在充電末期，充電電流也不能過(guò)小。
以免充電時(shí)間延長(zhǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)蓄電池結(jié)構(gòu)和狀態(tài)以及充電裝置和系統(tǒng)充電曲線合理逼近理想曲線的充電模式就是變流充電的優(yōu)化模優(yōu)化控制模實(shí)時(shí)控制技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)充電電流的動(dòng)態(tài)叫節(jié)控制并不是件難事，關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)是如何確定控制的目標(biāo)函數(shù)使其實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制曲線。
內(nèi)，伏態(tài)和接受電流能力的特征充電時(shí)間0以叩1肌，幾參量很多，如出氣率溫升電液密度內(nèi)阻端壓端壓變化率蓄電池可接受充電電流能力的理論。己被公認(rèn)為比較準(zhǔn)確地反映了蓄電池實(shí)際接受能力的變化規(guī)律。但是由于檢測(cè)手段的限制，在實(shí)際應(yīng)用中局限很大?，F(xiàn)場(chǎng)充放電作業(yè)般都是將單貧蓄電池串并聯(lián)后成組進(jìn)行。但是由于各個(gè)單節(jié)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)制造工藝和使用工況上的差異性。其變化情況是極其復(fù)的。各個(gè)單節(jié)間1接受屯流的他化往偏。；1很尺經(jīng)過(guò)多牢內(nèi)部狀況。也不可能準(zhǔn)確確定蓄電池特別是整組蓄電池可接受充電電流的能力。通過(guò)檢測(cè)各蓄電池單節(jié)的端壓。電液密度和溫度的變化可以為綜合確定蓄電池的內(nèi)部狀態(tài)和其實(shí)際接受能力的變化規(guī)律提供可信的科學(xué)依據(jù)。這類(lèi)參量之間存在相互影響和制約的關(guān)系。由于這類(lèi)參量實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)成熟準(zhǔn)確可靠。再加上充放電電流和充放電時(shí)間個(gè)參變量。我們己比較完整和準(zhǔn)確地描述整個(gè)充放電過(guò)程中蓄電池的內(nèi)部狀態(tài)和其變化規(guī)律，找到控制的目標(biāo)函數(shù)。面結(jié)合2充電特性曲線來(lái)說(shuō)明優(yōu)化控制模式的實(shí)現(xiàn)和其優(yōu)越性。1這幾組特性曲線是根據(jù)某車(chē)輛段充電作業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制化控制曲線1和恒流控制曲線2進(jìn)行比較。恒流充電電流?、虐雰?yōu)化初始屯流為優(yōu)化控制曲線分為3段。第1段是恒流直線段。目的是用最大速度而又不出氣地充入大部分容量。這階段蓄電池端壓和容量呈直線上升，當(dāng)其發(fā)生拐點(diǎn)時(shí)，可認(rèn)為已臨近了出氣電壓。這時(shí)進(jìn)入第2段指數(shù)曲線段。指數(shù)曲線段按端壓溫度電液密度和容量的變化率采用閉環(huán)調(diào)控方法跟蹤優(yōu)化曲線。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)充電電流，使蓄電池始終保持微量出氣狀態(tài)。第3階段是充電末期，電流控制在其下限，不再繼續(xù)下調(diào)，其持續(xù)時(shí)間的氏短由停機(jī)判斷確定。
由特性曲線可清楚地看出，優(yōu)化控制模式充電能量轉(zhuǎn)化效率很高，平均達(dá)到90.由其效率曲線近似為條水平直線說(shuō)明無(wú)論在充電過(guò)程的任何時(shí)刻，電能轉(zhuǎn)換效率都保持高水平。
達(dá)到了優(yōu)化控制的目的。相對(duì)應(yīng)恒流充電效率在充電后期急劇惡化。這是由于恒流充電在后期階段能量幾乎全消耗于產(chǎn)生熱量電能轉(zhuǎn)化效率不足20，全過(guò)程平均充電效率只有70.從溫升曲線看，優(yōu)化控制最大溫升只有12.發(fā)熱很少。出氣率很低；而恒流充電最大溫升3，1.在環(huán)境溫度18，時(shí)。電解液溫度己達(dá)到48，超過(guò)了充電最大允許溫度45只好暫時(shí)終止充電。停機(jī)降溫。出氣率強(qiáng)烈地依賴于溫度，這實(shí)際己反映出者在出氣率上的明顯差異。恒流充電時(shí)，充電間酸霧彌漫而優(yōu)化控制充電，現(xiàn)場(chǎng)幾乎感覺(jué)不到酸霧。從時(shí)問(wèn)上看。流分屯約；125 1.而優(yōu)化控制漢需101縮短充電時(shí)間13，3系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)由單片微機(jī)信號(hào)隔離器模數(shù)轉(zhuǎn)換器電子選通開(kāi)關(guān)數(shù)碼顯器打印機(jī)等組成。分成采樣信號(hào)處理控制。驅(qū)動(dòng)輸出顯等環(huán)節(jié)。
電源技術(shù)文哲蓉等智能化變流充電控制系統(tǒng)的研宄系統(tǒng)組成3.
采樣環(huán)節(jié)由電流電壓。溫度。電液密度等傳感器組成。將采集的信號(hào)經(jīng)分壓濾波放大處理后通過(guò)光電隔離電路送入電子選通開(kāi)關(guān)。電子選通開(kāi)關(guān)在控制器的控制下繼續(xù)不斷地選擇各信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后存入控制器檢測(cè)電路。實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池組全單體不大于72單體的狀態(tài)參數(shù)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)?？刂破饔蓡纹瑱C(jī)和存貯器等電路組成，負(fù)責(zé)對(duì)采集到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。處理?？刂破髟诰C合分析各狀態(tài)參數(shù)后按照目標(biāo)函數(shù)作出最優(yōu)判斷，發(fā)出控制信號(hào)。經(jīng)放大驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)輸出，調(diào)整充電器晶閘管的導(dǎo)通角。改變充電電流，通過(guò)不斷地調(diào)控充電器的輸出，實(shí)現(xiàn)整個(gè)變流充電過(guò)程的優(yōu)化控制。由于實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池組全單體狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和對(duì)蓄電池充放過(guò)程的能量計(jì)算。因此系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池保有容量的動(dòng)態(tài)判定，并以此作為充電器準(zhǔn)確停機(jī)的判定標(biāo)準(zhǔn)，保證了蓄電池的最佳貯能狀態(tài)，防止過(guò)充和欠充現(xiàn)象的發(fā)生，顯環(huán)節(jié)包括數(shù)碼顯器。打印機(jī)。信號(hào)指燈和報(bào)警器。
4軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)包括初始化操作顯打印狀態(tài)分析計(jì)算模擬量處理調(diào)節(jié)輸出故障監(jiān)測(cè)時(shí)鐘和過(guò)程管理等十大模塊。
1始化模塊完成硬件的初始化設(shè)置及軟件各工作向量的初值設(shè)置。
操作模塊讀取鍵盤(pán)操作及輸入開(kāi)關(guān)操作。完成對(duì)有效操作的響應(yīng)。
包括充放電參數(shù)設(shè)置。充電模式的選擇充放電啟停。顯切換等多種人工操作，顯模塊根據(jù)對(duì)蓄電池組單體的檢測(cè)，動(dòng)態(tài)輸出顯參數(shù)，包括充放電流充放電安時(shí)充放電時(shí)間各電池電壓保有容量等過(guò)程參數(shù)，顯內(nèi)容依次循環(huán)顯，也可人工調(diào)顯所需監(jiān)視的內(nèi)界。
打印模塊在充放電過(guò)程中，每隔1打印組測(cè)量數(shù)據(jù)。在每次放電結(jié)束時(shí)，打印報(bào)廢電池清單。
模擬量處理模塊依次對(duì)模擬量通道進(jìn)行切換。從電池組雙端同時(shí)開(kāi)始采集各參數(shù)的當(dāng)前值，并進(jìn)行誤差校正標(biāo)度變換等處理，調(diào)節(jié)輸出模塊根據(jù)用戶對(duì)充電模式的選擇。按充電曲線的設(shè)定目標(biāo)。調(diào)節(jié)充電器可控硅觸發(fā)角的相位移。完成調(diào)節(jié)的0運(yùn)算，達(dá)到跟蹤目標(biāo)曲線控制的目的。
故障監(jiān)測(cè)模塊對(duì)電流電壓溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)超過(guò)極限值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并自動(dòng)采取處理措施，時(shí)鐘模塊對(duì)充放電過(guò)程進(jìn)行計(jì)時(shí)，并對(duì)內(nèi)部的些定時(shí)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視，完成定時(shí)操作，過(guò)程管理模塊完成充電放電等過(guò)程的管理，在充電時(shí)按電池組狀態(tài)平均值形成當(dāng)前充電曲線的調(diào)節(jié)目標(biāo)值，通過(guò)對(duì)端壓電壓變化率電池溫度。充電時(shí)間和保有容量的綜合分析作出停機(jī)或充放電過(guò)程轉(zhuǎn)換的判定。
狀態(tài)分析計(jì)算模塊計(jì)算充放電過(guò)程的安時(shí)累計(jì)。計(jì)算電液密度計(jì)算電池保有容量等狀態(tài)參數(shù)。作為過(guò)程管理和輸出打印的依據(jù)，軟件總流程框4，5相關(guān)技術(shù)問(wèn)5.1檢測(cè)和控制精度山幾十只體組成的蓄電池組在串，充電，高端屯池與低端電池之間存在可達(dá)上百伏的電壓差。而單體電池容量從零變化到最大。其電動(dòng)勢(shì)變化也不過(guò)零點(diǎn)幾伏，特別是蓄電池的內(nèi)阻變化更是很小。這對(duì)檢測(cè)的精度提出了很高要求。我們采用光電隔離雙端檢測(cè)的方法大大提高了檢測(cè)的精度和其動(dòng)態(tài)，性。采仲分辯率主及項(xiàng)決，1器件位數(shù)陽(yáng)能滿足需求。
目前絕大多數(shù)充電機(jī)均采用晶閘管相控調(diào)壓，給控制精度帶來(lái)的問(wèn)是輸出電壓與移相電壓不定成線性相關(guān)。不僅如此。有時(shí)甚至不是單調(diào)的。隨著移相電壓的增大。輸出電壓反而可能6走減因此存在線性調(diào)壓的適應(yīng)區(qū)段，2調(diào)壓曲線的線性度是變化的。在蓄電池反壓作用下。調(diào)相的極大。極小點(diǎn)隨電池內(nèi)部極化電壓的，減而動(dòng)態(tài)變化，3相控方式下電壓波形存在較大的脈流成分。
這些問(wèn)使調(diào)節(jié)控制精度受到很大影響。為了保證調(diào)節(jié)精度，實(shí)現(xiàn)充電優(yōu)化曲線的動(dòng)態(tài)調(diào)控，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中根據(jù)電池極化電壓的變化采用動(dòng)態(tài)跟蹤極大和極小值的方法來(lái)確定單調(diào)線性移相區(qū)段；采用閉環(huán)增量調(diào)控方法使輸出跟蹤優(yōu)化曲線目標(biāo)值采用大時(shí)滯算法消除脈流波動(dòng)的影響。
5.2荷電狀態(tài)分析對(duì)蓄電池保有容量作出動(dòng)態(tài)判定是確保蓄電池在充放電電源技木設(shè)備作業(yè)和實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中處于良好狀態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)。迄今為止，蓄電池充電作業(yè)基本采用時(shí)間控制。但由于存在蓄電池單體結(jié)構(gòu)差異。充放電工藝過(guò)程和環(huán)境條件的區(qū)別以及各單體初始容量的不同。在整個(gè)充放電過(guò)程中各單體蓄電池的荷電狀態(tài)是不可能致的。采用時(shí)間作為充放作業(yè)終止判定造成的后果往往不是過(guò)充就是欠充。
堿性蓄電池的荷電狀態(tài)基本與其端電壓成線性相關(guān)。鉛酸蓄電池則比較復(fù)雜。影響因素很多，給荷電狀態(tài)的分析判斷帶來(lái)很大困難。通過(guò)多次試驗(yàn)與探索，我們認(rèn)為在充電結(jié)束期，端電壓在高極化電壓下趨于水平。以此作為各單體蓄電池的滿額容量。即其結(jié)構(gòu)容量。在放電開(kāi)始廠確控制波電屯流并葚安時(shí)數(shù)祟計(jì)刊各電池放電終止電壓點(diǎn)時(shí)的安時(shí)數(shù)，即為該蓄電池單體的有效荷電容量。
充放電過(guò)程中，鉛酸蓄電池電液密度的變化是其動(dòng)態(tài)荷電率的特征參數(shù)。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)明放電過(guò)程安時(shí)轉(zhuǎn)換效率可認(rèn)為100，而充電過(guò)程中的安時(shí)轉(zhuǎn)換率則與蓄電池當(dāng)時(shí)系式可近似為任；為前電包極化電壓7電動(dòng)勢(shì)廠兩部分；1為電流換算系數(shù)，與充電率有關(guān)。當(dāng)采用充電率時(shí)取1.
知道了1蓄電池動(dòng)態(tài)容量可計(jì)算出而動(dòng)態(tài)密度則為=+cdxv1采用密度計(jì)或密度傳感器可精確測(cè)定心因此在充放循環(huán)中可以隨時(shí)判定其動(dòng)態(tài)密度及計(jì)算相關(guān)的動(dòng)態(tài)保有容量。需要指出，溫度對(duì)電液密度的影響很大。計(jì)算中應(yīng)充分考慮溫度修正系數(shù)。
放電作業(yè)是促使蓄電池極板活化的關(guān)鍵工序，也是考核電池容量和放電能力判斷故障電池的重要手段放電質(zhì)量的好壞直接影響蓄電池實(shí)際運(yùn)行水平和使用壽命。傳統(tǒng)的放電作業(yè)將大量電能白白消耗在放電電阻上。以72只，450單體蓄電池完成個(gè)充放循環(huán)為例，放電消耗電能約901評(píng)1通過(guò)放電電阻的有級(jí)調(diào)節(jié)。根本無(wú)法滿足放電的恒流要求，因而也不能精確地量度蓄電池的放電能力，判定蓄電池放電終止的時(shí)刻。過(guò)度放電將嚴(yán)重?fù)p害蓄電池的極板，減少使用壽命。采用有源逆變技術(shù)將放電電流直流轉(zhuǎn)換成工頻交流電送回電網(wǎng)，不僅可節(jié)省電能。而且也可以實(shí)現(xiàn)放電電流的準(zhǔn)確控制，獲得良好的放電特性。晶閘管變流回路具有很好的逆變換條件，通過(guò)可控硅觸發(fā)角從區(qū)整流移到0區(qū)逆變即可方便地實(shí)現(xiàn)逆變換。逆變電壓與電網(wǎng)電壓完全同步，但有諧波分量存在，需在設(shè)計(jì)中考慮必要的濾波處理，否則將會(huì)對(duì)整個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。
6結(jié)束語(yǔ)經(jīng)過(guò)多年的研宄和探索。智能化變流充電控制技術(shù)已成功地應(yīng)用于鐵道機(jī)車(chē)汽車(chē)電瓶叉車(chē)等牽引型蓄電池的充放電作業(yè)，也正在逐步推廣到變電站發(fā)電廠通訊站等需要固定型直流電源的場(chǎng)合。它可廣泛適用于酸性堿性等各類(lèi)蓄電池組以及可控硅整流器開(kāi)關(guān)電源等多種變流裝置充放電作業(yè)的智能化控制，獲得改善充放電質(zhì)量和效率。降耗節(jié)能，提高蓄電池組的運(yùn)行可靠性。延長(zhǎng)其使用壽命和改善作業(yè)環(huán)境的顯著效益。
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