大功率智能充电机的设计

罗冰洋，徐文静，刘思宁，莫易敏

(1.武汉理工大学自动化学院，湖北武汉 430070;2.武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070)

蓄电池作为一种充电装置，具有电压稳定、充电可靠、携带便捷等优势［1］。目前，随着低碳经济的兴起，电动机车发展迅猛，由于铅蓄电池具有比其他电池更成熟可靠、更安全、更长寿命的特点，而被广泛应用于电动车辆充电设备中［2］。

蓄电池的充放电技术与其应用有着密切联系，如今过充或者欠充的现象非常普遍，为了提高蓄电池的寿命及充电效率，需要一个最优的充电过程控制。该研究基于恒流恒压充电技术，结合PLC的强大功能来达到智能控制的目的。

1 蓄电池充电方式

1.1 恒流充电(CC)

恒流充电即充电全程电流恒定，当蓄电池基本充满以后还能以很小的电流对蓄电池继续充电，使极板内部较多的活性物质参加化学反应［3］。

1.2 恒压充电(CV)

恒压充电即充电过程中充电电压保持不变，充电电流随着蓄电池端电动势的升高而逐渐减小。在充电初期，由于蓄电池电动势较低，充电电流较大，因而充电快速。在恒压充电过程中，电流无法自动调节，也没有去极化措施，在充电后期，充电电流较小，极板深处的活性物质不能恢复，因此可能导致蓄电池的欠充现象［4］。

1.3 恒流恒压充电(CC-CV)

图1 蓄电池固有充电曲线

图1为蓄电池的固有充电曲线，实际的充电曲线能与之吻合，能保证蓄电池充满而不过充，对蓄电池本身也是一种维护，可提高电池的寿命和使用次数［5］。为此，该设计采用恒流恒压两阶段充电模式。

当接收到充电命令后，控制信号电压快速上升，充电电压上升，直到充电电流I达到设定值，停止升压，并暂时保持电压不变;当I与设定电流出现偏差时，通过改变控制信号电压V，改变充电电流，使充电电流基本恒定，此时，充电机工作在恒流充电状态。

当蓄电池充电电压达到设定值，即电压上升至115 V时，保持蓄电池充电电压不变，转入恒压充电状态。此时，充电电流慢慢下降，当充电电流达到设定电流值时，充电完成，控制电压快速回零。

根据该种模式，在充电前期采用恒流充电方法，可限制蓄电池充电的最大电流;在充电后期采用定电压补足充电法，即恒压充电，可有效避免过充和欠充现象，延长电池使用寿命，使机车电池的维护管理工作更加科学化和智能化［6］。

2 充电机硬件总设计

该设计电源实验装置的主要技术指标:输入电压为交流380 V，10 kVA，输出电压调节范围为0～150 V(DC)，输出电流调节范围为0～100 A(DC)，环境温度要求为-20℃ ～+45℃。

充电机功能要求:该系统需要将所有设备都集成在柜体内部，具有噪声低、搬运方便等特点，用HMI人机界面进行控制，为用户提供良好、直观的操作界面，使充电工作变得轻松和简单［7］。在充电过程中显示充电电压、充电电流、充电时间等，并显示充电曲线，方便用户观察蓄电池充电特性。该机只需要对电池类型(电力机车用、内燃机车用)进行简单选择，按下充电按钮，系统便可自行完成充电全过程，可自动判断是否充满电，充满电后自动停止充电，同时具有故障自检测功能，对电流、电压的输入和过载情况中出现的故障可以及时反应。

充电机硬件设计总框图如图2所示。

图2 充电机硬件设计总框图

在图2中，控制器是整个充电机的核心，在该设计中，选择了松下FPO系列的PLC控制器［8］，除了接收传感单元输送的电压、电流信号外，通过FPO的梯形图编程软件对整个充电机的恒流恒压充电进行智能控制，以达到设备的功能要求。

HMI人机交互界面是PLC控制器的上位机，对智能控制的状态进行显示，实际应用中，可以通过触摸操作对充电机进行参数设定及电压电流数据的存储打印等。

继电器模块与PLC合作，控制整个电路的通断及导通动作，其中还包含风扇及显示灯等附属装置。

3 电源主电路设计

图3 主电路原理图

主电路原理图如图3所示。主电路由继电器、整流变频单元及传感电路组成，输入380 V的交流电压。其中，整流单元包括变压器，对直接输入进来的高压起着缓冲和隔离的作用［9］，然后进入整流电路，由匹配的触发板对其进行触发;输出的电压和电流各自由传感模块向外输出。

4 充电机控制电路设计

充电机的PLC控制器选用松下FPO系列，控制部分电路设计如图4所示。

图4 控制部分电路原理图

电压、电流信号经过检测设备将信号输入PLC控制器，当充电的控制信号下达后，系统初始化，Y1输出，继电器J1闭合，各项工作有序开始，与PLC连接的外部设备如风扇、显示灯及报警器等都会适时地给出反应。当充电完成时，继电器会自动断开，恒流恒压充电方法的智能实现由PLC内置的编程语言进行控制，在智能充电的整个过程中，由HMI触摸屏与PLC相连，实时地显示及操作。

5 充电机软件设计

该智能充电机的软件控制需要满足的要求为:点击充电按钮，开始充电，充电指示灯亮。在程序中，采用PID控制［10］，设定阈值为115 V，当电压值小于115 V时，保持恒定的电流，电压值不断上升，此时便为恒流充电状态;当电压值达到115 V时，根据PID程序判断，进入恒压充电程序，进而执行恒压充电模式;当检测到电流小于设定值即恒流电流的1/4后则充电停止，即认为充电完成。充电完成后红灯闪烁，点击“完成”按键，则红灯停止闪烁。

根据以上的要求，采用FPO系列PLC编写梯形图语言来实现软件控制［11］。其主要思想是:利用PID程序判断阈值，控制充电模式的转换，同时通过连接继电器实现各个充电柜显示、报警、通断等功能。程序流程图设计如图5所示。

6 结论

笔者对恒流恒压的充电方法进行了分析，利用PLC的智能控制设计出供大功率机车充电的设备，从而避免欠充、过充等现象。同时，使用HMI人机交换界面显示，操作方便、直观。系统试运行性能稳定，情况良好，达到了预期的目的。

但是该充电机依赖于PLC内部程序控制，调试人员必须现场通过对PLC程序的修改来解决各项具体问题，以达到个性化使用该充电机的目的。

［1］应建华，陈建兴，唐仙，等.锂电池充电器中恒流恒压控制电路的设计［J］.微电子学，2008，38(3):445-448.

［2］程祖乐，陈滋建.一种智能充电机充电方法的研究［J］.安徽电子信息职业技术学院学报，2011，10(2):15-17.

［3］赵永强，侯红玲.蓄电池智能充电系统的设计与研究［J］.陕西理工学院学报:自然科学版，2010，26(3):4-8.

［4］张玲玉，李凤霞.工业用PLC控制直流电源的硬件电路设计［J］.佳木斯大学学报:自然科学版，2009，27(1):67-69.

［5］刘月新.将PLC自动控制原理应用在组态软件控制系统中［J］.自动化技术与应用，2010，10(1):201-205.

［6］刘森.广州换流站直流电源系统的改造设计与实施［J］.电力系统保护与控制，2009，20(6):501-522.

［7］张勇.HMI在低压电器试验站中的应用［J］.低压电器，2009，30(1):111-140.

［8］王晓远，杜静娟.基于工业组态软件Wincc的化工工业监控系统［J］.化工自动化及仪表，2006，33(5):41-43.

［9］刘文战，郭文成，李坤.可视化智能充电机的研究［D］.山东农业大学学报，2008，39(1):133-137.

［10］伍新.基于PLC的蓄电池组均充管理控制系统［J］.计算机应用，2007，10(2):33-39.

［11］李建海，李岩.基于PLC的蓄电池放电PID控制系统设计［J］.可编程控制器应用，2009，31(1):110-117.