Victron Energy蓄电池大功率恒流放电系统设计

Victron Energy蓄电池大功率恒流放电系统设计
为了解决采用固定电阻、电阻箱等传统负载对蓄电池进行恒流放电时的精度低、人为干扰因素大等问题，设计了以C8051F020单片机作为控制器、采用模糊PID控制方法、以功率MOSFET管作为放电负载的一种新型蓄电池恒流放电系统，能通过工控机的人机界面进行人机对话，并且能对放电过程进行实时监控、记录和分析。系统采用多个放电支路并联的设计思想，大大提高了蓄电池恒流放电功率，并且通过模糊PID控制，使系统放电的控制精度更高。
关键词： 蓄电池； 模糊PID； 单片机； 电流

    蓄电池在军事、铁路、通信、电力等各行各业都得到了广泛的应用，逐渐成为日常生活中非常重要的备用电源[1-2]。在蓄电池的生产和使用过程中，性能检测是一项必不可少的工作。对其进行恒流放电是研究蓄电池性能最为直接、有效的一种方法。目前对蓄电池进行放电的方法有：采用固定电阻、可变电阻、电阻箱等作为放电负载，这需要人工调节放电电流，控制精度低[3]；采用开关电源升压电路的方法，通过调节占空比控制加在负载两端的电压， 这种方法开关损耗大， 电流有脉动[4]。
    为解决上述问题，研制了一套以功率MOSFET管作为电子负载，能够自动控制和监测整个放电过程，以足够的密度记录放电过程中电压、电流的变化，并能以图形化的界面显示的蓄电池性能综合测试仪。
1 总体设计
    蓄电池大功率恒流放电系统主要包括上位机、串口单元、控制单元、驱动单元、放电单元和数据采集单元等。图1为系统结构框图。

 

2 控制单元设计
    传统PID控制器的结构简单、精度高，在工业过程控制领域得到了广泛应用，并且取得了良好的控制效果。但是对于时变性和非线性系统，即使对被控对象整定了一组满意的PID参数,但当对象特性发生变化时，也难以保证良好的控制性能[5]。经过对恒流放电控制系统反复实验，得出采用模糊PID控制方法较为合适。
    模糊PID控制器主要由PID控制器和模糊控制器两部分构成，模糊控制器的输入为误差e和误差变换率ec，然后采用模糊推理方法对PID参数Kp、Ti、Td进行在线整定，以满足不同时刻的误差e和误差变化率ec对控制器参数的不同要求，从而使被控对象有良好的动态、静态性能[6]。其机构如图2所示。

 

    本系统采用的控制芯片为单片机C8051F020，控制器的输入为上位机发送的电压命令，系统的输出为驱动单元的输出电压。反馈的实际电压信号与给定的电压信号相比较得出电压误差信号，通过模糊PID控制器计算出精确的PID参数调整因子，从而达到调整PID控制器参数的目的，然后计算出控制信号，控制信号再经过驱动单元的运放电路转换为MOSFET的栅极电压，从而调节放电单元的输出电流。
3 恒流放电方案的研究与设计
3.1 放电类型的选择
    目前对蓄电池进行放电的方法主要分为两类：能耗型和能馈型。能耗型是把流进电子负载的直流电传递到特殊的直流／交流转换器(逆变电路)，然后再送回交流电网。这种类型的主要优点是节省电能，节约空间，不需要冷却[7]。但是它的放电电流具有波动性，精度低，并且容易给电网造成谐波污染。能耗型是指把蓄电池放出的电能通过功率管消耗掉，以热能或其他形式的能量释放出去。能耗型的主要优点是结构简单、经济实用、精度高等，缺点是有能量消耗，需要良好的散热系统。但是对蓄电池性能测试来说，由于为了保证的是恒流放电的精度，所以采用能耗型的放电方式进行设计。
3.2不同放电方案研究分析
    对于能耗型恒流放电,目前可采用3种方案来实现。
    方案1：电流直接采样法，即通过霍尔电流传感器检测流入电子负载的总电流，再与设定电流相比较，判断是否达到系统设定值。如果没有达到，则需要通过一定的算法对给定电压Vg进行调节，最终使负载电流稳定在设定值。方案2：电阻采样反馈法，即在MOSFET管的源极串接采样电阻，将电流转换成电压，反馈至高增益误差放大器的反相端。电阻采样反馈法的简单原理图如图3所示。在同向端输入给定电压信号，如果Rd上的电压小于Vg，也就是运算放大器反向端的电压小于同向端电压，则运放输出电压加大，使MOSFET导通电流加大;如果Rd上的电压大于给定值Vg，则运算放大器的输出减小，使MOSFET导通电流减小，这样电流最终维持在恒定的给定值上,也就实现了恒流工作。

 

    方案1电流变化范围大，适合大电流放电；缺点是响应速度比较慢。方案2优点在于响应速度快，结构简单；但由于采样电阻的功率一般较小，使电子负载的电流受到很大限制，容易受外界干扰，不适合大电流放电。
    针对以上两种方案的优缺点，提出了方案3：把方案2的几个放电支路并联运行，即采用多路放电支路并联设计思想[8]。但由于功率开关管以及支路控制电路参数的差异，流过各个支路开关管的电流不可能完全相等。因此，需要设计专门的均流电路实现各支路之间的电流均分，从而实现支路的功率均分，避免某些支路的功率过大，以致烧毁功率开关管[9-10]。这样既可以进行大功率放电，又能保证每个支路都工作在较小电流范围内。但是对于各支路之间需要采用均流电路进行控制，而均流电路是由许多相同参数的电阻、运放等理想器件组成。由于实际器件的参数是不完全相同的，因而给均流电路带来了很大的误差。
3.3 放电方案的最终设计
    均流电路会给系统带来不可避免的误差，因此不再采用均流电路，而直接用单片机来控制各支路给定电压Vg，使各支路给定电压相等从而实现各支路均流，以消除均流电路带来的误差。为了进一步提高系统精度，用霍尔电流传感器采集蓄电池放出的总电流，并反馈给C8051F020单片机,单片机通过模糊PID控制算法来调节各支路给定电压Vg的大小来控制各支路电流，从而达到精确控制总电流的目的。
4 实验结果
    为了能更加直接地检验恒流放电的效果，本实验用11 V~13 V变化的电压信号代替蓄电池，系统用5个放电支路并联放电，总电流设定为15 A。图4是恒流放电的实验结果。

 

    基于C8051F020单片机的蓄电池恒流放电系统采用多支路并联的思想，实现了大功率放电；通过软件控制各支路电流的大小，保障了各支路都能工作在额定功率以内，提高了系统的稳定性；采用模糊PID控制法，提高了系统放电的精度。另外,还可以通过上位机对放电过程进行实时监控和记录，为蓄电池性能的分析提供了便利。