解析纯数字船用充电电源控制系统

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纯数字船用充电电源控制系统

引言

船舶是现代重要的交通运输工具,其安全稳定运行,对于保障人员安全和财产安全起着至关重要的作用。船舶的运行环境比较恶劣,在船舶运行过程中经常会遇到短时的停电故障,为了保障船舶的关键系统的正常运行,一般船舶上都会装置固定的备用储存装置,以防止在船舶主电力系统遇到故障不能提供电力时,储能装置可以取代主电源,提供短时可靠的电源供应。

1 充电系统

为了实现储能装置中的能量的充分利用,需要有一个功能完善的充电系统保障整个充放电过程安全可控,充电系统如图1 所示。

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充电系统的核心部分是充电电源控制系统。本文针对该部分进行分析和设计,主要从硬件电路、软件流程和充电控制策略几个方面进行研究。

1. 1 储能装置

储能装置是备用供电系统的重要组成部分,其主要作用就是将其他形式的能量存储起来,提供备用能量。船舶储能装置的能量来源既可以是船舶电力系统的母线的电能,也可以是太阳能电池板等新型能源形式。储能装置的存在,可以为船舶提供备用电源,在船舶电力系统遇到故障时,提供电力,解决船舶产生电能和应急负载用电在时间上的不同步问题。

充电电源控制系统的最主要功能是对储能装置的工作状态进行监控,控制储能装置的充电过程。储能装置的性能和特性,对充电方式有很大的影响,因此在设计充电电源控制系统之前,需要对储能装置进行选择,并对其充电特性进行分析。

蓄电池是一种传统的储能装置,是将所获得的电能以化学能的形式储存起来,在需要时又可以将存储的化学形式的能量转化为电能输出。蓄电池根据其制造材料的不同,可以很多不同种类,常用的有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、铁镍蓄电池、金属氧化物蓄电池和锂离子蓄电池等。其中铅酸蓄电池凭借其价格低廉、适于低温高倍率放电等特点,在各个领域得到了广泛的应用。

1. 2 充电装置

充电装置在这个系统中起着关键的枢纽作用,其工作性能的好坏将会影响整个电源系统的工作性能和使用效果。充电装置主要作用是监控蓄电池的工作状态,控制蓄电池的充电过程,通过采用合理的充电控制策略,保证蓄电池的高充电效率,延长蓄电池的使用寿命。并通过对蓄电池充电条件的相应控制,防止蓄电池过度充电及深度充电,当出现问题时,可及时报警。

2 充电控制策略

根据蓄电池的工作原理和影响蓄电池工作性能及工作寿命的主要因素,结合船舶特殊的应用场合,分析蓄电池几种常见的充放方式。目前蓄电池采用的充电方式是恒流充电法、恒压充电法和阶段充电法。恒流充电法是维持充电电流不变进行充电。恒压充电法是维持充电电压不变进行充电。阶段充电法是先恒流充电至指定电压,然后恒压充电; 或是在充电初期和末期采用恒流充电,中间恒压充电。

采用不合适的充电方式容易导致蓄电池的损坏,影响蓄电池使用寿命因素。本文在传统的充电基础上,提出改进的充电方法,采用纯数字控制方式,采用PWM 充电控制方法来对蓄电池进行充电。PWM 控制技术是利用单片机、DSP 等处理器输出的数字信号来对模拟电路进行有效的控制。利用PWM技术进行充电控制,控制方式灵活,可大幅提高蓄电池充电效率,提高蓄电池的使用寿命。

PWM 充电控制方式的充电原理是,根据PWM 信号的输出特性对蓄电池进行充电,然后再停止充电,如此循环往复。充电时间和停止充电时间可以进行调节。充电脉冲使蓄电池充满电量,而停止充电期可以使蓄电池在充电过程产生的气体有充分的时间重新化合而被吸收,从而有效的减轻了蓄电池的内压和温度,同时也使下一周期的充电过程更加顺利和有效。

3 充电电源控制系统设计及样机

根据船用充电电源控制系统的功能要求和改进的PWM 充电控制策略,确定了整体的设计方案。系统整体结构框图如图2 所示。系统按功能模块划分,可分为单片机核心控制模块、数据存储电路、液晶显示电路、串口通信电路、A/D 转换电路、充电电路和放电电路等。

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系统采用纯数字控制,以AT89S52 型号的单片机作为主控芯片,利用软件编程输出PWM 控制信号,来控制充电电路开关管的开通和关闭,来控制充电过程。该系统通过采集到的电池电压,输出对应的PWM 控制信号,可以让蓄电池充电过程最优化,有效的延长蓄电池的使用寿命。

系统主要的工作流程是,首先采用并联分压方式对高压蓄电池组的电压进行采集,送到A/D 转换模块中,将采集到的电压模拟值转换为可以方便单片机处理的数字信号,再将此数字信号送入到单片机处理模块进行逻辑处理; 然后根据采集到的电压值,在软件程序控制下,单片机输出对应的PWM 控制信号,由于单片机输出的PWM 信号驱动能力不足,需要经过光耦驱动电路来放大驱动能力,并且实现隔离。经过光耦驱动的PWM 信号发送到充电电路控制开关管的开通和关断; 根据采集的蓄电池电压变化通过PWM 来控制开关管的占空比,以此来控制充电电压,实现灵活的充电控制策略; 采集到的电压、电流和温度等数据通过通信模块传送到上位机系统,使充电系统中蓄电池的工作状态时刻处于远程监控状态,同时可以实现状态数据的记录功能。另外,为了及时保证蓄电池的工作安全,系统设计了预警电路,当蓄电池电压出现异常时,通过蜂鸣器进行报警,通知工作人员蓄电池故障,及时采取应对措施。

本文搭建了充电电源控制系统的样机,实现了蓄电池电压的状态监控和充电控制。图3 为搭建的充电电源控制系统实物图。实物图分2 层结构设计,上层是液晶显示屏,主要是用于显示蓄电池的电压、电流和温度等参数,底层是单片机控制系统。

4 程序流程设计

充电电源控制系统各个部分的功能通过对单片机进行软件编程来实现。整个系统的软件部分由系统主程序、电压采集转换模块、液晶显示模块和数据存储模块等许多相对独立的子程序模块组成,采用模块化的设计思路,模块之间通过调用来实现彼此的连接。

系统的主程序是整个系统中的核心程序,是一个顺序执行的循环程序,通过中断来调用各个子程序,实现每个模块的功能。系统首先完成初始化,然后就开始按照中断顺序依次调用各个子程序,实现数据的采集、处理、存储和充电的控制。

以单节蓄电池为例( 电压一般为12 V) ,系统主程序流程如图3 所示。

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5 结语

船舶的备用电源工作环境恶劣,又由于不当的充放电方式会使充电系统发生故障。本文以单片机作为核心控制器设计了船用充电源控制系统,采用PWM 脉宽调制的充电方法,来对船舶备用蓄电池进行灵活的充电控制,与以前的充电方式相比,不仅提高了蓄电池的充电效率,还可以有效提高蓄电池的使用寿命,保障蓄电池的工作状态安全。