專利名稱：微型燃?xì)廨啓C的蓄電池控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微型燃?xì)廨啓C的蓄電池控制裝置及方法。
背景技術(shù)：
為了合理利用能源，微型燃?xì)廨啓C發(fā)電系統(tǒng)得到越來越多的應(yīng)用。發(fā)展微型燃機熱、電、冷系統(tǒng)，根本原因在于節(jié)能和環(huán)保因素的考慮，同時還有一個至關(guān)重要的原因就是這些分布系統(tǒng)將成為建筑物能源系統(tǒng)的一個重要組成部分，為建筑的電力供應(yīng)安全提供了保證。分布在用戶端中的發(fā)電機組，可以使建筑物不依賴脆弱的電網(wǎng)系統(tǒng)，提高建筑物自身能源系統(tǒng)的安全系數(shù)。蓄電池管理系統(tǒng)是自主開發(fā)的微型燃機與電力變換系統(tǒng)的重要組成部分，作為整個系統(tǒng)中最先動作和為整個系統(tǒng)提供初始能量與控制電源的子系統(tǒng)，它的性能的優(yōu)良對整個系統(tǒng)的影響是十分關(guān)鍵的。
國內(nèi)外關(guān)于蓄電池系統(tǒng)方面的研究較多，但多是應(yīng)用于各種電動機車等方向。將蓄電池管理系統(tǒng)作為微型燃?xì)廨啓C發(fā)電系統(tǒng)的初始能源的不多。
另外傳統(tǒng)的充電方法主要有恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電和先恒流后恒壓充電。使用傳統(tǒng)充電方法的充電機控制電路比較簡單，充電功率一般比較小。蓄電池傳統(tǒng)的充電方法，不論是定電壓充電法還是定電流充電法，其起始的充電電流總是低于電池的接受能力，造成充電效率低、充電時間長，而在充電后期，最終的充電電流總是高于電池的接受能力，因而蓄電池內(nèi)氣體析出率不斷增加、直到充電接近結(jié)束，所有的充電電流全部供給氣體析出。而且，如果充電電壓定的過高，正極產(chǎn)生的氧氣的速度過快，吸收速度跟不上氧氣的產(chǎn)生速度，長時間之后必然造成電池失水，從而誘發(fā)電池的微短路、硫酸化等失效現(xiàn)象，損害電池的質(zhì)量和使用壽命。同時，高速率充電時電池的極化會造成電池內(nèi)部壓力上升、電池溫度上升、電池內(nèi)阻升高等，這不僅會縮短電池的壽命，而且有可能對電池造成永久性傷害。所以，傳統(tǒng)的充電方式不論是從效率的角度還是安全的角度分析都不是一種比較好的充電技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種微型燃?xì)廨啓C的蓄電池控制裝置及方法。
本發(fā)明裝置由電力變換電路和控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，如圖1所示。電力變換電路即為功率變換和濾波電路；控制系統(tǒng)包括多路功率驅(qū)動模塊、多路數(shù)據(jù)檢測和采集模塊、中央控制模塊、分級通信報警模塊以及蓄電池充放電控制模塊。其中功率變換和濾波電路與多功率驅(qū)動模塊相連，多路數(shù)據(jù)檢測和采集模塊分別與蓄電池電壓兩極、直流母線電壓兩極相連，多功率驅(qū)動模塊與蓄電池充放電控制模塊相連，中央控制模塊分別與蓄電池充放電控制模塊、多路數(shù)據(jù)檢測和采集模塊以及分級通信報警模塊相連。
所述的電力變換電路即為功率變換和濾波電路。
功率變換和濾波電路該電路由六個IGBT、六個續(xù)流二極管、三個電感以及兩個電容構(gòu)成，采用三橋臂并聯(lián)交錯的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖中正負(fù)間外加直流電壓，正負(fù)電壓間跨接的每兩個IGBT和每兩個二極管構(gòu)成一個單元(即一個橋臂)由一個雙IGBT模塊實現(xiàn)，每個模塊上分別接入一個電感。該電路用雙向Buck/Boost變換器作為基本單元，采用先進(jìn)的三相交錯并聯(lián)Buck/Boost雙向功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三相交錯并聯(lián)Buck、Boost雙向功率變換器可以即作為蓄電池放電控制(升壓控制)的執(zhí)行機構(gòu)也可以作為蓄電池充電控制(降壓控制)的執(zhí)行機構(gòu)。圖3為升壓控制時功率變換和濾波電路的等效圖，而圖4為降壓控制時功率變換和濾波電路的等效圖。這種電路結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的單個IGBT和單個二級管結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加到三個橋臂，以減小輸入電流和輸出電壓的脈動，電容用以吸收器件關(guān)斷時的浪涌電壓，三路電感和電容C2實現(xiàn)功率濾波。它提高了電壓從而減小了系統(tǒng)所需自帶的蓄電池的體積，使系統(tǒng)便于運送，提高了系統(tǒng)實用性。功率變換和濾波后得到的高壓相對于從蓄電池組直接得到的電壓更易于控制且更穩(wěn)定。
所述的控制系統(tǒng)包括中央控制模塊、多路功率驅(qū)動模塊、多路數(shù)據(jù)檢測和采集模塊、分級通訊報警模塊以及蓄電池充放電控制模塊，控制系統(tǒng)電路原理框圖如圖5所示。數(shù)據(jù)檢測與采集電路、通信報警模塊、存儲單元RAM、存儲單元EPROM、存儲單元EEPROM、驅(qū)動電路、邏輯控制電路、時鐘電路分別與DSP處理器相連，電源經(jīng)電源轉(zhuǎn)換電路與DSP處理器相連。各路檢測信號經(jīng)過AD采樣電路進(jìn)入DSP處理器，DSP與外界的通訊處理是通過CAN總線和串行RS232(SCI)實現(xiàn)的，與存儲單元(RAM，EPROM，EEPROM)的連接實現(xiàn)讀寫并用邏輯控制電路達(dá)到對存儲單元的選通，DSP輸出的PWM信號送到驅(qū)動電路同時驅(qū)動電路在必要的時刻回饋報警信號，電源處理和時鐘電路為DSP的可靠工作提供最基本的保障。其中各路檢測信號由多路數(shù)據(jù)檢測與采集電路采集，它由若干完全相同的單路數(shù)據(jù)檢測與采集電路構(gòu)成，包括溫度檢測與采集電路、電池電流檢測與采集A電路、電池電流檢測與采集B電路、電池電流檢測與采集C電路、電池電壓檢測與采集電路以及直流母線電壓檢測電路，上述各個數(shù)據(jù)檢測與采集電路相互獨立工作。
本發(fā)明的控制方法由嵌入上述各模塊中的程序?qū)崿F(xiàn)。
1.中央控制模塊本發(fā)明裝置中的中央控制模塊不僅實現(xiàn)控制邏輯，而且對信息進(jìn)行管理，主要由運行條件判斷、運行和停機控制構(gòu)成。運行條件判斷軟件分別由初始化、自檢、接受開機命令和直流母線電壓正常判斷構(gòu)成。運行和停機控制程序由啟動和停機判斷、供電控制邏輯、逆變器運行控制、通訊調(diào)用構(gòu)成。本發(fā)明的控制方法包括以下步驟，如圖6所示步驟一、開始；步驟二、系統(tǒng)初始化；步驟三、控制板自檢；步驟四、等待中央控制單元(CCU)發(fā)送信號；步驟五、判斷CAN發(fā)送信號類型，當(dāng)CAN為自檢信號時進(jìn)入步驟六，當(dāng)CAN為接受CCU升壓信號時進(jìn)入步驟十四，當(dāng)CAN信號為接收CCU故障停機命令進(jìn)入步驟二十一，當(dāng)CAN為接收CCU正常停機命令時進(jìn)入步驟二十二，當(dāng)CAN不是上述信號中的任何一類時返回步驟四；步驟六、判斷自檢信號是否接收成功，是進(jìn)入步驟七，否則進(jìn)入步驟八；步驟七、發(fā)送自檢成功信號直接進(jìn)入步驟九；步驟八、發(fā)送自檢不成功信號并返回步驟二；步驟九、接收DCU下傳參數(shù)；步驟十、判斷參數(shù)接收是否完畢，是，進(jìn)入步驟十一，否則進(jìn)入步驟九；步驟十一、檢測蓄電池電壓是否正常，是，進(jìn)入步驟十二，否則進(jìn)入步驟十三；步驟十二、發(fā)送電壓正常信號并返回步驟四；步驟十三、以送電壓不正常信號并返回步驟四；步驟十四、接收CCU升壓命令；步驟十五、電容預(yù)充電；步驟十六、蓄電池放電；步驟十七、判斷CCU是否發(fā)送結(jié)束信號，是，進(jìn)入步驟十八，否則進(jìn)入步驟十六；步驟十八、接收CCU升壓結(jié)束信號；步驟十九、充電；步驟二十、蓄電池快速充電并返回步驟四；步驟二十一、接收CCU故障停機命令并進(jìn)入步驟二十五；步驟二十二、接收CCU正常停機命令；步驟二十三、啟動放電程序；步驟二十四、判斷放電是否結(jié)束，是進(jìn)入步驟二十五，否則進(jìn)入步驟二十三；步驟二十五、封鎖IGBT脈沖；步驟二十六、結(jié)束。
2.多路檢測與采集模塊本發(fā)明裝置中的多路檢測模塊采集多路模擬信號，包括三相電壓、三相電流、零線電流和直流母線電壓。本發(fā)明裝置中采用了數(shù)字濾波方法，對一點進(jìn)行連續(xù)多次采集，根據(jù)計算最后采集值，并以其作為該點的采樣結(jié)果，這樣可以減少系統(tǒng)的隨機干擾對采集結(jié)果的影響，提高采樣精度，克服測量中產(chǎn)生的隨機誤差同時對信號進(jìn)行必要的平滑處理。數(shù)字濾波器是通過差分方程實現(xiàn)的，既包括存儲歷史數(shù)據(jù)的數(shù)表，也包括存儲差分方程參數(shù)的數(shù)表。數(shù)字濾波過程按以下步驟執(zhí)行，如圖7所示步驟一、開始；步驟二、確定對應(yīng)歷史記錄表的DMA(首地址)；步驟三、讀當(dāng)前輸入值X(n)到DMA-1單元；步驟四、x(n-1)進(jìn)行乘積、累加和數(shù)據(jù)移動；步驟五、判斷是否進(jìn)位，是進(jìn)入步驟六，否則進(jìn)入步驟七；
步驟六、進(jìn)位處理；步驟七、x(n)進(jìn)行乘積、累加和數(shù)據(jù)移動；步驟八、判斷是否進(jìn)位，是進(jìn)入步驟九，否則進(jìn)入步驟十；步驟九、進(jìn)位處理；步驟十、Y(n-1)進(jìn)行乘積、累加和數(shù)據(jù)移動；步驟十一、判斷是否進(jìn)位，是進(jìn)入步驟十二，否則進(jìn)入步驟十三；步驟十二、進(jìn)位處理；步驟十三、Y(n)存入DMA-2單元；步驟十四、輸出Y(n)；步驟十五、返回。
3.分級通信報警模塊本發(fā)明裝置中的分級通訊管理模塊根據(jù)信息實時性要求通過不同通道進(jìn)行通訊。通訊通道分為三類(1)專用I/O口；(2)專用串行通訊接口；(3)CAN總線接口。分級報警管理模塊采用三級報警設(shè)計。危險報警利用PDPINTA引腳引入到模塊保證報警的實時性；一、二級報警通過監(jiān)測到的反饋信息，在分析系統(tǒng)工作狀態(tài)基礎(chǔ)上形成。其中危險報警以中斷程序形式裝入DSP的閃存中；一、二級報警以子程序形式裝入DSP的閃存中。通信報警過程即為控制單元發(fā)送信號，按以下步驟執(zhí)行，如圖8所示步驟一、開始；步驟二、讀上位機輸入信息；步驟三、判斷有危險報警否？是，進(jìn)入步驟四，否則進(jìn)入步驟二；步驟四、判斷是否有一級報警否？是，進(jìn)入步驟五，否則進(jìn)入步驟六；步驟五、將報警代碼和引發(fā)報警的物理量按串行協(xié)議打包，并通過專用串行通道發(fā)送；步驟六、將各物理量按CAN總線協(xié)議打包，并通過CAN總線發(fā)送；步驟六、判斷是否有進(jìn)一步通訊要求？是，進(jìn)入步驟七，否則進(jìn)入步驟二；步驟七、按要求將信息通過CAN總線發(fā)送；步驟八、返回。
4.多路功率驅(qū)動模塊本發(fā)明裝置的多路功率驅(qū)動模塊采用西門康公司專用驅(qū)動板SKH123/17，該驅(qū)動板為信息雙向流動模式，即驅(qū)動信號由控制系統(tǒng)傳向功率電路，危險報警信號由功率電路傳向控制系統(tǒng)，并增加了窄脈沖限制功能。一個驅(qū)動板驅(qū)動一個橋臂的兩個IGBT。
5.蓄電池充放電控制模塊本發(fā)明控制方法不僅實現(xiàn)了蓄電池管理系統(tǒng)的功能，而且改進(jìn)和優(yōu)化了蓄電池剛開始放電時的控制策略和蓄電池的快速充電方法。同時燃機正常運行后，當(dāng)負(fù)載突變時，蓄電池管理單元可為其提供電力緩沖。為減少蓄電池的充放電的次數(shù)，延長其使用壽命，在不影響直流母線恒定電壓的最大極限內(nèi)不進(jìn)行控制，而由其他控制子系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。蓄電池充放電控制模塊采用單閉環(huán)增量式PID控制結(jié)合并聯(lián)控制的方法。通過對檢測的直流母線電壓值進(jìn)行周期采樣計數(shù)，當(dāng)母線電壓的波動持續(xù)超過給定范圍一定時間時，蓄電池充放電控制模塊才進(jìn)行動作。
目前PID控制算法分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，本發(fā)明裝置中的蓄電池充放電控制模塊采用增量式PID控制算法。所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量Δu(k)。其表達(dá)式如下Δu(k)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+K1e(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]式中Kp——比例系數(shù)。
(1)蓄電池放電整個裝置啟動前，作為電力變化部分最先動作的部分，蓄電池要向母線提供穩(wěn)定720V直流電壓，但此時在同一母線上的整個燃機系統(tǒng)的其他電力變換電路和控制系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)，使得蓄電池沒有負(fù)載，又因為本裝置升壓時，下橋臂的PWM占空比下限幅為10％，所以最終導(dǎo)致的結(jié)果是母線電容電壓一直上升。為解決這個問題，本發(fā)明采取的策略是當(dāng)電容電壓大于800V時，PWM脈沖封鎖，防止電容電壓過高；當(dāng)電容電壓小于700V時，PWM脈沖打開，即PID調(diào)節(jié)占空比時，其它兩個橋臂的下管以其中一個橋臂的下管為基準(zhǔn)，相互交錯120°，同一橋臂上的開關(guān)管交錯導(dǎo)通，上橋臂導(dǎo)通時，下橋臂關(guān)斷；下橋臂關(guān)斷時，上橋臂導(dǎo)通；并且占空比限制到10％-80％之間，從而實現(xiàn)蓄電池的自放電。蓄電池放電過程按以下步驟執(zhí)行，如圖9所示步驟一、開始；步驟二、實時檢測母線電壓；步驟三、判斷母線電壓是否大于800V，是，進(jìn)入步驟四，否則進(jìn)入步驟五；步驟四、封鎖PWM；步驟五、判斷母線電壓是否小于700V，是，進(jìn)入步驟六，否則進(jìn)入步驟二；步驟六、打開PWM并返回步驟二。
(2)蓄電池充電蓄電池充放電控制模塊中充電過程按以下步驟執(zhí)行，如圖10所示步驟一、經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換取蓄電池電壓；步驟二、判斷蓄電池是否深度放電，是，進(jìn)入步驟三，否則進(jìn)入步驟五；步驟三、經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換取蓄電池電流；步驟四、增量式PID恒流充電，直接進(jìn)入步驟六；步驟五、經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換取蓄電池電壓；步驟六、增量式PID恒壓充電序；步驟七、返回。
其中增量式PID恒流充電過程與增量式PID恒壓充電過程完全相同，如圖11所示，按以下步驟執(zhí)行(圖中x為給定電壓值或電流值，y為檢測到的電壓值或電流值)步驟一、開始；步驟二、AD轉(zhuǎn)換后取得Y(k)，即電壓值(或電流值)；步驟三、計算偏差e(k)＝X(k)-Y(k)；步驟四、判斷偏差e(k)是否大于控制死區(qū)，是，進(jìn)入步驟五，否則進(jìn)入步驟六；步驟五、計算PID控制的輸出U＝Kp*(e(k)-e(k-1))+Ki*e(k)+Kd*(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))；步驟六、計算e(k-1)＝e(k-2)，e(k)＝e(k-1)；步驟七、判斷給定電壓值(或電流值)x是否大于給定終值，是，進(jìn)入步驟八，否則進(jìn)入步驟十；步驟八、重新給定電壓值(或電流值)x；步驟九、判斷是否達(dá)到給定終值，是，進(jìn)入步驟十，否則進(jìn)入步驟二；步驟十、結(jié)束。
工作中有時要提高充電速度，必須提高充電電流。然而，給蓄電池充電時，并非在任何條件下對任何充電電流都能接受。蓄電池在充電過程中，保持等量、微量地氣體析出和穩(wěn)定的溫升時，充電電流是一條指數(shù)曲線，即i＝Ioe-αt式中，I0——t＝0時的最大起始電流；i——任意時刻t時蓄電池可接受的充電電流；α——衰減率常數(shù)。
如圖12所示，A曲線為隨著充電的進(jìn)行對應(yīng)的每一時刻的電池容量的狀態(tài)，B曲線是一條自然接受特性曲線，超過這一接受曲線的任何充電電流，不僅絲毫不能提高充電速度，而且會導(dǎo)致充電電流電解水，產(chǎn)生氣體，增大壓力和溫升。而小于這一接受特性曲線的充電電流，便是蓄電池具有的儲存充電電流，該電流稱為蓄電池的充電接受電流。如果遵循蓄電池充電接受特性進(jìn)行充電，充電接受率a保持常數(shù)，在某一時刻，已充電的容量Qs為Qs=∫0tidt=∫0tI0e-αtdt=I0α(1-e-αt)---(2.28)]]>充電結(jié)束，即t～∞時，全部充電容量為Q，也就是蓄電池先前放出的容量Q=I0α---(2.29)]]>
故α=I0Q---(2.30)]]>因此，充電接受率是最大起始接受電流I0與尚需充進(jìn)容量的比值。對于任何一定的待充進(jìn)容量Q，充電接受率愈高，最大起始接受電流愈大，充電速度就愈快?？梢钥闯?，充電接受率α的物理意義為單位待充入容量的最大接受電流。
新型充電方法采用階段指數(shù)曲線或線性遞減方式，逐漸減少充電電流，并隨著充電的進(jìn)行，適時地對電池進(jìn)行大電流瞬時放電，消除充電過程中的極化現(xiàn)象，才可繼續(xù)快速充電，因主電路控制起來非常靈活，上管導(dǎo)通，下管封鎖時，主電路工作在Buck模式對蓄電池進(jìn)行充電；若讓上管封鎖，下管導(dǎo)通時，主電路工作在Boost模式對蓄電池進(jìn)行放電，使得蓄電池充電過程中極化現(xiàn)象的消除得以實現(xiàn)?？焖俪潆娺^程按以下步驟執(zhí)行，如圖13所示步驟一、開始；步驟二、確定在1小時內(nèi)去極化放電的次數(shù)，按充電電流曲線段給定電流；步驟三、計算極化電壓；步驟四、確定下階段充電電流的給定值；步驟五、判斷是否到1小時，是，進(jìn)入步驟六，否則進(jìn)入步驟三；步驟六、電流閉環(huán)控制轉(zhuǎn)為電壓閉環(huán)控制；步驟七、結(jié)束。
本發(fā)明裝置中蓄電池充放電控制模塊采用并聯(lián)控制，具有以下優(yōu)點(1)熱量管理在并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，每個模塊只處理總功率的一部分，所以每個單元的功率損耗小，簡化了熱量設(shè)計。
(2)可靠性并聯(lián)減小了半導(dǎo)體器件的電應(yīng)力和熱應(yīng)力，雖然在并聯(lián)系統(tǒng)中器件的數(shù)目增加，但整個系統(tǒng)的可靠性也隨之增加。
(3)冗余技術(shù)當(dāng)有一個基本電路失效時，其他的基本電路可替換之。冗余技術(shù)適用于高可靠性的應(yīng)用，如大型計算機、航空航天和軍事等應(yīng)用。
(4)模塊化并聯(lián)結(jié)構(gòu)非常適用于模塊化系統(tǒng)的設(shè)計，模塊化便于系統(tǒng)的改變和結(jié)構(gòu)調(diào)整，可以通過增加模塊的數(shù)目來提高輸出的功率，因此只需設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)模塊，從而既可以減小制造的費用又可以節(jié)約系統(tǒng)升級的時間。
(5)可維護(hù)性并聯(lián)系統(tǒng)經(jīng)過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計可以允許在線更換故障模塊，支持熱插拔功能，實現(xiàn)不中斷維護(hù)和維修，這在連續(xù)運行的高可靠系統(tǒng)中是相當(dāng)重要的。
(6)減小體積模塊化設(shè)計可以提高系統(tǒng)的功率密度，因為低功率模塊可以實現(xiàn)高開關(guān)頻率，從而減小濾波器件的體積。
本發(fā)明裝置應(yīng)用于微型燃?xì)廨啓C發(fā)電系統(tǒng)中，可確保該系統(tǒng)性能，提高能源利用率，保護(hù)環(huán)境，有較好的社會效益，具有如下優(yōu)點(1)提高了系統(tǒng)的實時性；(2)保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；(3)在保證系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上采用最簡化的控制策略降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性；(4)提高了系統(tǒng)的通用性，既實現(xiàn)了系統(tǒng)獨立運行，又可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；(5)提高了燃機系統(tǒng)的能源利用率及其實用性。別外本發(fā)明裝置作為體積小輸出電壓高且穩(wěn)定的電源，也可嘗試應(yīng)用于對其它設(shè)備進(jìn)行供電。


圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明裝置的功率變換和濾波電路原理圖；圖3為本發(fā)明裝置的功率變換和濾波電路的升壓等效圖；圖4為本發(fā)明裝置的功率變換和濾波電路的降壓等效5為本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)電路原理框圖；圖6為本發(fā)明控制方法過程流程圖；圖7為本發(fā)明方法中數(shù)字濾波過程流程圖；圖8為本發(fā)明方法中分級通信報警過程流程圖；圖9為本發(fā)明方法中蓄電池放電過程流程圖；圖10為本發(fā)明方法中蓄電池充電過程流程圖；圖11為本發(fā)明方法中增量式PID恒壓(恒流)充電過程流程圖；圖12為蓄電池充電接受特性圖；圖13為本發(fā)明方法中快速充電過程流程圖；圖14為本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)中IC1芯片的電路原理圖；圖15為為本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)中IC5芯片的電路原理圖；圖16為本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)中IC9與IC2、IC3、IC4、IC8、IC10、IC20芯片的電路原理圖；圖17為本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)中驅(qū)動電路原理圖；圖18為本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)中時鐘電路原理圖；圖19為本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)中電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖；圖20為本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)中單路數(shù)據(jù)檢測與采集電路原理圖；圖21為本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)中RAM存儲器IC11的電路原理圖；圖22為本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)中RAM存儲器IC12的電路原理圖；圖23為本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)中EPROM存儲器IC13的電路原理圖；圖24為本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)中EPROM存儲器IC14的電路原理圖；圖25為本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)中EEPROM存儲器IC15的電路原理圖；圖26為本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)中EEPROM存儲器IC16的電路原理圖；圖27為電壓為400V，開關(guān)頻率5k，帶載8kw時本發(fā)明裝置的母線輸出電壓波形圖；圖28為輸入端電壓為直流720V，給定460V，開關(guān)頻率5k時本發(fā)明裝置的蓄電池充電電壓波形圖。
具體實施例方式
本發(fā)明裝置由電力變換電路和控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，如圖1所示。電力變換電路即為功率變換和濾波電路；控制系統(tǒng)包括多路功率驅(qū)動模塊、多路數(shù)據(jù)檢測和采集模塊、中央控制模塊、分級通信報警模塊以及蓄電池充放電控制模塊。
功率變換和濾波電路由六個IGBT、六個續(xù)流二極管、三個電感以及兩個電容構(gòu)成，采用三橋臂并聯(lián)交錯的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖中正負(fù)間外加直流電壓，正負(fù)電壓間跨接的每兩個IGBT和每兩個二極管構(gòu)成一個單元(即一個橋臂)由一個雙IGBT模塊實現(xiàn)，每個模塊上分別接入一個電感。
實現(xiàn)本發(fā)明裝置控制的硬件電路以IC9為核心，IC9采用美國TI公司生產(chǎn)的DSP(DigitalSignal Processor)系列芯片——TMS320LF2407A，，擴展了存儲電路、電壓匹配電路、系統(tǒng)復(fù)位電路、串行通訊電路、CAN總線通訊電路、報警通道、驅(qū)動通道、數(shù)據(jù)采集通道、I/O通道、晶振電路。其中DSP處理器IC9的數(shù)據(jù)信號接口D0-D15管腳分別與電平轉(zhuǎn)換芯片IC1(SN74ALVC164245)的1A1-1A8管腳、2A1-2A8管腳相連，IC1的1B1-1B8管腳、2B1-2B8管腳作為輸出，IC9的RD管腳經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片IC4(SN74ALVC164245)連接IC1的1DIR管腳和2DIR管腳，如圖14所示；IC9的A0-A15管腳分別與電平轉(zhuǎn)換芯片IC5(SN74ALVC164245)的1A1-1A8管腳、2A1-2A8管腳相連，IC5的1B1-1B8管腳、2B1-2B8管腳作為輸出，如圖15所示；IC9的DS，PS，BIO/IOPC1，W/R/IOPC0，IOPC2，IOPC3，IOPC5管腳分別與IC4的2A8管腳、2A4管腳、1A3管腳、1A5-1A8管腳相連，IC4的2B8管腳、2B4管腳、1B5-1B8管腳分別與通用邏輯陣列芯片IC10(GAL16V8D)的IN1、IN2、IN7、IN6、IN5、IN4管腳相連；IC9的SCITXD管腳、SCIRXD管腳、CANTX管腳、CANRX管腳、PDPINTA管腳分別與電平轉(zhuǎn)換芯片IC3(SN74ALVC164245)的1A8管腳、2A8管腳、1A7管腳、2A7管腳、2A1管腳相連，IC3的1B8管腳、2B8管腳分別與串行通信芯片IC8(MAX232)的T1IN管腳、R1OUT管腳相連，IC3的1B7管腳、2B7管腳分別與CAN通信芯片IC20(PCA82C250)的RXD管腳、TXD管腳相連，IC3的2B1管腳與驅(qū)動電路的PDPINTA管腳相連，IC3的士B6管腳與1B的管腳相連；IC9的PWM1-PWM7管腳分別與電平轉(zhuǎn)換芯片IC2(SN74ALVC164245)的1A1-1A7管腳相連，IC2的1B1-1B7管腳分別與驅(qū)動電路的PWM1-PWM7管腳相連；IC4的2B8、2B4管腳，IC5的1B1管腳，IC4的1B8-1B5管腳、IB3管腳依次連接到IC10的IN1-IN8管腳，IC10的IO7管腳與RAM存儲器IC11(CY7C1021)的片選管腳相連，IO6管腳與RAM存儲器IC12(CY7C1021)的片選管腳相連，IO5管腳與EPROM存儲器IC13(M27C1024)的片選管腳相連，IO4管腳與EPROM存儲器IC14(M27C1024)的片選管腳相連，IO3管腳同時與EEPROM存儲器IC15(M28C64)、EEPROM存儲器IC15(M28C64)的片選管腳相連。IC9的ADCIN03管腳，ADCIN11管腳，ADCIN13管腳，ADCIN14管腳，ADCIN15管腳與分別與各路數(shù)據(jù)檢測與采集電路相連，用以采集各物理量；IC9的PLLF2管腳、PLLF管腳、XTAL1管腳、XTAL2管腳分別與晶振電路相連，用于提供系統(tǒng)的時鐘基準(zhǔn)，如圖16所示。
其中驅(qū)動電路如圖17所示，時鐘電路如圖18所示，電壓轉(zhuǎn)換電路如圖19所示。本發(fā)明裝置中多路數(shù)據(jù)檢測與采集電路由若干完全相同的單路數(shù)據(jù)檢測與采集電路構(gòu)成，包括溫度檢測與采集電路、電池電流檢測與采集A電路、電池電流檢測與采集B電路、電池電流檢測與采集C電路、電池電壓檢測與采集電路以及直流母線電壓檢測電路，上述各個數(shù)據(jù)檢測與采集電路相互獨立工作，各個數(shù)據(jù)檢測與采集電路原理圖相同，如圖20所示。
IC5的2B8-2B1管腳，1B8-1B2管腳和IC4的1B4管腳分別與RAM存儲器IC11、RAM存儲器IC12的地址總線即A0-A15管腳相連，IC1的1A1-1A8管腳和2A1-2A8管腳分別與IC11、IC12的I/O0-I/O15管腳相連，IC10的IO7管腳與IC11的cs管腳相連，如圖21所示，IC10的IO6管腳與IC12的cs管腳相連，如圖22所示。
IC5的2B8-2B1管腳，1B8-1B2管腳和IC4的1B4管腳分別與EPROM存儲器IC13、EPROM存儲器IC14的地址總線確A0-A15管腳相連，IC1的1A1-1A8管腳和2A1-2A8管腳分別與IC13和IC14的數(shù)據(jù)總線Q0-Q15管腳相連，IC10的IO5管腳與IC13的E管腳相連，如圖23所示，IC10的IO4管腳與IC14的E管腳相連，如圖24所示。
IC5的2B8-2B1管腳，1B8-1B4管腳分別與EEPROM存儲器IC15和IC16的地址總線A0-A12管腳相連，IC1的1A1-1A8管腳和2A1-2A8管腳分別與EEPROM存儲器IC15和IC16的數(shù)據(jù)總線DQ0-DQ7管腳相連，IC10的IO3管腳與IC15的E管腳相連，如圖25所示，IC10的IO3管腳與IC16的E管腳相連，如圖26所示。
本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)包括中央控制模塊、多路功率驅(qū)動模塊、多路數(shù)據(jù)檢測和采集模塊、分級通訊報警模塊以及蓄電池充放電控制模塊。本發(fā)明控制方法由嵌入上述各模塊中的程序?qū)崿F(xiàn)。
本發(fā)明的控制方法包括以下步驟步驟一、開始；
步驟二、系統(tǒng)初始化；步驟三、控制板自檢；步驟四、等待中央控制單元(CCU)發(fā)送信號；步驟五、判斷CAN發(fā)送信號類型，當(dāng)CAN為自檢信號時進(jìn)入步驟六，當(dāng)CAN為接受CCU升壓信號時進(jìn)入步驟十四，當(dāng)CAN信號為接收CCU故障停機命令進(jìn)入步驟二十一，當(dāng)CAN為接收CCU正常停機命令時進(jìn)入步驟二十二，當(dāng)CAN不是上述信號中的任何一類時返回步驟四；步驟六、判斷自檢信號是否接收成功，是進(jìn)入步驟七，否則進(jìn)入步驟八；步驟七、發(fā)送自檢成功信號直接進(jìn)入步驟九；步驟八、發(fā)送自檢不成功信號并返回步驟二；步驟九、接收DCU下傳參數(shù)；步驟十、判斷參數(shù)接收是否完畢，是，進(jìn)入步驟十一，否則進(jìn)入步驟九；步驟十一、檢測蓄電池電壓是否正常，是，進(jìn)入步驟十二，否則進(jìn)入步驟十三；步驟十二、發(fā)送電壓正常信號并返回步驟四；步驟十三、以送電壓不正常信號并返回步驟四；步驟十四、接收CCU升壓命令；步驟十五、電容預(yù)充電；步驟十六、蓄電池放電；步驟十七、判斷CCU是否發(fā)送結(jié)束信號，是，進(jìn)入步驟十八，否則進(jìn)入步驟十六；步驟十八、接收CCU升壓結(jié)束信號；步驟十九、充電；步驟二十、蓄電池快速充電并返回步驟四；步驟二十一、接收CCU故障停機命令并進(jìn)入步驟二十五；步驟二十二、接收CCU正常停機命令；步驟二十三、啟動升壓子程序；步驟二十四、判斷升壓是否結(jié)束，是進(jìn)入步驟二十五，否則進(jìn)入步驟二十三；步驟二十五、封鎖IGBT脈沖；步驟二十六、結(jié)束。
多路檢測與采集模塊中數(shù)字濾波過程按以下步驟執(zhí)行步驟一、開始；步驟二、確定對應(yīng)歷史記錄表的DMA(首地址)；步驟三、讀當(dāng)前輸入值X(n)到DMA-1單元；步驟四、x(n-1)進(jìn)行乘積、累加和數(shù)據(jù)移動；步驟五、判斷是否進(jìn)位，是進(jìn)入步驟六，否則進(jìn)入步驟七；步驟六、進(jìn)位處理；
步驟七、x(n)進(jìn)行乘積、累加和數(shù)據(jù)移動；步驟八、判斷是否進(jìn)位，是進(jìn)入步驟九，否則進(jìn)入步驟十；步驟九、進(jìn)位處理；步驟十、Y(n-1)進(jìn)行乘積、累加和數(shù)據(jù)移動；步驟十一、判斷是否進(jìn)位，是進(jìn)入步驟十二，否則進(jìn)入步驟十三；步驟十二、進(jìn)位處理；步驟十三、Y(n)存入DMA-2單元；步驟十四、輸出Y(n)；步驟十五、返回。
分級通信報警模塊中通信報警過程按以下步驟執(zhí)行步驟一、開始；步驟二、讀上位機輸入信息；步驟三、判斷有危險報警否？是，進(jìn)入步驟四，否則進(jìn)入步驟二；步驟四、判斷是否有一級報警否？是，進(jìn)入步驟五，否則進(jìn)入步驟六；步驟五、將報警代碼和引發(fā)報警的物理量按串行協(xié)議打包，并通過專用串行通道發(fā)送；步驟六、將各物理量按CAN總線協(xié)議打包，并通過CAN總線發(fā)送；步驟六、判斷是否有進(jìn)一步通訊要求？是，進(jìn)入步驟七，否則進(jìn)入步驟二；步驟七、按要求將信息通過CAN總線發(fā)送；步驟八、返回。蓄電池充放電控制模塊中實現(xiàn)蓄電池放電、蓄電池充電、增量式PID恒壓(恒流)充電與蓄電池快速充電。
蓄電池放電過程按以下步驟執(zhí)行步驟一、開始；步驟二、實時檢測母線電壓；步驟三、判斷母線電壓是否大于800V，是，進(jìn)入步驟四，否則進(jìn)入步驟五；步驟四、封鎖PWM；步驟五、判斷母線電壓是否小于700V，是，進(jìn)入步驟六，否則進(jìn)入步驟二；步驟六、打開PWM并返回步驟二。
充電過程按以下步驟執(zhí)行步驟一、經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換取蓄電池電壓；步驟二、判斷蓄電池是否深度放電，是，進(jìn)入步驟三，否則進(jìn)入步驟五；步驟三、經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換取蓄電池電流；步驟四、增量式PID恒流充電，直接進(jìn)入步驟六；步驟五、經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換取蓄電池電壓；步驟六、增量式PID恒壓充電；
步驟七、返回。
其中增量式PID恒流充電過程與增量式PID恒壓充電過程完全相同，按以下步驟執(zhí)行(圖中x為給定電壓值或電流值，y為檢測到的電壓值或電流值)步驟一、開始；步驟二、AD轉(zhuǎn)換后取得Y(k)，即電壓值(或電流值)；步驟三、計算偏差e(k)＝X(k)-Y(k)；步驟四、判斷偏差e(k)是否大于控制死區(qū)，是，進(jìn)入步驟五，否則進(jìn)入步驟六；步驟五、計算PID控制的輸出U＝Kp*(e(k)-e(k-1))+Ki*e(k)+Kd*(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))；步驟六、計算e(k-1)＝e(k-2)，e(k)＝e(k-1)；步驟七、判斷給定電壓值(或電流值)x是否大于給定終值，是，進(jìn)入步驟八，否則進(jìn)入步驟十；步驟八、重新給定電壓值(或電流值)x；步驟九、判斷是否達(dá)到給定終值，是，進(jìn)入步驟十，否則進(jìn)入步驟二；步驟十、結(jié)束。
快速充電過程按以下步驟執(zhí)行步驟一、開始；步驟二、確定在1小時內(nèi)去極化放電的次數(shù)，按充電電流曲線段給定電流；步驟三、計算極化電壓；步驟四、確定下階段充電電流的給定值；步驟五、判斷是否到1小時，是，進(jìn)入步驟六，否則進(jìn)入步驟三；步驟六、電流閉環(huán)控制轉(zhuǎn)為電壓閉環(huán)控制；步驟七、結(jié)束。
當(dāng)輸入電壓為400V，開關(guān)頻率5k，帶載8kw時，得到如圖27的母線輸出電壓波形，圖中直流母線電壓不僅穩(wěn)定在720V，并且電壓紋波系數(shù)很小，為整個燃機的啟動作了最初的動力源。
當(dāng)輸入端電壓為直流720V，給定460V，開關(guān)頻率5k時，得到如圖28的蓄電池充電電壓波形，可以看出經(jīng)過蓄電池的充電過程，蓄電池兩端獲得穩(wěn)定的460V電壓，即實現(xiàn)了對電池恒壓充電。
權(quán)利要求
1.一種微型燃?xì)廨啓C的蓄電池控制裝置，由電力變換電路和控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，其特征在于電力變換電路即為功率變換和濾波電路；控制系統(tǒng)包括多路功率驅(qū)動模塊、多路數(shù)據(jù)檢測和采集模塊、中央控制模塊、分級通信報警模塊以及蓄電池充放電控制模塊，功率變換和濾波電路與多功率驅(qū)動模塊相連，多路數(shù)據(jù)檢測和采集模塊分別與蓄電池電壓兩極、直流母線電壓兩極相連，多功率驅(qū)動模塊與蓄電池充放電控制模塊相連，中央控制模塊分別與蓄電池充放電控制模塊、多路數(shù)據(jù)檢測和采集模塊以及分級通信報警模塊相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型燃?xì)廨啓C的蓄電池控制裝置，其特征在于所述的電力變換電路由六個IGBT、六個續(xù)流二極管、三個電感以及兩個電容構(gòu)成，采用三橋臂并聯(lián)交錯的結(jié)構(gòu)，正負(fù)電壓間跨接的每兩個IGBT和每兩個二極管構(gòu)成一個單元，即一個橋臂，由一個雙IGBT模塊實現(xiàn)，每個模塊上分別接入一個電感。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型燃?xì)廨啓C的蓄電池控制裝置，其特征在于所述的控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)檢測與采集電路、通信報警模塊、存儲單元RAM、存儲單元EPROM、存儲單元EEPROM、驅(qū)動電路、邏輯控制電路、時鐘電路分別與DSP處理器相連，電源經(jīng)電源轉(zhuǎn)換電路與DSP處理器相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型燃?xì)廨啓C的蓄電池控制裝置的控制方法，其特征在包括以下步驟步驟～、開始；步驟二、系統(tǒng)初始化；步驟三、控制板自檢；步驟四、等待中央控制單元(CCU)發(fā)送信號；步驟五、判斷CAN發(fā)送信號類型，當(dāng)CAN為自檢信號時進(jìn)入步驟六，當(dāng)CAN為接受CCU升壓信號時進(jìn)入步驟十四，當(dāng)CAN信號為接收CCU故障停機命令進(jìn)入步驟二十一，當(dāng)CAN為接收CCU正常停機命令時進(jìn)入步驟二十二，當(dāng)CAN不是上述信號中的任何一類時返回步驟四；步驟六、判斷自檢信號是否接收成功，是進(jìn)入步驟七，否則進(jìn)入步驟八；步驟七、發(fā)送自檢成功信號直接進(jìn)入步驟九；步驟八、發(fā)送自檢不成功信號并返回步驟二；步驟九、接收DCU下傳參數(shù)；步驟十、判斷參數(shù)接收是否完畢，是，進(jìn)入步驟十一，否則進(jìn)入步驟九；步驟十一、檢測蓄電池電壓是否正常，是，進(jìn)入步驟十二，否則進(jìn)入步驟十三；步驟十二、發(fā)送電壓正常信號并返回步驟四；步驟十三、以送電壓不正常信號并返回步驟四；步驟十四、接收CCU升壓命令；步驟十五、電容預(yù)充電；步驟十六、蓄電池放電；步驟十七、判斷CCU是否發(fā)送結(jié)束信號，是，進(jìn)入步驟十八，否則進(jìn)入步驟十六；步驟十八、接收CCU升壓結(jié)束信號；步驟十九、充電；步驟二十、蓄電池快速充電并返回步驟四；步驟二十一、接收CCU故障停機命令并進(jìn)入步驟二十五；步驟二十二、接收CCU正常停機命令；步驟二十三、啟動升壓子程序；步驟二十四、判斷升壓是否結(jié)束，是進(jìn)入步驟二十五，否則進(jìn)入步驟二十三；步驟二十五、封鎖IGBT脈沖；步驟二十六、結(jié)束。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型燃?xì)廨啓C的蓄電池控制裝置的控制方法，其特征在于所述的步驟四中控制單元發(fā)送信號即為通信報警過程，按以下步驟執(zhí)行步驟一、開始；步驟二、讀上位機輸入信息；步驟三、判斷有危險報警否？是，進(jìn)入步驟四，否則進(jìn)入步驟二；步驟四、判斷是否有一級報警否？是，進(jìn)入步驟五，否則進(jìn)入步驟六；步驟五、將報警代碼和引發(fā)報警的物理量按串行協(xié)議打包，并通過專用串行通道發(fā)送；步驟六、將各物理量按CAN總線協(xié)議打包，并通過CAN總線發(fā)送；步驟六、判斷是否有進(jìn)一步通訊要求？是，進(jìn)入步驟七，否則進(jìn)入步驟二；步驟七、按要求將信息通過CAN總線發(fā)送；步驟八、返回。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型燃?xì)廨啓C的蓄電池控制裝置的控制方法，其特征在于所述的步驟十六中蓄電池放電過程按以下步驟執(zhí)行步驟一、開始；步驟二、實時檢測母線電壓；步驟三、判斷母線電壓是否大于800V，是，進(jìn)入步驟四，否則進(jìn)入步驟五；步驟四、封鎖PWM；步驟五、判斷母線電壓是否小于700V，是，進(jìn)入步驟六，否則進(jìn)入步驟二；步驟六、打開PWM并返回步驟二。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型燃?xì)廨啓C的蓄電池控制裝置的控制方法，其特征在于所述的步驟十九中充電過程按以下步驟執(zhí)行步驟一、經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換取蓄電池電壓；步驟二、判斷蓄電池是否深度放電，是，進(jìn)入步驟三，否則進(jìn)入步驟五；步驟三、經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換取蓄電池電流；步驟四、增量式PID恒流充電，直接進(jìn)入步驟六；步驟五、經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換取蓄電池電壓；步驟六、增量式PID恒壓充電序；步驟七、返回。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微型燃?xì)廨啓C的蓄電池控制裝置的控制方法，其特征在于所述的步驟四和步驟六中增量式PID恒流充電過程與增量式PID恒壓充電過程完全相同，按以下步驟執(zhí)行步驟一、開始；步驟二、AD轉(zhuǎn)換后取得Y(k)，即電壓值或電流值；步驟三、計算偏差e(k)＝X(k)-Y(k)；步驟四、判斷偏差e(k)是否大于控制死區(qū)，是，進(jìn)入步驟五，否則進(jìn)入步驟六；步驟五、計算PID控制的輸出U＝Kp*(e(k)-e(k-1))+Ki*e(k)+Kd*(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))；步驟六、計算e(k-1)＝e(k-2)，e(k)＝e(k-1)；步驟七、判斷給定電壓值或電流值x是否大于給定終值，是，進(jìn)入步驟八，否則進(jìn)入步驟十；步驟八、重新給定電壓值或電流值x；步驟九、判斷是否達(dá)到給定終值，是，進(jìn)入步驟十，否則進(jìn)入步驟二；步驟十、結(jié)束。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型燃?xì)廨啓C的蓄電池控制裝置的控制方法，其特征在于所述的步驟二十中快速充電過程按以下步驟執(zhí)行步驟一、開始；步驟二、確定在1小時內(nèi)去極化放電的次數(shù)，按充電電流曲線段給定電流；步驟三、計算極化電壓；步驟四、確定下階段充電電流的給定值；步驟五、判斷是否到1小時，是，進(jìn)入步驟六，否則進(jìn)入步驟三；步驟六、電流閉環(huán)控制轉(zhuǎn)為電壓閉環(huán)控制；步驟七、結(jié)束。
全文摘要
一種微型燃?xì)廨啓C的蓄電池控制裝置，由電力變換電路和控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，電力變換電路即為功率變換和濾波電路；控制系統(tǒng)包括多路功率驅(qū)動模塊、多路數(shù)據(jù)檢測和采集模塊、中央控制模塊、分級通信報警模塊以及蓄電池充放電控制模塊，功率變換和濾波電路與多功率驅(qū)動模塊相連，多路數(shù)據(jù)檢測和采集模塊分別與蓄電池電壓兩極、直流母線電壓兩極相連，多功率驅(qū)動模塊與蓄電池充放電控制模塊相連，中央控制模塊分別與蓄電池充放電控制模塊、多路數(shù)據(jù)檢測和采集模塊以及分級通信報警模塊相連。本發(fā)明裝置應(yīng)用于微型燃?xì)廨啓C發(fā)電系統(tǒng)中，確保系統(tǒng)性能，提高能源利用率，保護(hù)環(huán)境。
文檔編號G05B13/02GK1858959SQ20061004662
公開日2006年11月8日 申請日期2006年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月22日
發(fā)明者張化光, 邊春元, 陳宏志, 劉秀翀, 閆士杰, 李愛平, 韓安榮 申請人:東北大學(xué)