汽拖起動(dòng)機(jī)試驗(yàn)用蓄電池模擬電源設(shè)計(jì)

1 引言
汽車、拖拉機(jī)的起動(dòng)機(jī)性能測試，包括型式試驗(yàn)在內(nèi)，是起動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)常進(jìn)行的測試項(xiàng)目。試驗(yàn)以蓄電池作為電源，以便與車載運(yùn)行時(shí)的情況一致。然而，起動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)要檢測的項(xiàng)目很多，對蓄電池是個(gè)不小的負(fù)擔(dān)。正因如此，起動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)每年要處理不少廢棄的蓄電池，這不僅是個(gè)浪費(fèi)，同時(shí)還對環(huán)境造成污染，影響廠區(qū)綠色面貌。人們希望能有一種性能可模仿蓄電池的非化學(xué)能電源取代蓄電池，不必進(jìn)行電能一化學(xué)能的轉(zhuǎn)換，直接用電網(wǎng)電能去測試起動(dòng)機(jī)一這就是蓄電池模擬電源。
蓄電池的電勢E、內(nèi)阻Ri與電池的荷電狀態(tài)有關(guān)。荷電以系數(shù)k表示，其值在0～1之間，0代表未荷電，1代表滿荷電。隨荷電系數(shù)k由0上升，蓄電池電勢非線性地增大，內(nèi)阻Ri則呈現(xiàn)先下降最后又略有升高的形狀，如圖1所示。由圖1可見，蓄電池內(nèi)阻Ri的充、放電曲線亦有差別。起動(dòng)機(jī)每起動(dòng)一次，荷電狀態(tài)系數(shù)k均會(huì)下降百分之幾，變化量很小；而蓄電池電勢E(k)的變化則視k之值而異。當(dāng)k在0.3～0.85范圍內(nèi)時(shí)，起動(dòng)機(jī)每起動(dòng)一次E(k) 變化很小，接近恒值，但當(dāng)k>0.85和k<0.3時(shí)，隨k值的小變化，E(k)變化較為明顯。在設(shè)計(jì)蓄電池模擬電源控制軟件時(shí)應(yīng)予以考慮。
2 電路設(shè)計(jì) 

電路設(shè)計(jì)的任務(wù)是：
(1)根據(jù)起動(dòng)機(jī)容量確定模擬電源容量，既兼顧額定電流，又要不忘起動(dòng)電流倍數(shù)，選擇折中方式是解決兩者兼顧的好辦法；

(2)確定電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式；
(3)確定元器件參數(shù)、型號；
(4)對應(yīng)的管理與控制軟件。
下面先來解決前3個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)。
起動(dòng)機(jī)一般均用串激直流電動(dòng)機(jī)，其漏阻抗較之并激直流電動(dòng)機(jī)(同容量)可稍大，故其啟動(dòng)電流倍數(shù)稍低，不超過4～6倍。一臺1 kW／12 V的起動(dòng)機(jī)其額定電流83 A，起動(dòng)電流則可達(dá)330～500 A。設(shè)計(jì)蓄電池模擬電源，必須滿足起動(dòng)電流的要求。
蓄電池模擬電源除應(yīng)滿足起動(dòng)電流的要求外，還應(yīng)有平穩(wěn)的電壓輸出，基本無明顯諧波；同時(shí)，模擬電源的漏阻抗應(yīng)盡可能反映蓄電池內(nèi)阻狀況。
為了減少電壓的波紋，采用三相全波不控整流電路，由380 V市網(wǎng)經(jīng)變壓器降壓30倍再經(jīng)電容濾波得到17 V直流電壓，如圖2所示。對于荷電狀態(tài)系數(shù)k=0.3～0.85的情況，由圖1可知蓄電池的電勢E和內(nèi)阻Ri都是比較平坦的線段，特別是內(nèi)阻Ri幾乎可看成是常數(shù)，從而可使電壓、電流的調(diào)控由后面的Buck電壓變換器實(shí)現(xiàn)。采取不控整流加Buck變換器這種兩步走的優(yōu)點(diǎn)是可以使軟硬件大為簡化。三相全波不控整流無需控制線路，工作可靠，波紋較低；Buck電壓變換器只需1個(gè)控制元件IGBT管，在恒幅PWM調(diào)寬下工作，極易控制。
Buck電壓變換器的工作原理很簡單。IGBT管導(dǎo)通時(shí)，二極管D阻斷，電源經(jīng)電感L向電容C2及起動(dòng)機(jī)供電；在PWM的間斷期，IGBT斷電，二極管D承受正向電壓作用而導(dǎo)通，起動(dòng)機(jī)得到電容放電電流和電感磁能電流支持而維持繼續(xù)通電。IGBT管下1次導(dǎo)通時(shí)又進(jìn)行上述過程。改變IGBT管的占空比，就能改變加在起動(dòng)機(jī)上的電壓。比如，增大IGBT管的占空比，則起動(dòng)機(jī)的電壓增高，反之下降。PWM脈沖由單片機(jī)PIC(或數(shù)字信號處理芯片TMS320系列)生成，經(jīng)觸發(fā)器IR2102放大處理后送到IGBT柵極。
IGBT管在斬波方式下工作，起動(dòng)機(jī)兩端的電壓和流過其中的電流必然出現(xiàn)波動(dòng)。為減少這種紋波，在Back變換器中加入LC濾波電路。電感L采用空氣隙δ=1 mm的鐵心電感，電感量L=10 mH。電解電容4 000 μF／50 V。IGBT管及二極管標(biāo)稱電壓均為50 V，標(biāo)稱電流均選400 A。變壓器設(shè)計(jì)從略。開關(guān)管的開關(guān)頻率f取1 000 Hz，在上述LC參數(shù)下，可把電壓波動(dòng)量減到千分之幾以下。對電壓、電流和轉(zhuǎn)速三者進(jìn)行檢測。電壓檢測信號從電位器取得；轉(zhuǎn)速檢測用光電脈沖或磁脈沖送頻率計(jì)(PIC內(nèi)部)計(jì)數(shù)；電流信號用零磁通霍爾元件實(shí)現(xiàn)。3種檢測對分析研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果很有幫助，檢測數(shù)據(jù)送人微機(jī)內(nèi)存后，經(jīng)計(jì)算處理后可以送到顯示器進(jìn)行曲線顯示，能對啟動(dòng)過程一目了然，有利于對產(chǎn)品質(zhì)量的評比研究。
IGBT管導(dǎo)通時(shí)，其發(fā)射極電位為16 V，關(guān)斷時(shí)由于二極管導(dǎo)通而變?yōu)? V，即發(fā)射極處于懸浮狀態(tài)。由于IGBT的輸入級是MOSFET，它的柵極必須比IGBT管的發(fā)射極高8～10 V才能使IGBT管飽和導(dǎo)通，因此柵極電位也必須是浮動(dòng)的。為此可以采用電容自舉電路，讓觸發(fā)器IR2102也隨之浮動(dòng)起來。自舉電容C3跨接于IR2102的Vb與Vs之間，并經(jīng)二極管D2使Vb與+12 V電源相聯(lián)。當(dāng)PWM脈沖通態(tài)時(shí)，IGBT導(dǎo)通，其發(fā)射極電位升為16 V，自舉電容C3正向充電，使IR2102整體電位升到16 V，此時(shí)二極管D2由于反壓而截止，電容C3上電壓略有下降。當(dāng)PWM脈沖斷態(tài)時(shí)，IGBT發(fā)射極電位為0 V，IR2102整體電位也降到接近0 V，+12 V電源向C3反向充電，補(bǔ)充剛剛失去的電量，保持C3上的電壓基本不變從而也保持了IR2102正常工作所需電壓，這體現(xiàn)了C3的自舉作用。
3 工藝流程設(shè)計(jì)
需要模擬電源進(jìn)行模擬的蓄電池參數(shù)是蓄電池電勢E和蓄電池內(nèi)阻Ri，它們都是荷電狀態(tài)系數(shù)k的非線性函數(shù)。這些非線性函數(shù)難于用解析式準(zhǔn)確表達(dá)，宜用實(shí)驗(yàn)方法事先予以確定，然后存于電腦中，用查表方法調(diào)用。注意到荷電狀態(tài)系數(shù)k的最佳范圍是0.3～0.85，可在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行幾十次采樣試驗(yàn)，記錄下蓄電池空載電壓E(k)和某一啟動(dòng)電流下的蓄電池端電壓U(k)，△U=E(k)-U(k)就反映蓄電池內(nèi)阻Ri(k)造成的電壓降。因?yàn)樾铍姵仉妱軪與k一一對應(yīng)，給定一個(gè)E值就等于確定了荷電狀態(tài)。用模擬電源代替蓄電池時(shí)，可先給定一個(gè)某一荷電狀態(tài)下與蓄電池電勢E等效的電壓值以及某一負(fù)載下的電流值，可測出一個(gè)與蓄電池對應(yīng)的△U。△U與電流I之比△U／I即為模擬電源的等效內(nèi)阻Ri。適當(dāng)選擇電路的漏阻抗參數(shù)，就能在k=0.3～0.85范圍內(nèi)較好地用模擬電源來模擬某一具體容量下的蓄電池內(nèi)阻Ri。
Buck電壓變換器用來調(diào)節(jié)串激直流電動(dòng)機(jī)的端電壓，改變開關(guān)管T1的PWM波的脈寬，就能模擬不同荷電狀態(tài)下的蓄電池電壓特性。當(dāng)荷電狀態(tài)系數(shù)k確定后，電動(dòng)機(jī)的端電壓便由電動(dòng)機(jī)電流和蓄電池的內(nèi)阻Ri決定。前面已提到：蓄電池內(nèi)阻在荷電狀態(tài)系數(shù)k=0.3～0.85范圍內(nèi)變化不大，可認(rèn)為是常數(shù)。這就大大簡化了模擬電源的控制電路，因而三相整流橋可以采用不控方式，只是在設(shè)計(jì)低壓大電流變壓器和電感線圈截面尺寸等電磁參數(shù)時(shí)，必須針對具體的蓄電池而已。明確這一點(diǎn)以后，模擬電源的操作就變得十分簡單：只要滿足對應(yīng)不同的荷電狀態(tài)系數(shù)k有不同的蓄電池真實(shí)電壓值即可。
從上述可知，模擬電源并沒有參加電動(dòng)機(jī)工作過程的控制，模擬電源所起的作用只是根據(jù)荷電狀態(tài)系數(shù)k來“給定”電壓值，整個(gè)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程均由電動(dòng)機(jī)自身完成，這也正是“電源”所應(yīng)具有的品質(zhì)。起動(dòng)機(jī)空載、短路、全負(fù)載起動(dòng)等試驗(yàn)均可由模擬電源供電實(shí)現(xiàn)。
上面討論的是荷電狀態(tài)系數(shù)k=0.3～0.85所對應(yīng)的情況，在這一區(qū)間內(nèi)，可認(rèn)為蓄電池的內(nèi)阻Ri是常數(shù)。對于k<0.3的情況，隨k值的下降，內(nèi)阻Ri會(huì)急劇上升。這一狀態(tài)也可由模擬電源近似模擬：使開關(guān)管T1的PWM脈寬隨k值一起下降，一方面造成電壓的下降，同時(shí)由于也使整個(gè)線路的開關(guān)損耗增大，這相當(dāng)于增加了蓄電池的內(nèi)阻。不過這樣得到的Ri值與蓄電池的實(shí)際內(nèi)阻可能有相當(dāng)?shù)牟罹啵虼薻<0.3的情況不適宜使用。
簡化的主程序如圖3所示。限于篇幅，各子程序略。
4 結(jié)語
汽拖起動(dòng)機(jī)試驗(yàn)用模擬電源此前還從未有過成功研制的實(shí)例。本文給出的電路設(shè)計(jì)是基于電力電子技術(shù)以及微機(jī)技術(shù)的發(fā)展而提出的新方案，可以在荷電狀態(tài)系數(shù)0.3～0.85的正常范圍內(nèi)代替化學(xué)蓄電池，滿足起動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的需要。電路所用元器件不多，主電路主要是三相低壓大電流整流電源和開關(guān)器件IGBT，控制部分則是單片機(jī)和IGBT的觸發(fā)器以及幾個(gè)檢測環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)簡單，成本也不高，易于研制

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