汽拖起動機試驗用蓄電池模擬電源設計

1 引言
汽車、拖拉機的起動機性能測試，包括型式試驗在內，是起動機生產企業經常進行的測試項目。試驗以蓄電池作為電源，以便與車載運行時的情況一致。然而，起動機實驗要檢測的項目很多，對蓄電池是個不小的負擔。正因如此，起動機生產企業每年要處理不少廢棄的蓄電池，這不僅是個浪費，同時還對環境造成污染，影響廠區綠色面貌。人們希望能有一種性能可模仿蓄電池的非化學能電源取代蓄電池，不必進行電能一化學能的轉換，直接用電網電能去測試起動機一這就是蓄電池模擬電源。
蓄電池的電勢E、內阻Ri與電池的荷電狀態有關。荷電以系數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k由0上升，蓄電池電勢非線性地增大，內阻Ri則呈現先下降最后又略有升高的形狀，如圖1所示。由圖1可見，蓄電池內阻Ri的充、放電曲線亦有差別。起動機每起動一次，荷電狀態系數k均會下降百分之幾，變化量很小；而蓄電池電勢E(k)的變化則視k之值而異。當k在0.3～0.85范圍內時，起動機每起動一次E(k) 變化很小，接近恒值，但當k>0.85和k<0.3時，隨k值的小變化，E(k)變化較為明顯。在設計蓄電池模擬電源控制軟件時應予以考慮。
2 電路設計 

電路設計的任務是：
(1)根據起動機容量確定模擬電源容量，既兼顧額定電流，又要不忘起動電流倍數，選擇折中方式是解決兩者兼顧的好辦法；

(2)確定電路的拓撲結構形式；
(3)確定元器件參數、型號；
(4)對應的管理與控制軟件。
下面先來解決前3個設計任務。
起動機一般均用串激直流電動機，其漏阻抗較之并激直流電動機(同容量)可稍大，故其啟動電流倍數稍低，不超過4～6倍。一臺1 kW／12 V的起動機其額定電流83 A，起動電流則可達330～500 A。設計蓄電池模擬電源，必須滿足起動電流的要求。
蓄電池模擬電源除應滿足起動電流的要求外，還應有平穩的電壓輸出，基本無明顯諧波；同時，模擬電源的漏阻抗應盡可能反映蓄電池內阻狀況。
為了減少電壓的波紋，采用三相全波不控整流電路，由380 V市網經變壓器降壓30倍再經電容濾波得到17 V直流電壓，如圖2所示。對于荷電狀態系數k=0.3～0.85的情況，由圖1可知蓄電池的電勢E和內阻Ri都是比較平坦的線段，特別是內阻Ri幾乎可看成是常數，從而可使電壓、電流的調控由后面的Buck電壓變換器實現。采取不控整流加Buck變換器這種兩步走的優點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個控制元件IGBT管，在恒幅PWM調寬下工作，極易控制。
Buck電壓變換器的工作原理很簡單。IGBT管導通時，二極管D阻斷，電源經電感L向電容C2及起動機供電；在PWM的間斷期，IGBT斷電，二極管D承受正向電壓作用而導通，起動機得到電容放電電流和電感磁能電流支持而維持繼續通電。IGBT管下1次導通時又進行上述過程。改變IGBT管的占空比，就能改變加在起動機上的電壓。比如，增大IGBT管的占空比，則起動機的電壓增高，反之下降。PWM脈沖由單片機PIC(或數字信號處理芯片TMS320系列)生成，經觸發器IR2102放大處理后送到IGBT柵極。
IGBT管在斬波方式下工作，起動機兩端的電壓和流過其中的電流必然出現波動。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管及二極管標稱電壓均為50 V，標稱電流均選400 A。變壓器設計從略。開關管的開關頻率f取1 000 Hz，在上述LC參數下，可把電壓波動量減到千分之幾以下。對電壓、電流和轉速三者進行檢測。電壓檢測信號從電位器取得；轉速檢測用光電脈沖或磁脈沖送頻率計(PIC內部)計數；電流信號用零磁通霍爾元件實現。3種檢測對分析研究實驗結果很有幫助，檢測數據送人微機內存后，經計算處理后可以送到顯示器進行曲線顯示，能對啟動過程一目了然，有利于對產品質量的評比研究。
IGBT管導通時，其發射極電位為16 V，關斷時由于二極管導通而變為0 V，即發射極處于懸浮狀態。由于IGBT的輸入級是MOSFET，它的柵極必須比IGBT管的發射極高8～10 V才能使IGBT管飽和導通，因此柵極電位也必須是浮動的。為此可以采用電容自舉電路，讓觸發器IR2102也隨之浮動起來。自舉電容C3跨接于IR2102的Vb與Vs之間，并經二極管D2使Vb與+12 V電源相聯。當PWM脈沖通態時，IGBT導通，其發射極電位升為16 V，自舉電容C3正向充電，使IR2102整體電位升到16 V，此時二極管D2由于反壓而截止，電容C3上電壓略有下降。當PWM脈沖斷態時，IGBT發射極電位為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，這體現了C3的自舉作用。
3 工藝流程設計
需要模擬電源進行模擬的蓄電池參數是蓄電池電勢E和蓄電池內阻Ri，它們都是荷電狀態系數k的非線性函數。這些非線性函數難于用解析式準確表達，宜用實驗方法事先予以確定，然后存于電腦中，用查表方法調用。注意到荷電狀態系數k的最佳范圍是0.3～0.85，可在這個范圍內進行幾十次采樣試驗，記錄下蓄電池空載電壓E(k)和某一啟動電流下的蓄電池端電壓U(k)，△U=E(k)-U(k)就反映蓄電池內阻Ri(k)造成的電壓降。因為蓄電池電勢E與k一一對應，給定一個E值就等于確定了荷電狀態。用模擬電源代替蓄電池時，可先給定一個某一荷電狀態下與蓄電池電勢E等效的電壓值以及某一負載下的電流值，可測出一個與蓄電池對應的△U。△U與電流I之比△U／I即為模擬電源的等效內阻Ri。適當選擇電路的漏阻抗參數，就能在k=0.3～0.85范圍內較好地用模擬電源來模擬某一具體容量下的蓄電池內阻Ri。
Buck電壓變換器用來調節串激直流電動機的端電壓，改變開關管T1的PWM波的脈寬，就能模擬不同荷電狀態下的蓄電池電壓特性。當荷電狀態系數k確定后，電動機的端電壓便由電動機電流和蓄電池的內阻Ri決定。前面已提到：蓄電池內阻在荷電狀態系數k=0.3～0.85范圍內變化不大，可認為是常數。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，只是在設計低壓大電流變壓器和電感線圈截面尺寸等電磁參數時，必須針對具體的蓄電池而已。明確這一點以后，模擬電源的操作就變得十分簡單：只要滿足對應不同的荷電狀態系數k有不同的蓄電池真實電壓值即可。
從上述可知，模擬電源并沒有參加電動機工作過程的控制，模擬電源所起的作用只是根據荷電狀態系數k來“給定”電壓值，整個電動機試驗過程均由電動機自身完成，這也正是“電源”所應具有的品質。起動機空載、短路、全負載起動等試驗均可由模擬電源供電實現。
上面討論的是荷電狀態系數k=0.3～0.85所對應的情況，在這一區間內，可認為蓄電池的內阻Ri是常數。對于k<0.3的情況，隨k值的下降，內阻Ri會急劇上升。這一狀態也可由模擬電源近似模擬：使開關管T1的PWM脈寬隨k值一起下降，一方面造成電壓的下降，同時由于也使整個線路的開關損耗增大，這相當于增加了蓄電池的內阻。不過這樣得到的Ri值與蓄電池的實際內阻可能有相當的差距，因此k<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 結語
汽拖起動機試驗用模擬電源此前還從未有過成功研制的實例。本文給出的電路設計是基于電力電子技術以及微機技術的發展而提出的新方案，可以在荷電狀態系數0.3～0.85的正常范圍內代替化學蓄電池，滿足起動機試驗的需要。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器件IGBT，控制部分則是單片機和IGBT的觸發器以及幾個檢測環節。結構簡單，成本也不高，易于研制

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