矿用单轨吊车蓄电池智能充电系统设计

　　【摘

 要】 针对煤矿井下蓄电池充电系统的不足，设计了基于改进型变电压间歇快速充电

法的蓄电池单轨吊车智能充电系统。该充电系统集成于机车内，与整车控制系统共享一块
ARM 芯片，具有成本低、效率高、能有效延长蓄电池使用寿命等优点，具有很好的市场发展
前景。
　　【关键词】

 变电压间歇快速充电法；模糊-PID 双模控制；ARM；智能充电系统

　　

1、引言

　　蓄电池驱动的单轨吊车是用于煤矿井下的新一代运输设备，而作为单轨吊车动力源的
蓄电池，是保证整个机车安全可靠运行的重要部件。如何提高蓄电池的运行效率、加快充电
速度和延长使用寿命一直是业内的研究热点。现有的蓄电池监控系统大多采用单片机作为控
制单元，由于结构简单、功能单一，只能对充电过程进行简单的监视，而数据存储与处理能
力极差，这大大降低了工作效率、缩短了器件寿命，从而增加了设备运行成本。
　　本文采用嵌入式处理器

S3C2410 作为主控制芯片，来实现数据实时采样,并结合基于模

糊

-PID 双模控制测量和改进型变电压间歇脉冲快速充电算法，设计了集成的智能蓄电池单

轨吊车充电系统。
　　

2、系统结构和原理

　　

2.1、系统硬件结构

　　该智能充电系统硬件结构如图

1 所示：

　　（

1）整流单元：主电路的输入为 380V 或者 660V 交流电，经过三相桥式整流单元，

输出

537V 或者 933V 直流电。

　　（

2）斩波电路：由于之后的 H 桥电路中的 IGBT 管耐压 1200V 左右，给予 2 倍余量的

考虑，所以设置本模块对输出电压进行降压处理，以使

H 桥的输入电压小于 600V。

　　（

3）H 桥驱动单元：作为智能系统的核心，采用了 GE 公司生产的开关电源专用控制

芯片来控制开关管，从而产生蓄电池充电所需的可变电压和电流驱动充电。
　　（

4）外围接口电路：包括 LED 显示，电流、电压和温度采样等等电路。

　　

2.2、改进型变电压间歇快速充电法原理

　　上世纪

60 年代中期，美国科学家马斯通过大量

　　实验得出：若蓄电池电流按

 ，即马斯充电曲线变化，则充电时间最短，并且对电池的

容量和寿命几乎没有影响。该曲线奠定了蓄电池快速充电方法的研究方向。
　　（

1）变电压间歇快速充电法

　　该方法基于恒压充电和脉冲充电的基础之上，将恒电压充电段改为限流变压间歇充电
段，如图

2 所示。

　　充电前期，将充电电压分成若干段，各段采用一定电压，以保证充电电流自然按照指
数规律下降，符合电池电流可接收率随着充电的进行逐渐下降的特点；充电后期采用定电
压充电，获得过充电量，将电池恢复至完全充电状态。
　　由图

2 可以看出，在段间变压时，会有短暂的断流停充。在间歇停充期间，蓄电池内由

化学反应而产生的

O2 和 H2 能够得以重新化合而被吸收，自然也就消除浓差极化和欧姆极

化现象，进而减轻蓄电池内压，使得下一轮的恒压充电顺利地进行，蓄电池也可以吸收更
多的电量。
　　（

2）改进型变电压间歇脉冲快速充电法

　　由马斯曲线可知，蓄电池初始充电电流最好为最大充电电流

I0，这样才能达到快速充

电的目的；但是矿用动力蓄电池容量动辄好几百

AH，充电机难以提供几百 A 的充电电流。

这里采用大电流

(比如 100A)作为初始充电电压对蓄电池进行恒流充电。当初始电流大于该