CN1858959A - 微型燃气轮机的蓄电池控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种微型燃气轮机的蓄电池控制装置，由电力变换电路和控制系统两部分构成，电力变换电路即为功率变换和滤波电路；控制系统包括多路功率驱动模块、多路数据检测和采集模块、中央控制模块、分级通信报警模块以及蓄电池充放电控制模块，功率变换和滤波电路与多功率驱动模块相连，多路数据检测和采集模块分别与蓄电池电压两极、直流母线电压两极相连，多功率驱动模块与蓄电池充放电控制模块相连，中央控制模块分别与蓄电池充放电控制模块、多路数据检测和采集模块以及分级通信报警模块相连。本发明装置应用于微型燃气轮机发电系统中，确保系统性能，提高能源利用率，保护环境。

Description

微型燃气轮机的蓄电池控制装置及方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种微型燃气轮机的蓄电池控制装置及方法。

技术背景

为了合理利用能源，微型燃气轮机发电系统得到越来越多的应用。发展微型燃机热、电、冷系统，根本原因在于节能和环保因素的考虑，同时还有一个至关重要的原因就是这些分布系统将成为建筑物能源系统的一个重要组成部分，为建筑的电力供应安全提供了保证。分布在用户端中的发电机组，可以使建筑物不依赖脆弱的电网系统，提高建筑物自身能源系统的安全系数。蓄电池管理系统是自主开发的微型燃机与电力变换系统的重要组成部分，作为整个系统中最先动作和为整个系统提供初始能量与控制电源的子系统，它的性能的优良对整个系统的影响是十分关键的。

国内外关于蓄电池系统方面的研究较多，但多是应用于各种电动机车等方向。将蓄电池管理系统作为微型燃气轮机发电系统的初始能源的不多。

另外传统的充电方法主要有恒流充电、恒压充电、恒压限流充电和先恒流后恒压充电。使用传统充电方法的充电机控制电路比较简单，充电功率一般比较小。蓄电池传统的充电方法，不论是定电压充电法还是定电流充电法，其起始的充电电流总是低于电池的接受能力，造成充电效率低、充电时间长，而在充电后期，最终的充电电流总是高于电池的接受能力，因而蓄电池内气体析出率不断增加、直到充电接近结束，所有的充电电流全部供给气体析出。而且，如果充电电压定的过高，正极产生的氧气的速度过快，吸收速度跟不上氧气的产生速度，长时间之后必然造成电池失水，从而诱发电池的微短路、硫酸化等失效现象，损害电池的质量和使用寿命。同时，高速率充电时电池的极化会造成电池内部压力上升、电池温度上升、电池内阻升高等，这不仅会缩短电池的寿命，而且有可能对电池造成永久性伤害。所以，传统的充电方式不论是从效率的角度还是安全的角度分析都不是一种比较好的充电技术。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种微型燃气轮机的蓄电池控制装置及方法。

本发明装置由电力变换电路和控制系统两部分构成，如图1所示。电力变换电路即为功率变换和滤波电路；控制系统包括多路功率驱动模块、多路数据检测和采集模块、中央控制模块、分级通信报警模块以及蓄电池充放电控制模块。其中功率变换和滤波电路与多功率驱动模块相连，多路数据检测和采集模块分别与蓄电池电压两极、直流母线电压两极相连，多功率驱动模块与蓄电池充放电控制模块相连，中央控制模块分别与蓄电池充放电控制模块、多路数据检测和采集模块以及分级通信报警模块相连。

所述的电力变换电路即为功率变换和滤波电路。

功率变换和滤波电路

该电路由六个IGBT、六个续流二极管、三个电感以及两个电容构成，采用三桥臂并联交错的结构，如图2所示。图中正负间外加直流电压，正负电压间跨接的每两个IGBT和每两个二极管构成一个单元(即一个桥臂)由一个双IGBT模块实现，每个模块上分别接入一个电感。该电路用双向Buck/Boost变换器作为基本单元，采用先进的三相交错并联Buck/Boost双向功率变换器的拓扑结构，三相交错并联Buck、Boost双向功率变换器可以即作为蓄电池放电控制(升压控制)的执行机构也可以作为蓄电池充电控制(降压控制)的执行机构。图3为升压控制时功率变换和滤波电路的等效图，而图4为降压控制时功率变换和滤波电路的等效图。这种电路结构是在传统的单个IGBT和单个二级管结构基础上，增加到三个桥臂，以减小输入电流和输出电压的脉动，电容用以吸收器件关断时的浪涌电压，三路电感和电容C2实现功率滤波。它提高了电压从而减小了系统所需自带的蓄电池的体积，使系统便于运送，提高了系统实用性。功率变换和滤波后得到的高压相对于从蓄电池组直接得到的电压更易于控制且更稳定。

所述的控制系统包括中央控制模块、多路功率驱动模块、多路数据检测和采集模块、分级通讯报警模块以及蓄电池充放电控制模块，控制系统电路原理框图如图5所示。数据检测与采集电路、通信报警模块、存储单元RAM、存储单元EPROM、存储单元EEPROM、驱动电路、逻辑控制电路、时钟电路分别与DSP处理器相连，电源经电源转换电路与DSP处理器相连。各路检测信号经过AD采样电路进入DSP处理器，DSP与外界的通讯处理是通过CAN总线和串行RS232(SCI)实现的，与存储单元(RAM，EPROM，EEPROM)的连接实现读写并用逻辑控制电路达到对存储单元的选通，DSP输出的PWM信号送到驱动电路同时驱动电路在必要的时刻回馈报警信号，电源处理和时钟电路为DSP的可靠工作提供最基本的保障。其中各路检测信号由多路数据检测与采集电路采集，它由若干完全相同的单路数据检测与采集电路构成，包括温度检测与采集电路、电池电流检测与采集A电路、电池电流检测与采集B电路、电池电流检测与采集C电路、电池电压检测与采集电路以及直流母线电压检测电路，上述各个数据检测与采集电路相互独立工作。

本发明的控制方法由嵌入上述各模块中的程序实现。

1.中央控制模块

本发明装置中的中央控制模块不仅实现控制逻辑，而且对信息进行管理，主要由运行条件判断、运行和停机控制构成。运行条件判断软件分别由初始化、自检、接受开机命令和直流母线电压正常判断构成。运行和停机控制程序由启动和停机判断、供电控制逻辑、逆变器运行控制、通讯调用构成。本发明的控制方法包括以下步骤，如图6所示：

步骤一、开始；

步骤二、系统初始化；

步骤三、控制板自检；

步骤四、等待中央控制单元(CCU)发送信号；

步骤五、判断CAN发送信号类型，当CAN为自检信号时进入步骤六，当CAN为接受CCU升压信号时进入步骤十四，当CAN信号为接收CCU故障停机命令进入步骤二十一，当CAN为接收CCU正常停机命令时进入步骤二十二，当CAN不是上述信号中的任何一类时返回步骤四；

步骤六、判断自检信号是否接收成功，是进入步骤七，否则进入步骤八；

步骤七、发送自检成功信号直接进入步骤九；

步骤八、发送自检不成功信号并返回步骤二；

步骤九、接收DCU下传参数；

步骤十、判断参数接收是否完毕，是，进入步骤十一，否则进入步骤九；

步骤十一、检测蓄电池电压是否正常，是，进入步骤十二，否则进入步骤十三；

步骤十二、发送电压正常信号并返回步骤四；

步骤十三、以送电压不正常信号并返回步骤四；

步骤十四、接收CCU升压命令；

步骤十五、电容预充电；

步骤十六、蓄电池放电；

步骤十七、判断CCU是否发送结束信号，是，进入步骤十八，否则进入步骤十六；

步骤十八、接收CCU升压结束信号；

步骤十九、充电；

步骤二十、蓄电池快速充电并返回步骤四；

步骤二十一、接收CCU故障停机命令并进入步骤二十五；

步骤二十二、接收CCU正常停机命令；

步骤二十三、启动放电程序；

步骤二十四、判断放电是否结束，是进入步骤二十五，否则进入步骤二十三；

步骤二十五、封锁IGBT脉冲；

步骤二十六、结束。

2.多路检测与采集模块

本发明装置中的多路检测模块采集多路模拟信号，包括三相电压、三相电流、零线电流和直流母线电压。本发明装置中采用了数字滤波方法，对一点进行连续多次采集，根据计算最后采集值，并以其作为该点的采样结果，这样可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响，提高采样精度，克服测量中产生的随机误差同时对信号进行必要的平滑处理。数字滤波器是通过差分方程实现的，既包括存储历史数据的数表，也包括存储差分方程参数的数表。数字滤波过程按以下步骤执行，如图7所示：

步骤一、开始；

步骤二、确定对应历史记录表的DMA(首地址)；

步骤三、读当前输入值X(n)到DMA-1单元；

步骤四、x(n-1)进行乘积、累加和数据移动；

步骤五、判断是否进位，是进入步骤六，否则进入步骤七；

步骤六、进位处理；

步骤七、x(n)进行乘积、累加和数据移动；

步骤八、判断是否进位，是进入步骤九，否则进入步骤十；

步骤九、进位处理；

步骤十、Y(n-1)进行乘积、累加和数据移动；

步骤十一、判断是否进位，是进入步骤十二，否则进入步骤十三；

步骤十二、进位处理；

步骤十三、Y(n)存入DMA-2单元；

步骤十四、输出Y(n)；

步骤十五、返回。

3.分级通信报警模块

本发明装置中的分级通讯管理模块根据信息实时性要求通过不同通道进行通讯。通讯通道分为三类：(1)专用I/O口；(2)专用串行通讯接口；(3)CAN总线接口。分级报警管理模块采用三级报警设计。危险报警利用PDPINTA引脚引入到模块保证报警的实时性；一、二级报警通过监测到的反馈信息，在分析系统工作状态基础上形成。其中危险报警以中断程序形式装入DSP的闪存中；一、二级报警以子程序形式装入DSP的闪存中。通信报警过程即为控制单元发送信号，按以下步骤执行，如图8所示：

步骤一、开始；

步骤二、读上位机输入信息；

步骤三、判断有危险报警否？是，进入步骤四，否则进入步骤二；

步骤四、判断是否有一级报警否？是，进入步骤五，否则进入步骤六；

步骤五、将报警代码和引发报警的物理量按串行协议打包，并通过专用串行通道发送；

步骤六、将各物理量按CAN总线协议打包，并通过CAN总线发送；

步骤六、判断是否有进一步通讯要求？是，进入步骤七，否则进入步骤二；

步骤七、按要求将信息通过CAN总线发送；

步骤八、返回。

4.多路功率驱动模块

本发明装置的多路功率驱动模块采用西门康公司专用驱动板SKH123/17，该驱动板为信息双向流动模式，即驱动信号由控制系统传向功率电路，危险报警信号由功率电路传向控制系统，并增加了窄脉冲限制功能。一个驱动板驱动一个桥臂的两个IGBT。

5.蓄电池充放电控制模块

本发明控制方法不仅实现了蓄电池管理系统的功能，而且改进和优化了蓄电池刚开始放电时的控制策略和蓄电池的快速充电方法。同时燃机正常运行后，当负载突变时，蓄电池管理单元可为其提供电力缓冲。为减少蓄电池的充放电的次数，延长其使用寿命，在不影响直流母线恒定电压的最大极限内不进行控制，而由其他控制子系统进行相应调整。蓄电池充放电控制模块采用单闭环增量式PID控制结合并联控制的方法。通过对检测的直流母线电压值进行周期采样计数，当母线电压的波动持续超过给定范围一定时间时，蓄电池充放电控制模块才进行动作。

目前PID控制算法分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，本发明装置中的蓄电池充放电控制模块采用增量式PID控制算法。所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu(k)。其表达式如下：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K₁e(k)+K_D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

式中：Kp——比例系数。

(1)蓄电池放电

整个装置启动前，作为电力变化部分最先动作的部分，蓄电池要向母线提供稳定720V直流电压，但此时在同一母线上的整个燃机系统的其他电力变换电路和控制系统处于关闭状态，使得蓄电池没有负载，又因为本装置升压时，下桥臂的PWM占空比下限幅为10％，所以最终导致的结果是母线电容电压一直上升。为解决这个问题，本发明采取的策略是当电容电压大于800V时，PWM脉冲封锁，防止电容电压过高；当电容电压小于700V时，PWM脉冲打开，即PID调节占空比时，其它两个桥臂的下管以其中一个桥臂的下管为基准，相互交错120°，同一桥臂上的开关管交错导通，上桥臂导通时，下桥臂关断；下桥臂关断时，上桥臂导通；并且占空比限制到10％-80％之间，从而实现蓄电池的自放电。蓄电池放电过程按以下步骤执行，如图9所示：

步骤一、开始；

步骤二、实时检测母线电压；

步骤三、判断母线电压是否大于800V，是，进入步骤四，否则进入步骤五；

步骤四、封锁PWM；

步骤五、判断母线电压是否小于700V，是，进入步骤六，否则进入步骤二；

步骤六、打开PWM并返回步骤二。

(2)蓄电池充电

蓄电池充放电控制模块中充电过程按以下步骤执行，如图10所示：

步骤一、经A/D转换取蓄电池电压；

步骤二、判断蓄电池是否深度放电，是，进入步骤三，否则进入步骤五；

步骤三、经A/D转换取蓄电池电流；

步骤四、增量式PID恒流充电，直接进入步骤六；

步骤五、经A/D转换取蓄电池电压；

步骤六、增量式PID恒压充电序；

步骤七、返回。

其中增量式PID恒流充电过程与增量式PID恒压充电过程完全相同，如图11所示，按以下步骤执行：(图中x为给定电压值或电流值，y为检测到的电压值或电流值)

步骤一、开始；

步骤二、AD转换后取得Y(k)，即电压值(或电流值)；

步骤三、计算偏差e(k)＝X(k)-Y(k)；

步骤四、判断偏差e(k)是否大于控制死区，是，进入步骤五，否则进入步骤六；

步骤五、计算PID控制的输出U＝Kp*(e(k)-e(k-1))+Ki*e(k)+Kd*(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))；

步骤六、计算e(k-1)＝e(k-2)，e(k)＝e(k-1)；

步骤七、判断给定电压值(或电流值)x是否大于给定终值，是，进入步骤八，否则进入步骤十；

步骤八、重新给定电压值(或电流值)x；

步骤九、判断是否达到给定终值，是，进入步骤十，否则进入步骤二；

步骤十、结束。

工作中有时要提高充电速度，必须提高充电电流。然而，给蓄电池充电时，并非在任何条件下对任何充电电流都能接受。蓄电池在充电过程中，保持等量、微量地气体析出和稳定的温升时，充电电流是一条指数曲线，即

                    i＝I_oe^-αt

式中，I₀——t＝0时的最大起始电流；

      i——任意时刻t时蓄电池可接受的充电电流；

      α——衰减率常数。

如图12所示，A曲线为随着充电的进行对应的每一时刻的电池容量的状态，B曲线是一条自然接受特性曲线，超过这一接受曲线的任何充电电流，不仅丝毫不能提高充电速度，而且会导致充电电流电解水，产生气体，增大压力和温升。而小于这一接受特性曲线的充电电流，便是蓄电池具有的储存充电电流，该电流称为蓄电池的充电接受电流。如果遵循蓄电池充电接受特性进行充电，充电接受率a保持常数，在某一时刻，已充电的容量Q_s为：

$Q_s={\∫}_0^t\mathrm{idt}={\∫}_0^t{I}_0{e}^{-\mathrm{\αt}}\mathrm{dt}=\frac{I_0}{\mathrm{\α}}(1-e^{-\mathrm{\αt}})---\left(2.28\right)$

充电结束，即t～∞时，全部充电容量为Q，也就是蓄电池先前放出的容量：

$Q=\frac{I_0}{\mathrm{\α}}---\left(2.29\right)$

故 $\mathrm{\α}=\frac{I_0}{Q}---\left(2.30\right)$

因此，充电接受率是最大起始接受电流I₀与尚需充进容量的比值。对于任何一定的待充进容量Q，充电接受率愈高，最大起始接受电流愈大，充电速度就愈快。可以看出，充电接受率α的物理意义为单位待充入容量的最大接受电流。

新型充电方法采用阶段指数曲线或线性递减方式，逐渐减少充电电流，并随着充电的进行，适时地对电池进行大电流瞬时放电，消除充电过程中的极化现象，才可继续快速充电，因主电路控制起来非常灵活，上管导通，下管封锁时，主电路工作在Buck模式对蓄电池进行充电；若让上管封锁，下管导通时，主电路工作在Boost模式对蓄电池进行放电，使得蓄电池充电过程中极化现象的消除得以实现。快速充电过程按以下步骤执行，如图13所示：

步骤一、开始；

步骤二、确定在1小时内去极化放电的次数，按充电电流曲线段给定电流；

步骤三、计算极化电压；

步骤四、确定下阶段充电电流的给定值；

步骤五、判断是否到1小时，是，进入步骤六，否则进入步骤三；

步骤六、电流闭环控制转为电压闭环控制；

步骤七、结束。

本发明装置中蓄电池充放电控制模块采用并联控制，具有以下优点：

(1)热量管理：在并联结构中，每个模块只处理总功率的一部分，所以每个单元的功率损耗小，简化了热量设计。

(2)可靠性：并联减小了半导体器件的电应力和热应力，虽然在并联系统中器件的数目增加，但整个系统的可靠性也随之增加。

(3)冗余技术：当有一个基本电路失效时，其他的基本电路可替换之。冗余技术适用于高可靠性的应用，如：大型计算机、航空航天和军事等应用。

(4)模块化：并联结构非常适用于模块化系统的设计，模块化便于系统的改变和结构调整，可以通过增加模块的数目来提高输出的功率，因此只需设计标准模块，从而既可以减小制造的费用又可以节约系统升级的时间。

(5)可维护性：并联系统经过恰当的设计可以允许在线更换故障模块，支持热插拔功能，实现不中断维护和维修，这在连续运行的高可靠系统中是相当重要的。

(6)减小体积：模块化设计可以提高系统的功率密度，因为低功率模块可以实现高开关频率，从而减小滤波器件的体积。

本发明装置应用于微型燃气轮机发电系统中，可确保该系统性能，提高能源利用率，保护环境，有较好的社会效益，具有如下优点：(1)提高了系统的实时性；(2)保证了系统的稳定性；(3)在保证系统性能的基础上采用最简化的控制策略降低了控制系统的复杂性；(4)提高了系统的通用性，既实现了系统独立运行，又可以进行远程监控；(5)提高了燃机系统的能源利用率及其实用性。别外本发明装置作为体积小输出电压高且稳定的电源，也可尝试应用于对其它设备进行供电。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的功率变换和滤波电路原理图；

图3为本发明装置的功率变换和滤波电路的升压等效图；

图4为本发明装置的功率变换和滤波电路的降压等效图

图5为本发明装置的控制系统电路原理框图；

图6为本发明控制方法过程流程图；

图7为本发明方法中数字滤波过程流程图；

图8为本发明方法中分级通信报警过程流程图；

图9为本发明方法中蓄电池放电过程流程图；

图10为本发明方法中蓄电池充电过程流程图；

图11为本发明方法中增量式PID恒压(恒流)充电过程流程图；

图12为蓄电池充电接受特性图；

图13为本发明方法中快速充电过程流程图；

图14为本发明装置的控制系统中IC1芯片的电路原理图；

图15为为本发明装置的控制系统中IC5芯片的电路原理图；

图16为本发明装置的控制系统中IC9与IC2、IC3、IC4、IC8、IC10、IC20芯片的电路原理图；

图17为本发明装置的控制系统中驱动电路原理图；

图18为本发明装置的控制系统中时钟电路原理图；

图19为本发明装置的控制系统中电压转换电路原理图；

图20为本发明装置的控制系统中单路数据检测与采集电路原理图；

图21为本发明装置的控制系统中RAM存储器IC11的电路原理图；

图22为本发明装置的控制系统中RAM存储器IC12的电路原理图；

图23为本发明装置的控制系统中EPROM存储器IC13的电路原理图；

图24为本发明装置的控制系统中EPROM存储器IC14的电路原理图；

图25为本发明装置的控制系统中EEPROM存储器IC15的电路原理图；

图26为本发明装置的控制系统中EEPROM存储器IC16的电路原理图；

图27为电压为400V，开关频率5k，带载8kw时本发明装置的母线输出电压波形图；

图28为输入端电压为直流720V，给定460V，开关频率5k时本发明装置的蓄电池充电电压波形图。

具体实施方式

本发明装置由电力变换电路和控制系统两部分构成，如图1所示。电力变换电路即为功率变换和滤波电路；控制系统包括多路功率驱动模块、多路数据检测和采集模块、中央控制模块、分级通信报警模块以及蓄电池充放电控制模块。

功率变换和滤波电路由六个IGBT、六个续流二极管、三个电感以及两个电容构成，采用三桥臂并联交错的结构，如图2所示。图中正负间外加直流电压，正负电压间跨接的每两个IGBT和每两个二极管构成一个单元(即一个桥臂)由一个双IGBT模块实现，每个模块上分别接入一个电感。

实现本发明装置控制的硬件电路以IC9为核心，IC9采用美国TI公司生产的DSP(DigitalSignal Processor)系列芯片——TMS320LF2407A，，扩展了存储电路、电压匹配电路、系统复位电路、串行通讯电路、CAN总线通讯电路、报警通道、驱动通道、数据采集通道、I/O通道、晶振电路。其中：DSP处理器IC9的数据信号接口D0-D15管脚分别与电平转换芯片IC1(SN74ALVC164245)的1A1-1A8管脚、2A1-2A8管脚相连，IC1的1B1-1B8管脚、2B1-2B8管脚作为输出，IC9的 RD管脚经电平转换芯片IC4(SN74ALVC164245)连接IC1的1DIR管脚和2DIR管脚，如图14所示；IC9的A0-A15管脚分别与电平转换芯片IC5(SN74ALVC164245)的1A1-1A8管脚、2A1-2A8管脚相连，IC5的1B1-1B8管脚、2B1-2B8管脚作为输出，如图15所示；IC9的 DS， PS， BIO/IOPC1，W/ R/IOPC0，IOPC2，IOPC3，IOPC5管脚分别与IC4的2A8管脚、2A4管脚、1A3管脚、1A5-1A8管脚相连，IC4的2B8管脚、2B4管脚、1B5-1B8管脚分别与通用逻辑阵列芯片IC10(GAL16V8D)的IN1、IN2、IN7、IN6、IN5、IN4管脚相连；IC9的SCITXD管脚、SCIRXD管脚、CANTX管脚、CANRX管脚、 PDPINTA管脚分别与电平转换芯片IC3(SN74ALVC164245)的1A8管脚、2A8管脚、1A7管脚、2A7管脚、2A1管脚相连，IC3的1B8管脚、2B8管脚分别与串行通信芯片IC8(MAX232)的T1IN管脚、R1OUT管脚相连，IC3的1B7管脚、2B7管脚分别与CAN通信芯片IC20(PCA82C250)的RXD管脚、TXD管脚相连，IC3的2B1管脚与驱动电路的PDPINTA管脚相连，IC3的士B6管脚与1B的管脚相连；IC9的PWM1-PWM7管脚分别与电平转换芯片IC2(SN74ALVC164245)的1A1-1A7管脚相连，IC2的1B1-1B7管脚分别与驱动电路的PWM1-PWM7管脚相连；IC4的2B8、2B4管脚，IC5的1B1管脚，IC4的1B8-1B5管脚、IB3管脚依次连接到IC10的IN1-IN8管脚，IC10的IO7管脚与RAM存储器IC11(CY7C1021)的片选管脚相连，IO6管脚与RAM存储器IC12(CY7C1021)的片选管脚相连，IO5管脚与EPROM存储器IC13(M27C1024)的片选管脚相连，IO4管脚与EPROM存储器IC14(M27C1024)的片选管脚相连，IO3管脚同时与EEPROM存储器IC15(M28C64)、EEPROM存储器IC15(M28C64)的片选管脚相连。IC9的ADCIN03管脚，ADCIN11管脚，ADCIN13管脚，ADCIN14管脚，ADCIN15管脚与分别与各路数据检测与采集电路相连，用以采集各物理量；IC9的PLLF2管脚、PLLF管脚、XTAL1管脚、XTAL2管脚分别与晶振电路相连，用于提供系统的时钟基准，如图16所示。

其中驱动电路如图17所示，时钟电路如图18所示，电压转换电路如图19所示。本发明装置中多路数据检测与采集电路由若干完全相同的单路数据检测与采集电路构成，包括温度检测与采集电路、电池电流检测与采集A电路、电池电流检测与采集B电路、电池电流检测与采集C电路、电池电压检测与采集电路以及直流母线电压检测电路，上述各个数据检测与采集电路相互独立工作，各个数据检测与采集电路原理图相同，如图20所示。

IC5的2B8-2B1管脚，1B8-1B2管脚和IC4的1B4管脚分别与RAM存储器IC11、RAM存储器IC12的地址总线即A0-A15管脚相连，IC1的1A1-1A8管脚和2A1-2A8管脚分别与IC11、IC12的I/O0-I/O15管脚相连，IC10的IO7管脚与IC11的 cs管脚相连，如图21所示，IC10的IO6管脚与IC12的 cs管脚相连，如图22所示。

IC5的2B8-2B1管脚，1B8-1B2管脚和IC4的1B4管脚分别与EPROM存储器IC13、EPROM存储器IC14的地址总线确A0-A15管脚相连，IC1的1A1-1A8管脚和2A1-2A8管脚分别与IC13和IC14的数据总线Q0-Q15管脚相连，IC10的IO5管脚与IC13的 E管脚相连，如图23所示，IC10的IO4管脚与IC14的 E管脚相连，如图24所示。

IC5的2B8-2B1管脚，1B8-1B4管脚分别与EEPROM存储器IC15和IC16的地址总线A0-A12管脚相连，IC1的1A1-1A8管脚和2A1-2A8管脚分别与EEPROM存储器IC15和IC16的数据总线DQ0-DQ7管脚相连，IC10的IO3管脚与IC15的 E管脚相连，如图25所示，IC10的IO3管脚与IC16的 E管脚相连，如图26所示。

本发明装置的控制系统包括中央控制模块、多路功率驱动模块、多路数据检测和采集模块、分级通讯报警模块以及蓄电池充放电控制模块。本发明控制方法由嵌入上述各模块中的程序实现。

本发明的控制方法包括以下步骤：

步骤一、开始；

步骤二、系统初始化；

步骤三、控制板自检；

步骤四、等待中央控制单元(CCU)发送信号；

步骤五、判断CAN发送信号类型，当CAN为自检信号时进入步骤六，当CAN为接受CCU升压信号时进入步骤十四，当CAN信号为接收CCU故障停机命令进入步骤二十一，当CAN为接收CCU正常停机命令时进入步骤二十二，当CAN不是上述信号中的任何一类时返回步骤四；

步骤六、判断自检信号是否接收成功，是进入步骤七，否则进入步骤八；

步骤七、发送自检成功信号直接进入步骤九；

步骤八、发送自检不成功信号并返回步骤二；

步骤九、接收DCU下传参数；

步骤十、判断参数接收是否完毕，是，进入步骤十一，否则进入步骤九；

步骤十一、检测蓄电池电压是否正常，是，进入步骤十二，否则进入步骤十三；

步骤十二、发送电压正常信号并返回步骤四；

步骤十三、以送电压不正常信号并返回步骤四；

步骤十四、接收CCU升压命令；

步骤十五、电容预充电；

步骤十六、蓄电池放电；

步骤十七、判断CCU是否发送结束信号，是，进入步骤十八，否则进入步骤十六；

步骤十八、接收CCU升压结束信号；

步骤十九、充电；

步骤二十、蓄电池快速充电并返回步骤四；

步骤二十一、接收CCU故障停机命令并进入步骤二十五；

步骤二十二、接收CCU正常停机命令；

步骤二十三、启动升压子程序；

步骤二十四、判断升压是否结束，是进入步骤二十五，否则进入步骤二十三；

步骤二十五、封锁IGBT脉冲；

步骤二十六、结束。

多路检测与采集模块中数字滤波过程按以下步骤执行：

步骤一、开始；

步骤二、确定对应历史记录表的DMA(首地址)；

步骤三、读当前输入值X(n)到DMA-1单元；

步骤四、x(n-1)进行乘积、累加和数据移动；

步骤五、判断是否进位，是进入步骤六，否则进入步骤七；

步骤六、进位处理；

步骤七、x(n)进行乘积、累加和数据移动；

步骤八、判断是否进位，是进入步骤九，否则进入步骤十；

步骤九、进位处理；

步骤十、Y(n-1)进行乘积、累加和数据移动；

步骤十一、判断是否进位，是进入步骤十二，否则进入步骤十三；

步骤十二、进位处理；

步骤十三、Y(n)存入DMA-2单元；

步骤十四、输出Y(n)；

步骤十五、返回。

分级通信报警模块中通信报警过程按以下步骤执行：

步骤一、开始；

步骤二、读上位机输入信息；

步骤三、判断有危险报警否？是，进入步骤四，否则进入步骤二；

步骤四、判断是否有一级报警否？是，进入步骤五，否则进入步骤六；

步骤五、将报警代码和引发报警的物理量按串行协议打包，并通过专用串行通道发送；

步骤六、将各物理量按CAN总线协议打包，并通过CAN总线发送；

步骤六、判断是否有进一步通讯要求？是，进入步骤七，否则进入步骤二；

步骤七、按要求将信息通过CAN总线发送；

步骤八、返回。蓄电池充放电控制模块中实现蓄电池放电、蓄电池充电、增量式PID恒压(恒流)充电与蓄电池快速充电。

蓄电池放电过程按以下步骤执行：

步骤一、开始；

步骤二、实时检测母线电压；

步骤三、判断母线电压是否大于800V，是，进入步骤四，否则进入步骤五；

步骤四、封锁PWM；

步骤五、判断母线电压是否小于700V，是，进入步骤六，否则进入步骤二；

步骤六、打开PWM并返回步骤二。

充电过程按以下步骤执行：

步骤一、经A/D转换取蓄电池电压；

步骤二、判断蓄电池是否深度放电，是，进入步骤三，否则进入步骤五；

步骤三、经A/D转换取蓄电池电流；

步骤四、增量式PID恒流充电，直接进入步骤六；

步骤五、经A/D转换取蓄电池电压；

步骤六、增量式PID恒压充电；

步骤七、返回。

其中增量式PID恒流充电过程与增量式PID恒压充电过程完全相同，按以下步骤执行：(图中x为给定电压值或电流值，y为检测到的电压值或电流值)

步骤一、开始；

步骤二、AD转换后取得Y(k)，即电压值(或电流值)；

步骤三、计算偏差e(k)＝X(k)-Y(k)；

步骤四、判断偏差e(k)是否大于控制死区，是，进入步骤五，否则进入步骤六；

步骤五、计算PID控制的输出U＝Kp*(e(k)-e(k-1))+Ki*e(k)+Kd*(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))；

步骤六、计算e(k-1)＝e(k-2)，e(k)＝e(k-1)；

步骤七、判断给定电压值(或电流值)x是否大于给定终值，是，进入步骤八，否则进入步骤十；

步骤八、重新给定电压值(或电流值)x；

步骤九、判断是否达到给定终值，是，进入步骤十，否则进入步骤二；

步骤十、结束。

快速充电过程按以下步骤执行：

步骤一、开始；

步骤二、确定在1小时内去极化放电的次数，按充电电流曲线段给定电流；

步骤三、计算极化电压；

步骤四、确定下阶段充电电流的给定值；

步骤五、判断是否到1小时，是，进入步骤六，否则进入步骤三；

步骤六、电流闭环控制转为电压闭环控制；

步骤七、结束。

当输入电压为400V，开关频率5k，带载8kw时，得到如图27的母线输出电压波形，图中直流母线电压不仅稳定在720V，并且电压纹波系数很小，为整个燃机的启动作了最初的动力源。

当输入端电压为直流720V，给定460V，开关频率5k时，得到如图28的蓄电池充电电压波形，可以看出经过蓄电池的充电过程，蓄电池两端获得稳定的460V电压，即实现了对电池恒压充电。

Claims (9)

1、一种微型燃气轮机的蓄电池控制装置，由电力变换电路和控制系统两部分构成，其特征在于电力变换电路即为功率变换和滤波电路；控制系统包括多路功率驱动模块、多路数据检测和采集模块、中央控制模块、分级通信报警模块以及蓄电池充放电控制模块，功率变换和滤波电路与多功率驱动模块相连，多路数据检测和采集模块分别与蓄电池电压两极、直流母线电压两极相连，多功率驱动模块与蓄电池充放电控制模块相连，中央控制模块分别与蓄电池充放电控制模块、多路数据检测和采集模块以及分级通信报警模块相连。

2、根据权利要求1所述的微型燃气轮机的蓄电池控制装置，其特征在于所述的电力变换电路由六个IGBT、六个续流二极管、三个电感以及两个电容构成，采用三桥臂并联交错的结构，正负电压间跨接的每两个IGBT和每两个二极管构成一个单元，即一个桥臂，由一个双IGBT模块实现，每个模块上分别接入一个电感。

3、根据权利要求1所述的微型燃气轮机的蓄电池控制装置，其特征在于所述的控制系统中数据检测与采集电路、通信报警模块、存储单元RAM、存储单元EPROM、存储单元EEPROM、驱动电路、逻辑控制电路、时钟电路分别与DSP处理器相连，电源经电源转换电路与DSP处理器相连。

4、根据权利要求1所述的微型燃气轮机的蓄电池控制装置的控制方法，其特征在包括以下步骤：

步骤～、开始；

步骤二、系统初始化；

步骤三、控制板自检；

步骤四、等待中央控制单元(CCU)发送信号；

步骤五、判断CAN发送信号类型，当CAN为自检信号时进入步骤六，当CAN为接受CCU升压信号时进入步骤十四，当CAN信号为接收CCU故障停机命令进入步骤二十一，当CAN为接收CCU正常停机命令时进入步骤二十二，当CAN不是上述信号中的任何一类时返回步骤四；

步骤六、判断自检信号是否接收成功，是进入步骤七，否则进入步骤八；

步骤七、发送自检成功信号直接进入步骤九；

步骤八、发送自检不成功信号并返回步骤二；

步骤九、接收DCU下传参数；

步骤十、判断参数接收是否完毕，是，进入步骤十一，否则进入步骤九；

步骤十一、检测蓄电池电压是否正常，是，进入步骤十二，否则进入步骤十三；

步骤十二、发送电压正常信号并返回步骤四；

步骤十三、以送电压不正常信号并返回步骤四；

步骤十四、接收CCU升压命令；

步骤十五、电容预充电；

步骤十六、蓄电池放电；

步骤十七、判断CCU是否发送结束信号，是，进入步骤十八，否则进入步骤十六；

步骤十八、接收CCU升压结束信号；

步骤十九、充电；

步骤二十、蓄电池快速充电并返回步骤四；

步骤二十一、接收CCU故障停机命令并进入步骤二十五；

步骤二十二、接收CCU正常停机命令；

步骤二十三、启动升压子程序；

步骤二十四、判断升压是否结束，是进入步骤二十五，否则进入步骤二十三；

步骤二十五、封锁IGBT脉冲；

步骤二十六、结束。

5.根据权利要求4所述的微型燃气轮机的蓄电池控制装置的控制方法，其特征在于所述的步骤四中控制单元发送信号即为通信报警过程，按以下步骤执行：

步骤一、开始；

步骤二、读上位机输入信息；

步骤三、判断有危险报警否？是，进入步骤四，否则进入步骤二；

步骤四、判断是否有一级报警否？是，进入步骤五，否则进入步骤六；

步骤五、将报警代码和引发报警的物理量按串行协议打包，并通过专用串行通道发送；

步骤六、将各物理量按CAN总线协议打包，并通过CAN总线发送；

步骤六、判断是否有进一步通讯要求？是，进入步骤七，否则进入步骤二；

步骤七、按要求将信息通过CAN总线发送；

步骤八、返回。

6、根据权利要求4所述的微型燃气轮机的蓄电池控制装置的控制方法，其特征在于所述的步骤十六中蓄电池放电过程按以下步骤执行：

步骤一、开始；

步骤二、实时检测母线电压；

步骤三、判断母线电压是否大于800V，是，进入步骤四，否则进入步骤五；

步骤四、封锁PWM；

步骤五、判断母线电压是否小于700V，是，进入步骤六，否则进入步骤二；

步骤六、打开PWM并返回步骤二。

7、根据权利要求4所述的微型燃气轮机的蓄电池控制装置的控制方法，其特征在于所述的步骤十九中充电过程按以下步骤执行：

步骤一、经A/D转换取蓄电池电压；

步骤二、判断蓄电池是否深度放电，是，进入步骤三，否则进入步骤五；

步骤三、经A/D转换取蓄电池电流；

步骤四、增量式PID恒流充电，直接进入步骤六；

步骤五、经A/D转换取蓄电池电压；

步骤六、增量式PID恒压充电序；

步骤七、返回。

8、根据权利要求7所述的微型燃气轮机的蓄电池控制装置的控制方法，其特征在于所述的步骤四和步骤六中增量式PID恒流充电过程与增量式PID恒压充电过程完全相同，按以下步骤执行：

步骤一、开始；

步骤二、AD转换后取得Y(k)，即电压值或电流值；

步骤三、计算偏差e(k)＝X(k)-Y(k)；

步骤四、判断偏差e(k)是否大于控制死区，是，进入步骤五，否则进入步骤六；

步骤五、计算PID控制的输出U＝Kp*(e(k)-e(k-1))+Ki*e(k)+Kd*(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))；

步骤六、计算e(k-1)＝e(k-2)，e(k)＝e(k-1)；

步骤七、判断给定电压值或电流值x是否大于给定终值，是，进入步骤八，否则进入步骤十；

步骤八、重新给定电压值或电流值x；

步骤九、判断是否达到给定终值，是，进入步骤十，否则进入步骤二；

步骤十、结束。

9、根据权利要求4所述的微型燃气轮机的蓄电池控制装置的控制方法，其特征在于所述的步骤二十中快速充电过程按以下步骤执行：

步骤一、开始；

步骤二、确定在1小时内去极化放电的次数，按充电电流曲线段给定电流；

步骤三、计算极化电压；

步骤四、确定下阶段充电电流的给定值；

步骤五、判断是否到1小时，是，进入步骤六，否则进入步骤三；

步骤六、电流闭环控制转为电压闭环控制；

步骤七、结束。

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