10kW蓄电池充电机研究与设计 ——毕业论文

武汉理工大学毕业设计（论文）摘要 蓄电池以其突出的优点，在各个领域得到了广泛的应用。目前在电动车、UPS不间断电源等领域，它已经成为最重要的关键部件之一。充电是蓄电池在生产、使用和保养中必不可少的内容。本文介绍了一种用于蓄电池的大功率充电机的设计过程，主要包括对蓄电池充电方法和充电系统的设计。在本系统的设计中，主电路由全桥隔离型DC-DC换流器组成，功率开关管选用IGBT，控制电路以PID为核心，通过比较蓄电池的端电压和充电电压得到开关管的移相角，控制主电路开关管的开通时刻来实现充电状态的控制，系统中的辅助电路对系统起到了很好的保护作用。本文最后给出了系统的仿真的实验波形，仿真和实验结果表明:充电机输出电压稳定，纹波小，满足系统的设计要求。关键词：蓄电池； IGBT； 充电； PID控制AbstractBattery with its outstanding qualities, in all areas of a wide range of applications. Currently in electric cars, UPS and other fields, it has become one of the most important key components. Rechargeable battery in production, is using and maintenance of indispensable content. This paper introduces a kind of used for large power charging the battery machine design process, mainly including the battery charging method and charging system design.In the design of the system, the main circuit, with the whole bridge type DC-DC isolation in the flow of power switch tube choose IGBT, control circuit with PID as the core, through the comparison of the battery voltage of the charge voltage and get the switch tube moving phase Angle, control the main circuit switch tube the opening of the moment to realize the control of the charging, system of auxiliary circuit of the system has played a very good protection.This paper gives the system simulation experiment waveform, the simulation and experiment results show that charger output voltage stability, ripple small, meet the design of the system requirements.Key words: Storage battery； IGBT； charging； PID control目录摘要IAbstractII目录III1 绪论11.1 研究背景11.2 研究意义21.3 国内外发展现状31.4 本文主要研究内容52 蓄电池的工作原理和特性分析62.1 蓄电池的种类和特性62.2 蓄电池的工作原理分析72.2.1 蓄电池的放电原理分析72.2.2 蓄电池的充电原理分析72.3 蓄电池的充电过程分析92.4 充电方法和控制策略的选择102.4.1 恒流充电102.4.2 恒压充电102.4.3 充电方法分析和控制策略的选择113 系统的总体设计123.1 系统原理图123.2 DC-DC降压变换器拓扑分析123.2.1 Buck变换器133.2.2 Buck-boost变换器133.2.3 Cuk变换器143.2.4 单端正激（Forward）变换器143.2.5 单端反激式（Flyback）变换器153.2.6 全桥（Bridge）变换器163.3 系统充电主回路的选择174 系统电路设计和算法设计194.1 系统主回路参数设计与硬件设计194.1.1 变压器参数设计194.1.2 滤波器设计194.1.3 系统主回路开关管的设计204.1.4 系统主回路电路图214.2 系统控制回路的设计224.2.1 系统控制回路原理图224.2.2 系统控制回路设计图224.3 系统总电路设计图234.4 系统控制算法设计254.4.1 系统控制算法的选择254.4.2 系统PID参数的整定265 系统仿真及波形分析275.1 系统开环控制仿真275.2 不同PID参数下的仿真275.3 系统仿真下的电压波形分析295.4 系统仿真下的电流波形分析305.5 系统仿真结果分析31结束语32参考文献33附录34致谢36371 绪论1.1 研究背景随着全球汽车产量和保有量的不断增长，使用内燃机作为驱动动力的汽车所带来的严重的环境污染和越来越紧迫的全球石油资源危机等问题，致使世界各国不得不寻求排放低及节能新型交通工具，电动车是新能源交通工具的发展方向。自1881年法国试制了使用铅蓄电池作为动力源的电动车以来，世界各国对电动车的研究不断有新的突破。20世纪以来，尤其是第二次世界大战后，世界各国开始大力倡导发展电动交通工具，而电动自行车以其独特的优点，受到极大的推广使用1。把电动自行车视为交通工具更新换代的方向，其原因在于以下几个方面： 污染小。目前，燃油交通工具的大量使用，排放的尾气中含有的二氧化碳、氮氧化合物和其他烟雾粉尘是造成环境污染的主要元凶。采用电动自行车作为交通工具，可减少排污95%以上，甚至还可以做到零排放； 节约能源。电动自行车的能耗约为燃油交通工具能耗的1/301/20,此外，还可以利用夜用电网负荷下降时进行充电维护； 结构和控制简单，易于操作和维修； 可利用多种形式的能源进行转化，使用成本降低2； 随着电动车的大力推广使用，装备电动车的主要部件也已经达到初步实用化的阶段2： 利用稀土磁性材料制成多种形式的永磁电机，使得电动自行车的功率加大，重量得以减轻、效率得到提高； 利用现代电子技术研制成功的IC、印刷线路板以及大功率组合晶体管构成的电子开关和保护电机线路控制，可以做到更简便、更灵活有效的控制； 研制出使用于不同蓄电池的蓄电池充电器，既有慢速自动充电，也有节能、快速自动关断的智能充电器。当前，电动汽车、摩托车、电动三轮车、电动脚踏车等电动车辆都可以根据已有的电机、电子控制技术，设计制造出不同的车型，这些都已不再是电动车辆发展的技术难点所在1。唯有作为电动车辆动力源的蓄电池和相匹配的充电机成为电动车辆达到实用化和商品化的技术关键。相对性能较为稳定的部件，蓄电池和充电器两大关键部件在技术突破上存在一定的迟滞性，造成蓄电池的循环寿命受损，成为制约电动自行车快速发展的瓶颈。由此可见，解决好电动自行车用蓄电池的充电器及充电技术问题，对电动自行车的快速发展会起到很大的推动作用。 1.2 研究意义 蓄电池作为一种储能设备具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，在现代工业社会的应用已经非常广泛了，而蓄电池的种类也比较多。各种不同的蓄电池有不同的应用场合：一些能量密度高的蓄电池，比如镍氢电池、锂离子电池主要用于便携式电话机等移动通讯设备、笔记本电脑、摄像机中；而能量密度相对较低一点，但价格便宜的铅酸电池则广泛用于邮电、电力系统、煤矿等行业3。特别是技术最成熟的铅酸蓄电池，由于具有电动势高、能大电流放电、使用温度范围宽、性能稳定、工作可靠、价格低廉、原材料来源丰富等优点，因此在国民经济各个领域，尤其在电动汽车动力电源、工矿电机车动力源、汽车启动电源等方面得到了广泛的应用2。铅酸蓄电池的产量和使用量均占所有二次电池的75%，相对于其它蓄电池仍然具有不可替代的地位。随着蓄电池制造技术的日渐成熟和使用上的大力推广，蓄电池的发展前景是广阔的，但就目前的技术水平来讲，作为动力源用的蓄电池还未达到标准化生产。上海市曾于1997年制定DB31/2021997地方标准，规范蓄电池的生产标准。蓄电池要想实现标准化生产，起码要满足以下标准条件3： 比能量大于50wh/kg； 寿命在5h率条件下达12001500次循环； 充电后每次可行驶160km以上； 有足够的功率供电动自行车在5s内从零加速到10km/h。 要想达到这一标准，目前面临的困难主要是，蓄电池的能量、功率与循环寿命等指标间的相互冲突。虽然提高蓄电池活性物质的利用率、改进蓄电池组极板和单体电池之间的连接、加大蓄电池的放电深度等方法可以有效的提高铅酸蓄电池的比能量和比功率，但这些方法也会导致不良的后果，像易造成蓄电池内部极板上活性物质的脱落、骨芯的腐蚀等，这将损害铅酸蓄电池的使用寿命4。由此可见，提高蓄电池的质量，延长其使用寿命是未来蓄电池发展的必然趋势。 因蓄电池使用导致的放电程度夏季超过50%，冬季超过25%需要恢复容量而进行补充充电；为防止蓄电池硫化，正常使用的蓄电池，每隔三个月应进行一次预防硫化的过充电；蓄电池在使用中常处于部分放电的状态，只有少量活性物质参加工作，长期下去，不参加化学反应的活性物质会收缩硬化，不能使用，使蓄电池容量降低，为迫使全部的活性物质都参加工作，可每隔3个月进行一次充放电锻炼；蓄电池由于制造材料、使用因素等原因，会出现单格电池的端电压、电解液密度、容量等差异，对蓄电池的使用极为不利，为此需要进行均衡充电5。及时、正确地给蓄电池充电，不仅可以恢复蓄电池的容量使其处于良好的技术状态，而且可以有效的防止故障的发生和延长蓄电池的使用寿命。实际工作中要根据蓄电池的不同应该选用不同的充电方法。蓄电池充电技术是从二次电池诞生开始的，而且和蓄电池的发展与应用有着极为密切的关系。最初的充电技术是法国物理学家普兰特在1859年发明了蓄电池后首先发明的，当时他采用的是原电池充电，普兰特蓄电池由于其特性不佳和极板表面电化加工制造的困难，并没有实际应用上的意义4。1882年赛隆采用铅锑合金制造板栅，增加了板栅的机械强度，开始应用发动机带动直流发电机做电源进行充电5。从此，蓄电池才真正具有实际应用价值6。随着变压器技术和整流技术的发展1914年以后，才开始使用交流电源供电，交流电源经过变压器变压和整流后向蓄电池充电。第二次世界大战期间，世界各国对蓄电池的应用都极为的重视，纷纷研究和总结蓄电池的充电规律，根据当时世界各国对蓄电池充电特性的认识提出了总结性的充电经验法则，即常规充电的经验规律，这些经验法则是6： 蓄电池温度为75（24）时，充电电压应为2.3V 左右，在此基础上温度每上升一度，电压应相应的降低0.004V。 蓄电池的充电电流（单位为安培）不应超过蓄电池待重新充入的安时数。 在不减损蓄电池循环寿命的情况下，完成蓄电池满充电的时间，不能少于5小时。 国内大容量充电设备主要采用自祸变压器或晶闸管电路，充电模式主要沿用恒流恒压直流式充电。采用自藕变压器或晶闸管电路时，输出的充电电压交流纹波分量大，易导致电池处于“暂时过压充电”状态，内部产生额外升温，使电池极板产生应力，加速电池的损坏6。而且随着电力电子技术的不断发展，采用自藕变压器或晶闸管的传统大容量充电设备，已不能满足小型、轻质、高效和低噪音等要求7。美日等国家对蓄电池的性能和理论研究一直走在我国的前面，有关大容量蓄电池智能充电技术的研究起步也较早，有关充电电路的设计和控制技术十分成熟，主要研究重点在于如何减少充电电流的纹波成分，为蓄电池提供安全高效率的充电电源，以及对均衡充电技术的研究。集中来说主要是力求设备简单、安全、高效和控制方便。1.3 国内外发展现状伴随着蓄电池的产生和实际应用，电池的充电技术也应运而生了。19世纪90年代，以铅酸蓄电池为动力能源的电动车首次投入运营，当时配备的车载充电器是采用恒流输出的方式，同时监测电解液密度来决定电池的充电状态8。这种恒流充电方式成为传统充电方式之一，即充电时全程采用恒定不变的电流充电，该方式一般适用于小电流长时间的充电。另外一种传统的充电方式是恒压充电，即采用较低电压的恒定电压充电。还有这两种充电方式的变形，如两段恒流、恒压限流方式。因为这些方式没有准确的控制，模式单一，所以采用这样的方式进行充电，结果会充电时间长、充电效率低、能耗高4。但是由于其实现简单、控制量小，在有些场合仍然被采用。 马斯发现了析气反应在电池充电过程中的重要性，并提出了以最小析气反应率为前提的蓄电池可接受充电电流曲线，如图1-1所示6。由该曲线可以看出，在充电的初期电池可以接受大电流的充电，但随着充电的进行，电池可以接受的充电电流逐渐减小，并且充电时间越长，可接受的充电电流越小。马斯定律的提出为现代快速充电技术的发展奠定了基础。 图1-1 马斯充电曲线 国内外很多学者和技术人员都针对缩短充电时间、提高充电效率和改进充电效果进行了大量工作。日本一些研究人员研究了多阶段恒流充电对电动车用动力型阀控式铅酸蓄电池充电时间和充电效果的影响，认为采用多阶段恒流充电过程中第1阶段电流选择0.5C，能够有效地缩短充电时间、延长电池工作寿命5。国内也提出了变电流间歇快速充电方法，即用多阶段恒流并在每恒流阶段之间进行间歇，并将该方式与一段恒流充电的方式进行了比较。结果认为，用多阶段变电流间歇快速充电方法可有效缩短充电时间，提高充电电量6。另外，也有研究发现，部分的大电流充电不仅不会减少电池使用寿命，反而还会延长，提高电池循环过程中的工作性能。在蓄电池的充电过程中，不可避免的会发生由欧姆极化、浓差极化和电化学极化构成的极化现象导致充电电压升高，充电效率降低4。为了减小充电过程产生的极化量，有效增大充电电量、提高充电效率，研究者对充电波形的变化进行了相应的工作。L.T Lam4等研究了在充电过程中脉冲电流对电池电化学性能和工作寿命的影响，并与恒流充电进行了比较。他们认为与恒流充电比较脉冲充电不仅可以有效减少充电时间而且可以延长电池的工作寿命。另外，国内外很多的研究者也认为，利用脉冲电流和去极化脉冲的方式可以改善电池的充电效果。但是，对于放电负脉冲对充电效果的影响，一些人提出了不同的见解6。他们认为放电不会提高电池的充电效率，而且还会对电池有害。 在国内，蓄电池充电装置较多采用的是晶闸管硅整流设备，尽管晶闸管整流设备功率密度低，但由于其工作可靠，仍得到广泛的应用，其控制方案一般为模拟调节式5。随着生产中工艺要求的提高，蓄电池的充电速率和效率越来越受到重视。快速充电技术的研究和改造在最近几年得到了很多科研人员的关注，而且取得了一些成果，并首先成功的应用到电动汽车和煤矿机车牵引用蓄电池中6。改造过的快速充电器都实现了数字化控制，借助微机控制，使整个系统的稳定性有很大提高，使充电系统的调试和维护工作大大减少。针对传统充电方法充电缓慢、安全性能不好等缺点，目前国内外陆续提出了一些新型的充电方法，如分级定流充电法、脉动式充电法、Reflex充电法、变电流间歇充电法等实现最佳充电模式2。对于铅酸蓄电池来讲，其中的分级定流法己得到广泛的应用，近几年，也有人开始采用更加新颖的充电控制方法，例如模糊控制充电法，利用模糊控制本身适合处理非线性系统的优势，更好的处理充电过程中的时变性和干扰性等常规控制方法难以解决的问题6。1.4 本文主要研究内容 蓄电池充电设备的好坏直接影响蓄电池的容量和使用寿命,电池的性能好坏，使用寿命长短直接影响到电子产品的使用寿命和安全，因此关于蓄电池充电器电路设计的研究显得特别的重要。本论文以10kw蓄电池充电机为例，探讨了全桥型DC-DC变换器的设计方法和控制策略，并为其设计所需要的反馈电路。最后在其硬件电路设计的基础上分析了充电机的性能，设计了电路参数，整定了系统控制算法的参数，最后在此基础上完成了系统的仿真。根据课题要求，本论文主要需要完成以下几个方面的工作:（1） 蓄电池工作原理及特性分析分别从蓄电池的充电和放电两方面介绍蓄电池的工作原理，其中包括介绍蓄电池的一些基本概念，并在此基础上对蓄电池的特性进行分析，分析蓄电池的充电过程，最后还需要完成系统充电机充电方法和充电策略的选择。（2） 完成系统的总体设计设计系统的原理框图，并说明系统的工作原理。根据系统中的输入、输出电压，充电机输出功率、电压纹波、电流纹波等一些性能指标要求，论证各种设计方案，然后选择其中最适合本系统充电机的充电主回路-即DC-DC变换器的拓扑结构。（3） 完成系统的电路设计及控制算法设计首先要按照系统设计要求和系统主回路电路拓扑，计算出系统主回路的电路元件的参数，并完成系统主回路中相关电力元件的选型，然后再设计出系统的控制回路，说明控制回路的控制原理，完成系统控制算法的设计并整定PID控制算法的参数。最后根据主回路和控制回路的设计，完成系统的总电路设计。（4） 完成系统仿真并分析仿真结果按照系统的总电路设计，在MATLAB软件上完成系统的仿真，对比仿真结果结果说明系统设计是否合理，以及设计的充电机是否满足系统的设计要求。2 蓄电池的工作原理和特性分析2.1 蓄电池的种类和特性蓄电池是化学电池的一种，所谓化学电池是指将化学能直接转换为电能的装置。一般使用的化学电池分为原电池和蓄电池两种。原电池只能使用一次，即我们所说的干电池，蓄电池就可以多次反复使用。当蓄电池使用一段时间后，即部分放电或完全放电，用适当的反向电流通入电池，即蓄电池可以再次将电能转化为化学能储存起来。这种反向充电补充能量的过程即是电池的充电过程，而电池将自身的能量以电能的形式供给外线路的过程即放电过程。蓄电池主要由三部分组成：发生氧化反应的阳极、发生还原反应的阴极、将阳极反应和阴极反应统一在一起的介质电解液。在电极里发生氧化反应和还原反应的物质被称为活性物质。根据蓄电池的反应物质可以分为酸性蓄电池和碱性蓄电池，例如铅酸蓄电池为酸性蓄电池，而镍镉电池为碱性蓄电池4。根据蓄电池的结构又可以分为开口蓄电池和密封蓄电池两种形式5。开口蓄电池具有以下特点：可以进行大电流放电、自放电小等。但开口蓄电池不便于维护，它需要经常的补加蒸馏水和更换电解液；而密封蓄电池在这方面具有明显的优势，它具有密封好、无泄漏、无污染、无需维护、易保存等特点，能够保障人体和各种设备的安全3。目前主要的蓄电池有以下四种：密封铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍金属氧化物蓄电池和锂离子蓄电池。这四种蓄电池具有共同的功能就是为最终产品提供可补充的电能，但不同的电池具有不同的特性，适用的对象和场合也是不同的。各种不同的电池的特性如表1所示6。特性铅酸蓄电池镍镉蓄电池镍金属蓄电池锂离子蓄电池能量密度 Wh/Kg30406090能量密度 Wh/L60100140210单电池电压（V） 2.01.21.23.6（平均）放电曲线缓慢倾斜平直平直倾斜充放电循环次数50010008001000自放电30/月15/月20/月6/月内阻低最低中最高放电速率10C3C2C表1 各种蓄电池的特性2.2 蓄电池的工作原理分析 蓄电池的正极板活性物质为二氧化铅（PbO2），负极板为海绵状铅（Pb），这样的正、负极板置于稀硫酸中，就会产生两伏左右电压。当蓄电池放电时，正负极板上的活性物质都与稀硫酸发生化学反应，两个极板上都逐渐地变成了硫酸铅（PbSO4）。当两个极板上的活性物质都变成了同样的硫酸铅后，蓄电池电压就降到了终止电压，不能再放电了。蓄电池放完电时，就应立即对它进行充电，使正、负极板的活性物质在恢复为原来的二氧化铅和海绵状铅，这样铅酸蓄电池就可以继续放电了。2.2.1 蓄电池的放电原理分析 当充满电的铅酸蓄电池接上负载放电时，外电路便有了电流通过，此过程中，负极发生的电化学反应为： （2-1）由于化学反应的发生，电路中有了电流，显然电路中的电流是有效物质铅不断溶解释放电子的结果。正极发生的电化学反应为： （2-2）由上式可见，因正极不断地接受电子，使四价铅离子还原成二价铅离子，其最后结果是大量的有效物质二氧化铅变成硫酸铅，这一过程同样是化学能转变为电能的过程。在放电过程中，负极反应的（2-1）式与正极反应的（2-2）式综合起来，可以得到下列两极总反应式： （2-3）由式（2-3）说明，蓄电池放电过程是化学能转变为电能的过程。正负极的二氧化铅与铅都变成了硫酸铅。电解液的浓度，特别是极板细孔内的浓度变化很大4。因浓度差极化、电化学极化等极化因素的影响，使铅酸电池端电压逐渐下降；同时该过程中消耗硫酸生成水，电解液的比重逐渐降低。因此可根据放电过程中，蓄电池端电压的下降及电解液的比重的降低程度来判断蓄电池的放电程度或是否放电终了，这是有理论依据的6。2.2.2 蓄电池的充电原理分析蓄电池在放电以后，正、负两极板上的终了物质都是硫酸铅。要使正、负极板上的硫酸铅在恢复为原来的二氧化铅和海绵状铅，使用直流电源进行充电。充电的过程中，正、负极板发生的反应正好与放电过程相反。在负极上，由于直流电源的作用，电子不断的由正极运送到负极，使负极还原速度大大地大于氧化反应速度。因此PbSO4不断地被还原为 Pb，其反应式如下： （2-4）由于电源的作用，负极积累了一定的负电荷。由于溶液中电场的作用，使电解液中的离子向负极板迁移与电极上解离下来的离子结合，即： （2-5）在充电过程中，负极PbSO4不断地恢复为Pb,是外电源作用的结果。因此,充电是电能不断的转化为化学能的结果。在正极上，PbSO4在直流电源的作用下，使电子不断地从铅酸蓄电池的正极板输出，因迁移作用，电解液中的离子不断地从正极周围移向负极，离子则不断地移到正极来，反应过程如下： （2-6）由上式可见，铅的化合价由正二价变成正四价，这一过程是氧化反应，使有效物质PbSO4不断地变为PbO2，这同样是在外电源的作用下得到的结果，因此也是电能转化为化学能的过程。把式（2-4）与式（2-6）合并起来，整个充电过程的反应式如下： （2-7）式（2-7）说明，在充电过程中，由于正、负极的有效物质分别恢复为PbO2与Pb ，电解液中消耗的水生成硫酸，电解液的比重逐渐升高，到充电终期，电解液比重升到最大值并保持不变。蓄电池到了充电终期，正、负极板上的硫酸铅绝大部分变为二氧化铅和海绵状铅。这时若在继续充电就要引起水的分解，正、负极上均有气泡剧烈的冒出4。正极冒出氧气，负极冒出氢气。充电电流越大，则气泡越甚。因此在充电末期电流不宜过大，这样对蓄电池的使用寿命也是有益的，反应式如下： （2-8）综上所述，在整个充电过程中，由于正、负极上的PbSO4分别逐渐恢复为PbO2与Pb ，特别是各种极化因素的影响，使铅酸蓄电池端电压逐渐上升，到充电终期上升到最大值；在充电过程中，消耗水生成硫酸，电解液比重则逐渐上升，到充电终期，上升到最大值，保持不变；同时水开始大量分解，有大量气泡冒出，使电解液出现沸腾状。因此，在蓄电池充电过程中，可根据端电压、电解液比重、气泡生成情况三方面来判断铅酸蓄电池的充电程度或充电是否终了的标志6。2.3 蓄电池的充电过程分析铅酸电池的电压在充电过程中会不断地变化，以恒流对铅酸电池充电，其端电压随时间变化的规律即充电特性曲线，如图2-1所示6。从图2-1中可以看出，充电初期电池的端电压上升很快，如图中曲线oa段。这是因为充电开始时，电池两极的硫酸铅分别转化为二氧化铅，同时生成硫酸，极板表面和活性物质微孔内的硫酸浓度骤增，又来不急向极板外扩散，电池的电动势迅速升高，所以电池端电压急剧上升。充电中期，如图中曲线ab段，由于电解液的相互扩散，极板表面和微孔内的电解液浓度不再急剧上升，所以端电压比较缓慢地上升。这样，随着充电的进行，活性物质逐步转化为二氧化铅和铅，孔隙逐渐扩大，孔率增加。至曲线的b点（此时端电压约2.3V左右）时，活性物质已大部分转化为二氧化铅和铅，极板上所余硫酸铅不多，如果继续充电，则会使水大量分解，开始析出气体。由于部分气体吸附在极板表面来不及释出，增加了内阻并造成正极电极电位升高，因此电池端电压又迅速上升，如曲线bc段。当充电达到cd段时，因为活性物质已全部还原为充电时的状态，水的分解也逐渐趋于饱和，电解液剧烈沸腾，而电压则稳定在2.7V左右，所以充电至d点即应结束。以后无论怎样延长充电时间，端电压也不再升高，只是无谓地消耗电能进行水的分解。如果在d点停止充电，端电压迅速降低至2.3V。随后，由于活性物质微孔内的硫酸逐渐扩散，微孔内外的电解液浓度趋于相同，端电压亦缓慢地下降，最后稳定在2.06V左右，如图中曲线的虚线部分。 图2-1 蓄电池充电时端电压的变化曲线 实验表明，充电末期的终了电压和充电电流的大小有关4。如果降低充电电流，电池内电压降低，水的分解减少，吸附在极板表面周围的气体相应减少，充电末期的终了电压也略低。相反，如果充电末期电流过大，不仅要毫无意义地消耗大量的电能，而且由于冒气过多，会强烈的冲刷活性物质使之脱落，而影响电池的性能，所以在充电末期采用较小的充电电流是有益的5。同时由于充电末期电流的大小会使充电终了电压发生变化，所以不能通过硬性规定一个固定的终了电压值来判断蓄电池是否完全充电，而是要根据蓄电池已充入的电量、冒气状况以及极板的颜色等情况综合判断，才能得出正确的结论。2.4 充电方法和控制策略的选择传统的充电方法主要有恒流充电、恒压充电、分阶段充电。使用传统充电方法的充电控制电路比较简单，充电功率一般比较小。2.4.1 恒流充电恒流充电就是蓄电池在充电过程中，始终以恒定不变的电流来充电的充电方法，实现起来简单，易于处理。它包括单一恒流充电和分阶段恒流充电，其充电电压、电流波形如图2-2所示6。 图2-2 恒流充电的电压、电流波形两种充电方式的区别在于：分段恒流充电的充电电流在一个充电周期中是变化的，而单一恒流充电则保持充电电流恒定不变直到充电结束。单一恒流充电为了避免后期过大的充电电流对电池造成损坏，恒流值设定较低，因此充电时间一般较长。分段恒流充电虽然可以根据充电状态调整，先以较大电流充电，并逐步减小，有效减小析气和极化现象，但是转换电流时机需要合理选择。2.4.2 恒压充电恒压充电是保持电池端电压恒定值的充电方法，其充电电压、电流波形如图2-3所示。恒压充电的时候，充电初始电流很大。随着充电的进行，蓄电池电势和电解液密度逐渐上升，在充电末期，充电电流较小。 恒压充电较为容易实现，且控制简单，但是由于电池等效串联内阻一般较小，初始电流很大，严重时可能引起极板弯曲、活性物质脱落以及蓄电池温度过高，从而损坏电池；如果降低恒压值，虽然可以减小初始电流大小，但是充电时间过长且易造成充电不足，同样缩短电池的使用寿命。 图2-3 恒压充电的电压、电流波形2.4.3 充电方法分析和控制策略的选择由上述分析可知，恒流充电就是蓄电池在充电过程中始终以恒定不变的电流来充电的充电方法，实现起来简单，易于处理，恒流充电的缺点是:充电电流在初始阶段电流过小，中后期又偏大，整个充电时间一般在15h以上，析气严重，对蓄电池危害较大，能耗高6。因此人们在恒流充电方式的基础上加以改进，即采用恒流限压的充电方式。为避免过充电，在充电后期采用限压措施，减小充电电流，避免损坏电池。恒压充电就是在整个充电过程中保持蓄电池充电电压不变的充电方法。与恒流充电法相比，其在充电过程中更接近蓄电池的最佳充电曲线5。其缺点是:在充电初期，其充电电流会很大，对蓄电池的寿命造成很大影响。另外，大电流充电会造成蓄电池极板弯曲，造成电池报废。人们为了克服恒压充电的缺点，在其基础上进行改进，即在充电初始阶段采取限制充电电压的办法，以缓解刚开始电流过大的问题，这就是恒压限流的方式。由以上几种方法相比较可知，恒流充电对蓄电池的危害最小且具有较大的适应性，可以随意调整充电电流。在允许的情况下，可以采用大电流充电，减少蓄电池的充电时间。但是，由其缺点可知，恒流充电后期，在充电后期，充电电流基本用在水解电解液上了，不但消耗电能，而且容易造成极板上活性物质的脱落，损伤蓄电池4。因此，对于蓄电池，一般采用恒流充电和恒压限流充电相结合的方法，即采用分阶段充电方法。采用这种方法，可以使充电末期的电解液沸腾的现象减弱，保护蓄电池的极板，并能防止过渡充电和水解损害蓄电池。基于以上分析，本系统采用恒流恒压浮充三阶段充电策略，在整个充电期间内，始终适时地采取了消除蓄电池极化的措施，避免了蓄电池在充电过程中产生大量气体和温升过高的问题;充电后期采用的充电方法可使蓄电池恢复至完全充电态，达到额定容量。这种三阶段充电法大大缩短了充电时间，提高了充电效率。3 系统的总体设计 本系统充电机的设计要以符合系统的设计要求为目标，本论文的充电机设计有以下性能指标要求：充电机功率为10kw，充电机输入端为450-500V的直流电压；充电机可以控制输出充电电压为300-430V，电压纹波1%；或控制充电电流变化范围1-29A，纹波电流1%；充电机采用全桥DC-DC隔离架构，并使用PID控制。3.1 系统原理图从系统设计要求中，我们可以看出充电机系统的输入端为经220V市电整流、滤波后的较高的直流电压，输出端为DC-DC变换器转换后的较低的直流电压，所以我们应该选择降压型DC-DC变换器作为系统充电主回路。而DC-DC变换器中需要用控制回路控制它的输出电压、电流值，在此我们可以先设定DC-DC变换器的输出值，通过CAN总线采集蓄电池的状态信息，然后把蓄电池的电压、电流值等反馈到系统控制回路，将设定值与输出值比较。通过控制回路得到相应的控制参数-延迟时间，从而控制系统的占空比，控制了系统的输出电压、电流。由此我们便可以实现充电机系统的设计，系统原理图如图3-1所示。 220V市电DC-DC Battery 整流滤波 直流输出 延迟时间 电压、电流值 控制回路 图3-1 系统原理图 3.2 DC-DC降压变换器拓扑分析要完成本课题中充电机的设计，首先要选择合适的主电路拓扑结构。本系统主回路要完成直流-直流电压的转换，而且由上述分析可知，我们应该选择降压型DC-DC变换器作为系统充电主回路。DC-DC变换器分为非隔离型和隔离型变换器。其中降压型DC-DC变换器主要包括非隔离型变换器中的降压（Buck）变换器、升降压（Buck-boost）变换器和（Cuk）变换器等；隔离型变换器中的正激式（Forward）变换器、反激式（Flyback）变换器和桥式（Bridge）变换器等7。3.2.1 Buck变换器 Buck变换器是DC-DC变换器最基本的两种拓扑之一。它的电路图如图3-2所示。 图3-2 Buck变换器电路图Buck变换器的主电路由开关管T、二极管D、输出滤波电感L和输出滤波电容C构成。这种电路，电源是电压源性质、负载为电流源性质。根据电感电流是否连续，Buck变换器有3种工作模式-连续导电模式、不连续导电模式和临界模式。电感电流连续是指输出滤波电感L的电流总是大于零，电感电流断续是指在开关管关断期间有一段时间流过电感的电流为零。在这两种工作方式之间有一个工作边界，称为电感电流临界连续状态，即在开关管关断期末，滤波电感的电流刚好降为零。Buck电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，电路完成把直流电压Us转换为较低的直流电压Uo的功能。3.2.2 Buck-boost变换器Buck-boost变换器的原理图8如图3-3所示。图3-3 Buck-boost变换器原理图 当可控开关T处于通态时，电源Us经T向电感L供电使其储存能量，同时电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使T关断，电感L中存储的能量向负载释放。可见负载电压极性为上负下正，与电源极性相反，与前面介绍的降压斩波电路和升压斩波电路的情况正好相反，因此升降压斩波电路也称作反极性斩波电路。升降压斩波电路的占空比0a1/2时为降压，1/2a1时为升压。若将开关管T、二极管D看做没有损耗的理想开关时，Buck-boost转换器的输出功率和输入功率相等。3.2.3 Cuk变换器 Cuk变换器的原理图如图3-4所示。 图3-4 Cuk变换器电路原理图Cuk变换器的工作状态也分为三种：连续导电状态、不连续导电状态及临界状态。Buck-boost变换器输入电流和输出电流都是脉动的，而Cuk变换器在输入和输出端均有电感，增加电感L和L1的值，就可使交流纹波电流的值为任意的小，当然这在现实中难以实现。这两个电感之间可以没有耦合，也可以耦合，耦合电感可进一步减小电流脉动量，理论上实现“零纹波”。这是Cuk变换器的主要特性。Cuk变换器的输出电压可以高于、等于或低于输入电压，其大小主要取决于开关管K的占空比，这和Buck-boost变换器是一样的。Cuk变换器在开关管导通和关断时都进行着能量的储存与传递，从输入向输出传递功率。Cuk变换器与Buck-boost变换器相比的优点是输入电流和输出电流都是无纹波的，从而降低了对外部滤波器的要求；缺点是要有足够大的储能电容C。3.2.4 单端正激（Forward）变换器 单端正激变换器由Buck变换器派生而来，它的电路原理图9如图3-5所示。 图3-5 单端正激变换器电路原理图前面介绍的三种基本非隔离型的DC-DC变换器结构，他们有一个共同点就是输入输出存在直接的电气连接。然而在实际应用中，由于电压等级变换、安全、串联等原因，开关电源的输入和输出往往需要电气隔离。单端正激变换器的变压器属于高频变压器，工作原理与其他类型的隔离变压器不同，变压器铁芯必须加气隙，它的主要作用是隔离，一定情况下也能起到变压的作用。正激式变换器的缺点也是非常明显的。其中一个是电路比反激式变换器多用一个大储能滤波电感，以及一个续流二极管。此外，正激式变换器输出电压受占空比的调制幅度，相对于反激式变换器来说要低很多。因此，正激式变换器要求调控占空比的误差信号幅度比较高，误差信号放大器的增益和动态范围也比较大。正激式变换器还有一个更大的缺点是在控制开关关断时，变压器初级线圈产生的反电动势电压要比反激式变换器产生的反电动势电压高9。因为一般正激式变换器工作时，控制开关的占空比都取在0.5左右，而反激式变换器控制开关的占空比都取得比较小。正激式变换器在控制开关关断时，变压器初级线圈两端产生的反电动势电压是由流过变压器初级线圈的励磁电流产生的。因此，为了提高工作效率和降低反电动势电压的幅度，尽量减小正激式变换器初级线圈的励磁电流是值得考虑的。3.2.5 单端反激式（Flyback）变换器 单端反激变换器由Buck-boost变换器派生而来，它的电路原理图如图3-6所示。 图3-6 单端反激变换器电路原理图单端反激变换器中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是在一对相互耦合的电感。反激变换器开关管导通时电源将电能转化为磁能储存在变压器中，当开关管关断时再将磁能转化为电能传送到负载。反激变换器具有以下几个特点10：电路简单，效率高；输出电压纹波较大；处理功率一般在150w以下，常用于如控制系统所需的辅助电源；非常适合于小功率多组输出场合应用。 同样，反激变换器也有电流连续、电流断续和电流临界三种工作方式。这里的电流指的是变压器原边或副边的电流，称作磁化电流。反激式变换器的缺点是7：由于反激式变换器仅在控制开关关断期间才向负载提供能量输出，当负载电流出现变化时，变换器不能立刻对输出电压或电流产生反应，而需要等到下个工作周期时，通过输出电压取样和调宽控制电路的作用，变换器才开始对已经过去了的事件进行反应(即改变占空比)，因此，反激式变换器输出电压的瞬态控制特性相对来说比较差。有时，当负载电流变化的频率或相位正好与取样、调宽控制电路输出电压的延时特性在相位保持一致的时候，反激式变换器输出电压可能会产生抖动。同时反激式开关变压器初、次级线圈的漏感都比较大，从而会降低开关变压器的工作效率，并且漏感还会产生反电动势，容易把开关器件击穿。3.2.6 全桥（Bridge）变换器 在隔离型变换器电路中，正激电路和反激电路属于单端电路，半桥、全桥等则属于双端电路。下面以全桥电路为例，介绍桥式变换器。全桥变换器电路原理图如图3-7所示。 图3-7 全桥变换器电路原理图四个开关管VT1VT4组成全桥PWM逆变器，高频PWM脉冲轮流控制开关的导通与关断，在一个开关周期内上半周期VT1、VT4导通，VT2、VT3关断；下半周期VT2、VT3导通VT1、VT4关断。将直流输入电压转换成高频交流方波电压，加在变压器一次侧，实现DC/AC转换。交流方波电压的频率由PWM频率决定，改变开关的占空比，就可以改变右侧整流电压的平均值，也就改变了输出电压。高频方波电压经过高频变压器升降后，再经过全波整流器和LC低通滤波器电路，得到直流输出电压，实现AC/DC 转换。当VT1与VT4开通后，右测对应的二极管VD1和VD4处于通态，电感L2的电流逐渐上升；VT2与VT3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L2的电流也上升。当四个开关都关断时，四个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L2的电流逐渐下降。VT1和VT2段态时承受的峰值电压均为电源电压。这里需要指出的是，如果VT1与VT4、VT2与VT3的导通时间不对称，则变压器一次侧交流电压中含有很大的直流分量，并可能造成磁路饱和。为了防止直流偏磁现象，最简单的办法是在变压器初级绕组中串接一个隔直电容。电容承受直流电压分量，从而使加在高频变压器的电压是纯交流电压。为了避免同一侧半桥中上下两开关在换流过程中发生短暂的同时导通现象而损坏开关，每个开关各自的占空比不能超过50%，并应留有裕量。滤波电感电流连续时有9： (3-1) 全桥式变换器由于两组开关管轮流交替工作，相当于两个开关电源同时输出功率，其输出功率约等于单一开关电源输出功率的两倍。因此，全桥式变换器输出功率很大，工作效率很高，经桥式整流或全波整流后，其输出电压的电压脉动系数和电流脉动系数都很小，仅需要一个很小值的储能滤波电容或储能滤波电感，就可以得到一个电压纹波和电流纹波都很小的输出电压11。3.3 系统充电主回路的选择按照系统设计要求，本系统充电机功率为10kw，电路电流、电压值均较大，属于大功率电路，考虑到系