大容量镉镍蓄电池充电器的设计

SHANDONG 毕业设计说明书 大容量镉镍蓄电池充电器的设计 学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 时雷鸣 学 号： 0812105199 指导教师： 张厚升 2012 年 6 月 中文摘要 I 中文摘要中文摘要 航空蓄电池用于飞机起动、照明、导航等其他的随航应急备用之中，是机载 设备的重要组成部分。 所以航空蓄电池充电器的工作性能会直接影响到蓄电池的 工作性能与使用寿命。论文根据航空蓄电池的设计要求，设计了一种智能航充电 器的工作模式及其实现方法。 在综合比较蓄电池充电器的几种充电模式的基础上， 研制了一种通用型的蓄 电池充电器，可作为镍镉蓄电池的地面保障装备。阐述了系统的主电路方案、控 制电路的组成、软件设计以及故障检测和保护电路。该充电器主电路采用半桥直 流变换器，降低了蓄电池吸收危险峰值电流的可能性。论文采用电流、电压双闭 环控制，能成功实现蓄电池的二阶段充电，设计的充电器采用 ADC812 芯片，可 以控制充电电流工作于恒流充电和涓流充电状态。同时还设计了充电器的软启 动、过流过热保护以及极性检测电路。设计出的充电器具有电网高频电气隔离、 结构简单、效率高、体积小、重量轻等优点。 关键词：充电器，蓄电池，ADC812，变换器 Abstract II Abstract Aircraft battery is used for aircraft starting ,lightening, navigation and emergencies. It is an important element of aircraft mounted devices. The performance of the attery charger has a direct effect on the electrical properties and life-span of the battery. Based on the need of aircraft battery, the thesis provides a research to the operating modes and implementing methods of anintellectual aircraft battery charge. Based on the analysis and synthesis of several charging modes of the battery charger, a general charger for batteries is introduced. The charger can be used as a maintainable equipment for cadmium-nickel batteries. The circuit scheme, control principle, software design, charger failure detection and protection circuit are also introduced. The main circuit of the proposed charger uses half-bridge DC-AC-DC converter. The possibility of absorption dangerous peak value current in battery is reduced. The thesis adopts the double closed-loops control system with current and voltage, and realizes the two-phase charging of the battery successfully. The charger adopts ADC812 as microprocessor, it can control the current of the charger in the state of constant and tiny currents. Simultaneously, the battery charger soft starting circuit, over-current protecting current circuit, over-temperature protecting circuit as well as the polar detection circuit are also designed. The charger designed has advantages of electric separation, bi-directional current flow and simple frame. Key words：charger，batteries，ADC812，converter 目录 III 中文摘要.I Abstract II 第一章 绪论.1 1.1 课题研究的意义和目的1 1.2 镉镍蓄电池研究的进展1 1.3 蓄电池充电技术及其基本方法2 1.4 镉镍蓄电池充电器工作原理.3 1.5 论文的主要工作和结果4 第二章 镉镍蓄电池充电器主电路的设计.6 2.1 蓄电池充电器主电路的基本电路.6 2.2 蓄电池充电器的主电路设计.8 2.3 蓄电池充电器主电路参数设计9 2.3.1 电流可逆变换器的参数设计9 2.3.2 电源变换电路参数的设计.11 2.3.3 变压器的设计.12 2.3.3.1 变压器的设计原则12 2.3.3.2 变压器设计13 2.3.4 输出滤波电感的设计.16 2.4 主电路充电时的电压仿真波形17 第三章 蓄电池充电器控制电路的设计.19 3.1 脉宽调制（PWM）控制.19 3.1.1 PWM 反馈控制模式19 3.1.2 集成 PWM 控制芯片 SG352521 3.2 微处理器 ADC812.24 3.3 控制电路的电路框图.25 3.4 系统电压、电流控制电路的设计.26 3.4.1 电流环控制的电路设计.26 3.4.2 电压环控制电路的设计.27 3.5 控制电路软件设计28 第四章 系统故障检测及保护电路的设计.30 4.1 软启动电路的设计.30 4.2 过压、欠压保护的设计.31 4.3 过热保护的设计.32 4.4 过流保护电路的设计32 目录 IV 第五章 结论与总结34 参考文献35 致谢.36 附录.36 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪论 1.1 课题研究的意义和目的 蓄电池作为机载电池，广泛应用于飞机启动、照明、通讯、导航以及随航应 急装备，已经有很长的历史。它是航空器材的主要组成部分，在飞机的安全航行 中起着很重要的作用。 另一方面，蓄电池作为一种储能装置，也广泛应用于数据通信系统、计算机 设备、 医用控制系统、 精密测量系统和交通系统中。 蓄电池具有良好的工作性能， 是各种设备正常工作、提高效率和质量的重要保证。所以说，蓄电池充电技术在 现代工业中地位显得极其重要。 世界各国也都在大力研究蓄电池充电技术。 例如， 为了解决环境污染和能源紧缺的问题，世界各国都在大力研发电动车辆，其中电 动自行车作伪典型应用已广泛投入到市场， 而作为电动自行车的核心部分蓄 电池及其充电技术，已经成为重要的研究课题。但是，现在市场上大多厂家生产 的蓄电池充电器都具有一个共同的缺点，即智能化程度太低：过充电，可使蓄电 池发热，电解液失水；充电不足，可使蓄电池内化学反应不充分，并且长期充电 不足也会使蓄电池容量下降。以上两种情况都会使蓄电池的使用寿命降低，市场 中的大部分充电器大都无法满足现代电源使用设备的要求， 而且充电器采用的充 电方法一般又很传统，不仅充电时间过长、效率低，对蓄电池使用寿命会造成很 大的影响，造成严重的浪费。8 为此，本文设计出一种由单片机控制的镉镍蓄电池充电器，该充电器利用现 代电力电子技术与其控制方法，不但使蓄电池的充电时间减少了，提高了蓄电池 充电器的性能，延长了蓄电池的使用时间，而且使蓄电池充电器体积和重量大大 降低。该充电器的各项指标均满足平常使用的要求，而且使用效果良好。如将研 制的镉镍智能蓄电池充电器推广民用蓄电池产品中， 将会提高蓄电池使用的可靠 性，才会使蓄电池的循环使用寿命具有真正意义上的提高和保障。 1.2 镉镍蓄电池研究的进展 1899 年，Waldmar Jungner 在开口型镉镍电池中首先使用了镍极板。几乎与 此同时，Thomas Edison 发明了用于电动车的镍铁电池。但因当时这些碱性蓄电 池的极板材料比其他蓄电池的材料贵得多，因此实际应用受到极大的限制。 Waldmar Jungner 发明的镉镍电池经过几次重要的改进，使用性能明显改善。在 1932 年，镉镍蓄电池进行了一次重要改进，在镍电池中开始使用活性物质，将 第一章 绪论 - 2 - 活性物质放入多孔的镍极板中，然后再将镍极板装置在金属壳内。镉镍电池发展 史上的另一个显著的突破是在 1947 年密封型镉镍电池研制成功。 在这种电池中， 化学反应产生的各种气体不用排出，可以在电池内部化合。密封型镉镍电池的研 制成功使镉镍电池的应用范围大大扩大。 1.3 蓄电池充电技术及其基本方法 蓄电池的发展已经有一百多年的历史了， 在此期间， 蓄电池的革新突飞猛进， 从最初的铅酸蓄电池、镉镍蓄电池，到现在的镍氢、锂离子蓄电池，蓄电池的体 积越来愈小，容量越来愈大，使用性能也越来越强。随着蓄电池技术的发展，蓄 电池的充电技术也取得了重大进展，一般包括六种充电方法。17 1、恒流充电 恒流充电是指蓄电池在充电过程中， 采用分阶段恒流的方式对蓄电池进行充 电，并且该电流是通过调整充电装置来达到的。恒流充电的主要特点是它具有比 较大的适用性，可以任意选择和调整充电电流。因此可以针对各种不同状态的蓄 电池进行充电。恒流充电特别适用于需要用小电流长时间的充电模式，对于由电 池串联组成的电池组进行充电， 恒流充电有利于对容量恢复较慢地蓄电池进行充 电。 2、快速充电 快速充电为在进行大电流的充电的过程中， 自动进行为期较短的停充电并在 这个过程中自动加入放电脉冲的充电方式。在快速充电的过程中，既不产生大量 的气体，而且也不发热，从而达到减少充电时间的目的。现阶段常用的快速充电 方法主要是脉冲快充和大电流递减快充两种充电方式。 3、恒压充电 恒压充电为每个单体电池都以一恒定的电压充电。 在这种充电模式下充电初 期的电流较大，蓄电池的电动势与电解液的相对密度的上升速度比较快，随着充 电的进行，在充电末期，充电电流会很小，充电电流会随着电压的波动而变化， 恒压充电的时间较短、 功耗低， 因此充电电流的最大值应设置在充电电压最高时， 以免电池过充电。恒压充电一般应用于补充充电。 4、恒压限流充电 恒压限流的充电模式主要用于补偿在恒压充电的过程中电流太大的缺点， 在 蓄电池和充电电源之间串联一个电阻就可以使充电电流的大小自动调节。 当充电 的电流太大时，限流电阻电压增大，从而使充电电压降低；当充电的电流小时， 限流电阻电压也很小，充电装置输出的电压损失也会减小。这样，恒压限流充电 就自动调节了充电电流的大小，使之不超过某个限度。这种充电方法广泛应用于 第一章 绪论 - 3 - 免维护蓄电池的初充电和普通电池的补充电过程。 5、均衡充电 均衡充电是以小电流对蓄电池进行 13 小时的过充电过程。均衡充电主要 用来消除一组恒压充电运行的蓄电池在相同的工作条件下， 由于某种原因造全组 蓄电池不均衡而造成的差别，来实现全组电池的均衡。这种充电方法一般不能频 繁使用。但是当蓄电池在运行过程中出现以下几种情况时，必须采取均衡充电： 个别蓄电池电解液的密度、单格电压偏低，使全组电池出现了差别。蓄电池 经常使用后没有及时充电或者长时间的以大电流进行放电蓄电池没有按照规 定的周期采取充放电。 6、智能充电6 智能充电现阶段比较先进的充电方法， 其工作原理是在整个充电的过程中跟 随蓄电池可承担的充电电流。运用智能充电技术，充电电源可根据蓄电池的工作 状态自动确定充电的工艺参数， 使充电电流在整个充电过程中保持在蓄电池可承 受的充电电流曲线附近，是蓄电池保持在几乎无气体排出的状态下进行充电，从 而保护了蓄电池。智能充电适用于对各种类型的蓄电池充电，具有安全、省时、 可靠和节能的优点。 1.4 镉镍蓄电池充电器工作原理 镉镍电池的充电过程通常分为预充电、快速充电、补足充电和涓流充电 4 个 阶段。对长期不用的或新的镉镍电池充电时，如果一开始就采用快速充电的话会 大大影响到镉镍蓄电池的使用寿命。因此，这种镉镍电池应先采用小电流充电， 使其达到一定的充电条件后在进行快速充电，这个阶段称为预充电。 快速充电就是用大电流对镉镍蓄电池充电，让其迅速恢复电能。快速充电的 速率一般在 1C 以上，快速充电时间阶段的时间往往由镉镍蓄电池的容量和充电 速率来决定。快速充电分为恒流充电和脉冲充电两种充电方式：恒流充电就是采 用恒定电流对镉镍蓄电池进行充电；脉冲充电则是先脉冲电流对镉镍蓄电池充 电， 然后让镉镍蓄电池放电， 如此循环。 镉镍电池充放电的幅值很大， 宽度很窄， 一般放电脉冲的幅值为充电脉冲的 3 倍左右。 虽然放电脉冲的幅值与镉镍蓄电池 的电池容量有关，但是与充电电流幅值的比值保持不变。在充电过程中，镉镍蓄 电池中的氢氧化镍还原为氢氧化亚镍，氢氧化镉还原为镉。在快速充电过程中产 生的气泡聚集在极板两边，这样就会减小极板的有效面积，使极板的内阻增大。 由于极板的有效面积减小，充入全部电量所需的时间增加。 在镉镍蓄电池的充电过程中加入放电脉冲后， 气泡离开极板并与负极板上的 氧复合。这个去极化过程降低了镉镍蓄电池的内部压力、温度和内阻。同时，充 第一章 绪论 - 4 - 入镉镍电池的大部分电荷都转化为化学能，而不会转变为气体和热量。充放电脉 冲宽度的选择应能保持极板恢复原来的晶体结构，从而消除记忆效应。采用放电 去极化措施后，可以提高充电效率并且允许大电流快速充电。 快速充电终止后，镉镍蓄电池并未充足电。为了确保充入 100%的电量，还 应该加入补足充电过程。补足充电速率一般不超过 0.3C。在补足充电过程中， 温度会继续上升，当温度超过规定的极限时，充电器转入涓流充电状态。 为了避免过充电，一些充电器采用小电流充电。镍镉蓄电池正常充电时，可 以承受 C/10 或更低的充电速率，这样充电时间往往在 10 小时以上。采用小电流 充电，镉镍蓄电池内不会产生过多的气体，温度也不会过高。只要镉镍蓄电池接 到充电器上，低速率恒流充电器就能对镍镉蓄电池提供很小的涓流充电电流。镉 镍蓄电池采用小电流充电时，镉镍电池内产生的热量可以自然散去。涓流充电的 主要问题是充电速度太慢， 例如容量为 1Ah 的镉镍电池采用 C/10 的充电速率时， 充电时间要在 10h 以上。而且，镉镍蓄电池采用低充电速率反复充电时，还会产 生枝晶。大部分涓流充电器中都没有任何电压或温度反馈控制，因而不能保证镉 镍电池充足电后立即关断充电器。而本文设计的控制电路以单片机 ADuC812 为 微处理器，以 PWM 发成器 SG3525 芯片为核心，实现对主电路的电流、电压的 双闭环控制和系统的保护功能。 设计出的充电器可精确实现恒流充电和涓流充电 功能。控制系统采用 ADC812 微处理器，不仅可实现智能充电功能，而且具有 完善的保护功能，可以大大提高充电器的可靠性。 镉镍电池存放时，其电量将以 C/30C/50 的放电速率减小，为了补偿镍镉电 池因自放电而损失的电量，补足充电结束后充电器应自动转入涓流充电过程。涓 流充电也称为维护充电。 根据镉镍电池的自放电特性， 涓流充电电率一般都很低。 镉镍蓄电池处于维护充电状态下时， 充电器将以某一充电速率给镉镍电池补充电 荷，这样可使镉镍蓄电池总处于充满电状态。1 1.5 论文的主要工作和结果 本文采用现代电力电子技术的功率变换结构,使得蓄电池充电器朝着体积 小、噪声低、性能高的方向迈了关键的一步。另一方面，在传统的充电方法中， 是由人工控制整个充电过程， 没有采用动态跟踪电池的实际可承担的充电电流大 小的技术，一般大都存在过充现象，直接影响了蓄电池的使用寿命，本文采用智 能充电技术，使得实际的充电电流能动态跟随蓄电池可承担的充电电流。充电器 根据电池的状态来确定电工艺参数， 充电电流在整个充电工程中一直处于蓄电池 可承受充电电流曲线附近，使蓄电池在近乎无气体排出的状态下进行充电，既做 到节约能源又对蓄电池没有损害。 因为不同型号的蓄电池在充电终期呈现的规律 第一章 绪论 - 5 - 不同，那么利用电池电压随时间的变化率来确定终止的条件是较为科学的。论文 的主要工作包括以下几个方面： （1） 在全面了解蓄电池的工作原理尤其是镉镍蓄电池的工作特性和充电器 的指标要求后， 运用现代电力电子技术和计算机技术提出镉镍蓄电池充电器的方 案设计和需要解决的关键问题。 （2）设计了以 MOSFET 开关为基础的直流-交流-直流变换电路，提高了开 关频率，大大降低了变换电路中变压器的体积和重量，减小了开关噪声，提高了 系统的工作效率。 （3）建立恒流充电控制系统，以 ADuC812 芯片为微处理器，可成功实现恒流 充电和涓流充电的自动转换， 不仅实现了智能充电的功能而且具有较好的保护功 能，大大提高了充电器使用的可靠性。 （4） 根据镉镍蓄电池的设计要求， 采用电压电流双闭环控制。 在充电状态下， 电压控制回路由于饱和而不起作用， 实现了智能控制充电， 而当蓄电池充足电后， 蓄电池充电器进入电压控制状态，进行涓流充电。这两种充电状态可自动控制其 转换。 （5）利用有源滤波技术，解决充电系统中工作不稳定的问题，因为系统工作 在高频开关状态，因此对反馈过来的电压和电流信号会产生比较大的干扰，导致 闭环调节系统产生较大的调制，因此有源低通滤波器的设计科用来消除高频干 扰，提高了系统的稳定性。 （6）充电器不仅要具有软启动功能，而且还要具有良好的故障检测和保护功 能，所以还要设计系统的软启动电路和过热保护电路。 第二章 镉镍蓄电池充电器主电路的设计 - 6 - 第二章 镉镍蓄电池充电器主电路的设计 2.1 蓄电池充电器主电路的基本电路 为了减小充电器的体积和重量， 蓄电池充电器采用开关电源作为充电器的主 电路设计方案，模拟采用全空性开关器件作为蓄电池充电器主电路的开关管，常 用的开关管包括 GTR、MOSFET 和 GTR，其中 MOSFET 的开关频率最高，所 以选用 MOSFET 作为充电器主电路的开关管。 传统的开关型高频可逆整流电路有两种方案： （1）由两个全桥变换器构成，可以实现高频隔离，但是电路结构过于复杂； （2）采用三相或单相 SPWM 整流器，电路简单，但是不能实现高频隔离。 本文采用半桥变化器作为主电路的设计方案。 采用该电路的优点是开关管承 受的电压为电源电压，适合应用于电源电压较高的场合。23 半桥变换器的电路原理图如图 2-1 所示， 变压器的二次侧两个绕组的匝数相 等，电容 C1、C2与开关管 Tr1、Tr2组成桥，然后桥的对角线接到变压器 T 的缘边绕 组上，设 C1=C2，那么当任意开关导通时，绕组上的电压会只有电源电压 VS的一 半。在稳态条件下，当 Tr1导通时，C1上电源电压的一半加在原边线圈上，Tr1流 过的负载电流 I0折算到原边电流并加上磁化电流。 经过占空比所定的时间后， Tr1 关断。此时，由于原边绕组和漏电感的共同作用，电流会继续流入原边绕组的同 名端， 但 B 点会摆动到负电位。 并且， 当原边绕组的漏电感存储的能量足够大时， 二极管 D2将会导通，钳位电压将会进一步变为负。在 D2导通的过程中，把反激 能量再生并对 C2进行充电。320 图 2-1 半桥电路变换器电路图 第二章 镉镍蓄电池充电器主电路的设计 - 7 - 当 Tr2导通时，变压器的原边绕组中的同名端变负。负载 I0的折算电流加上 磁化电流，流经原边绕组和 Tr2，然后重复前面的过程。与之不同的是，IP方向是 相反的，Tr2关断时。接点 B 摆动到正，D1导通钳位电压。反激能量再生并对 C1 充电。 变压器的副边电路工作过程如下：当 Tr1导通时，副边绕组电压 VS1使得 D3 导通，当 Tr1关断后，两个绕组的电压都向零变化。然后副边回路电感 L 反激， 将存储的能量积蓄供向负载 RL。当副边绕组的电压降低到零时，二极管 D3、D4 都会起着续流作用。二极管 D3、D4分得的电流近似相等。当 D3、D4都导通时，复 变电压 VS1将钳位到零。电容器 C3起到隔离直流的作用，防止了变换器被直流磁 化。变换器的波形如图 2-2 所示。 图 2-2 半桥电路波形图 在稳态条件下，开关管导通期间，流过电感 L 的电流会增加，关断器件 L 的 电流减小，平均值的大小等于输出电流 I0，它的工作原理与 BUCK 电路是一样的。 当忽略损耗时，其输出电压 V0如下式： S SP ONS S N TN tV n DV V 2 2 1 0 (2-1) 式中 VS原边绕组的电压（V） ； NP原边绕组地匝数； NS副边绕组的电压（V） ； D开关管占空比； Ts开关管工作周期（S） ； 第二章 镉镍蓄电池充电器主电路的设计 - 8 - 所以，通过结合使用合适的控制线路来调整开关管的占空比，当电源电压 Vs和负载 I0变化时，可以使输出电压 V0保持不变。 2.2 蓄电池充电器的主电路设计 根据半桥变换器的工作原理， 设计出的充电器的主电路电路图如图2-3所示。 主电路由电流可逆双向限变化器和电源变换器两部分组成。 根据不同时期的充电 要求来控制 3 个开关管 Q1、Q2、Q3 的导通和关断，使变换器工作在放电和充 电两种工作方式。 图 2-3 充电器功率电路结构图 电源变换器中，当变换器工作在充电状态时时输入接触器 Ki闭合，交流电 经整流后再经过半桥逆变、 高频隔离和整流， 然后转换为直流电后供向后级电路。 在放电状态时 Ki 断开，此时电源变换器不工作。当输入的单相或三相交流电压 由不可控整流电路转换成直流电后，再流向半桥变换电路，将直流电压转换成高 频的交流脉冲电压信号后，再经过高频脉冲变压器降压以及双半波整流后，便可 以得到低压的直流电，这个电路的结构比较简单，选择的功率管为场效应管，工 作的频率比较高，这样使变压器的体积和重量都可以大大减小。在此处 MOSFET 开关管工作于固定的占空比的状态，因此电源变换器并不具有调压的功能。19 在电流可逆双向变换器中，充电时 Q1 和 Q3 断开，Q2 导通，变换器输送出 的直流电由直流-直流降压式变换器构成，变换器通过一定的控制规律来控制 Q1 的关断，来给电池充电（如图 2-4 所示） 。蓄电池放电时，Q1 闭合，Q3 导通，升 压变换器以恒流放电的方式将电池的能量消耗在放电电阻 R 上（如图 2-5 所示） 图 2-4 充电工作示意图 图 2-5 放电工作示意图 另外另设置了一个输出开关 K 用来控制输出，具有以下几项作用： （1）只用当 C1上的电压值高于一定的电压值时，开关 K 才能导通，当有电池 第二章 镉镍蓄电池充电器主电路的设计 - 9 - 接入时，经过 R1给 C1充电，这样可防止电池的瞬时短路和接线时的拉弧现象对 电路造成损害。 （2）对蓄电池起到保护作用。 （3）当充放电出现故障时，K 断开。12 2.3 蓄电池充电器主电路参数设计 蓄电池的技术要求是： 蓄电池为 24V 航空蓄电池， 输入额定电压 115V/400Hz， 输出电流为 250A，根据上述要求来设计电路各元器件参数。 充电器主电路的设计主要包括功率管的选择、 滤波电感电容的设计和脉冲变 压器的设计等。结合充电器的具体设计要求和主电路的结构，计算主电路各个元 器件的参数设计。 在计算元件参数时， 最重要的问题是两个变换器的参数要匹配， 所以应先根据充放电的技术要求来设计电流可逆变换器， 然后再设计电源变换器 的参数。 2.3.1 电流可逆变换器的参数设计 电流可逆双象限变换器参数的设计应该从充电和放电两种工作状态来进行 设计。10 当电流可逆双象限变换器工作在放电状态时，Q1 关断，而 Q3 工作于脉宽调 制状态，此时变换器工作在恒流状态，设最大的占空比 Dmax为 0.8，结合图 2-5， 放电工作时主要考虑的是放电电阻 R、功率管 Q3 和输入电感 L 的参数计算。放 电电阻 R 可由放电时的最小输入功率、升压变换器的最低输出电压来计算： min 2 min o o P u R (2-2) 蓄电池放电时的最低电压为 Udmin=20V，则 uomin可由下式得到： V D u u d o 100 8 . 01 20 1 max min min (2-3) WPo1200 min 那么放电电阻的大小为： 3 . 8 1200 1002 min 2 min o o P u R (2-4) 此时 Iomin=12A 设计为取 8 只 72/200W 的电阻并联连接。 功率管 Q3 由放电时最高输出电压和最大输入功率确定，其中放电工作时 第二章 镉镍蓄电池充电器主电路的设计 - 10 - 的最高输出电压为 RPu oomaxmax (2-5) 其中，Pomax=1600W，则 VRPu oo 12091600 maxmax (2-6) 此时，可计算出： Udmax=35V Dmin=0.7 Iomax=13.4A 因此，Q3 选取为 50A/250V 的 MOSFET，Q1 的选取同 Q3 相同。 电感大小的选取应按照当放电电流最小时，电感电流应该连续的原则。因此 电感值的大小为： min max 2 )1 ( o o I DTDU L (2-7) 取开关管 Q3 的开关频率 f=40KHz，周期 T=2.510-6us，当占空比 D=0.7 时，L 取最大，大小为： H I DTDU L o o 26 122 )7 . 01 (105 . 2120 2 )1 ( 7 min max 2 (2-8) 而当蓄电池工作在充电状态时，Q1 和 Q3 都处于关断状态，而 Q2 工作在脉 宽调制开关状态，变换器的输入电压按近似放电最高输出电压来选取，这样便可 以充分利用各元器件，是系统参的数达到最优。 充电器的最高输出电压为 35V，取最大占空比 Dmax=0.85，那么由降压变换 器的输入输出关系 Uo=DUs可得： Us=U0/D=35/0.85=41.2V (2-9) 考虑到电路的压降，在此取 Us=45V，由于最低的充电电压为 20V，根据电路技 术要求，Iomin=2A,则： H I DTDU L o s 75. 6 22 )6 . 01 (6 . 0105 . 245 2 )1 ( 6 min 2 (2-10) 结合充放电两种工作状态，L2取较大值，即 L2=25uH，根据最大电流 Iomin=50A，Q2 选取 100A/250V 的 MOSFET。 输出电容的选取，有公式可求出： 0 2 2 8 )1 ( UfL DDU C s (2-11) 取U0=0.5V 得到 第二章 镉镍蓄电池充电器主电路的设计 - 11 - 263 2 20 (1)45 0.6 (1 0.6) 67 88 2.5 10(40 10 )0.5 s U DD CF L fU (2-12) 本电路采用1000uF/50V的高频电解电容。 综合考虑充放电的工作情况，电路中的L2按26uH/50A来设计。 2.3.2 电源变换电路参数的设计 电源变换器主要考虑变压器、输入电容、功率管、滤波电感、整流二极管和 输出电容的设计。电源变换器的输出电压就是电流可逆变换器输入电压，电源变 换器开关管采用固定频率和固定的占空比的方式，为了减少功率损耗，变换器的 开关频率选为40KHz，占空比定为0.45左右。3 电路图如图2-6所示， 输入电压Vin是115V/400Hz三相电压经过由二极管构 成的三相整流电路变换而得到的，所以 VVin270115335. 1 (2-13) 由电源变换器输入电压和输出电压的关系 n DV V S 2 2 1 0 (2-14) 可得变压器变比n为： 7 . 2 45 45. 0270 s in V DV n (2-15) 选取n=2.5，则开关管工作的占空比大约为D=0.42。 图 2-6 电压源变换器原理电路图 变压器的设计：根据输入电压、输出电压和副边电流的峰值可以计算出变压 器两侧的电压电流值， 从而可以进一步确定变压器的参数， 通过计算采用C-N-84 超微晶铁芯，变比为13:4，原副边导线均采用1.25mm5mm的扁铜线。 第二章 镉镍蓄电池充电器主电路的设计 - 12 - 功率管设计：根据功率管的峰值电流和最大反电压，选用 47A/600V 的场效 应晶体管47N60S5。 滤波电感 L1： H I DTDU L o o 26 122 )7 . 01 (7 . 01025120 2 )1 ( 6 min max 2 (2-16) 输出滤波电容C4的设计：输出滤波电容的取值一般按照输出电压纹波的要 求来计算其大小，输出电压纹波的关系式如下： nLC DDTU U Sin S 8 )1 ( 2 (2-17) 那么滤波电容的大小为： LNU DDTU C S Sin 8 )1 ( 2 (2-18) 取U0=1%Us=0.45V，则 F LNU DDTU C S Sin 1 5 . 2105545. 08 )42. 01 (42. 0)105 . 2(270 8 )1 ( 6 262 4 (2-19) 然而在实际应用时由于铝电解电容的频率特性比较差， 所以实际工作电路的 电容值要远远大于计算值，本电路采用 470uF/50V 的高频电解电容。 整流二极管的选取：由于整流二极管的电流有效值和反压，二级整流部分采 用260A/100V的DSET60-06A的快恢复二极管模块。 2.3.3 变压器的设计 2.3.3.1 变压器的设计原则 电子变压器和半导体开关器件、 电容器并称为电力电子变换装置中的三大元 器件。根据在电力电子变换装置中的不同作用，电子变压器分为很多种类，其中 常用的有以下几种：21 （1）电压和功率变换作用的电源变压器、功率变压器等。 （2）对原边和副边起到隔离绝缘作用的隔离变压器。 （3）起到直流和交流滤波作用的滤波电感器。 （4）起到储能作用的储能电感器。 电子变压器的使用条件，包括以下两方面：电磁兼容性和可靠性。可靠性是 指在通常的使用条件下，电子变压器能正常工作到它的使用寿命为止。一般来说 对电子变压器工作影响最大的是电子变压器的环境温度。 电磁兼容性是指电子变 压器既不会产生对外界的电磁干扰，又能抵御外界的电磁干扰。电子变压器之所 第二章 镉镍蓄电池充电器主电路的设计 - 13 - 以产生电磁干扰，主要原因是由于磁芯的磁滞伸缩。磁滞伸缩系数越大的软磁材 料，产生的电磁干扰也就会越大。 电感实现的功能有两个：功率传递和纹波抑制。功率传送有两种方式。第一 种是变压器传送方式，具体为外加在变压器原绕组上的交变电压，在铁芯中产生 磁通的变化，使副绕组产生感应电压，然后传送到负载上，从而使功率从原边传 输到副边。 功率传送的第二种为电感器传送的方式，具体为向电感器输送电能，使铁芯 励磁，使电能变成磁能储存起来，然后再通过去磁后变成电能输送到负载。电感 磁芯的储能决定了传送功率的大小，也就是由电感器的电感量决定。电感器的电 感量并不与饱和磁通密度有直接的关系，而是与磁导率有关，磁导率越高，电感 量越大，储能也就越多，传送功率越大。 电压变换是通过变压器的原绕组和副绕组匝数的数量比来完成的， 不管传送 的功率大小如何，原边和副边的电压比总等于其匝数的数量比。 提高效率是对电子变压器的普遍要求。 电子变压器的损耗包括主要铁损和铜 损，只要变压器工作，铁损就会一直存在，因此铁损也是电子变压器损耗的主要 部分。根据铁损选择磁芯材料，是电子变压器的主要内容。 2.3.3.2 变压器设计 电路形式为全桥式变换器，工作频率f为400Hz，变换器的输入电压 Um为 交流260V，变换器的输出电压 Uo为交流45V；变换器的输出电流 Io为20A，整 流电路采用半桥整流电路，占空比采用固定值 0.42，耐压为直流12kV，温升为 500C。 （1）变压器铁芯的选择 开关变压器铁芯的选择主要包括磁芯的材料和结构两个方面，在整个磁滞回 线区间里半桥式开关变压器的磁芯都处在工作状态， 这样就要求磁芯的材料要具 有较高的饱和磁感应强度 Bs，能最大限度提高变压器磁芯工作时的磁感应强度 Bm，从而减小了变压器的体积，变压器铁芯的有效截面积 SC和磁感应强度 B 的 关系如下： NSFBKE C (2-20) 其中：E电压 K与电压有关的波形系数 B磁感应强度 SC磁芯的有效截面积 N线圈匝数 第二章 镉镍蓄电池充电器主电路的设计 - 14 - 较低的高频比损耗 Pb对于提高变压器的绝缘可靠性、提高效益以及减小体 积是很重要的。当确定变压器的工作频率后，磁芯的损耗与材料、工作磁感应强 度的关系如下： nm b fBCP (2-21) 其中： C损耗系数 B工作的磁感应强度 f工作的频率 m、n与材料有关的系数 选择价格低廉、饱和磁感应强度较高、温度稳定较好以及高频比损耗相对较 低的超微晶合金，可有利于实现器件需要的性能指标，而且还可以在提高磁芯的 工作磁感应强度B的基础上减小了变压器的体积、重量，提高了变压器的可靠性。 开关电源变压器磁芯的种类有很多种。 变压器结构的选择主要由变压器的工 作体制、工作频率、磁芯材料、输出功率、绝缘耐压等因素来决定。使用超微晶 合金作为变压器的材料， 磁芯可以设计成矩形或环形结构。 在相同的使用条件下， 环型磁芯的损耗比较低，磁场分布较为均匀。如果采用合适的线圈绕制方法，那 么分布参数就会很容易控制。但是环型磁芯的绝缘系统设计比较复杂，那样反而 降低了变压器工作的可靠性。矩形磁芯输出功率大，线圈穿绕方便，散热性好， 系统绝缘可靠。 在本设计中， 选择矩形磁芯就可以很好地满足变压器的设计需求。 （2）变压器的计算功率 开关电源变压器的计算功率是开关电源变压器在工作时对磁芯所需要的功 率容量，其大小由整流电路的形式和变压器的输出功率来决定。当桥式变换器的 输出电路工作在双半波整流状态时，其计算功率的公式为: )/11 ( ot PP (2-22) 其中： Po变压器的负载功率 变压器的输出效率 工作磁感应强度在开关电源变压器设计中是一个很重要的部分， 其值与磁芯 的结构形式、材料性能以及工作频率和输出功率等因素有关。如果工作磁感应强 度较低，那么变压器体积重量就会增加。绕线圈数也就会增加，分布参数性能也 会随之恶化； 如果工作磁感应强度高， 那么变压器温升就会提高， 磁芯容易饱和， 工作状态会随之不稳定。根据超微晶合金的工作特性，在工作频率为400Hz的条 件下，半桥式开关电源变压器的最大工作磁感Bm一般选定在0.50.6T，在本设 第二章 镉镍蓄电池充电器主电路的设计 - 15 - 计中， 由于开关管占空比是一个固定值， 综合考虑变压器的使用场合、 输出功率、 耐压绝缘等因素的影响，将磁芯的工作磁感应强Bm选定在0.4T。 （3）设计变压器的输出能力 确定磁芯材料后，磁芯面积的乘积反映出变压器输出功率的能力。其磁芯面 积乘积为： mcp AAA (2-23) 其中： Ap磁芯截面积的乘积，单位为cm 4； AC磁芯的截面积，单位为cm 2; Am磁芯窗口的截面积，单位为cm 2。 16. 1 4 4 10 jwm t p KKfB P A (2-24) 其中：Ap磁芯截面积的乘积，单位为cm 4； Pt变压器的计算功率，单位为W; Bm工作时的磁感应强度，单位为T； f工作频率，单位为Hz； Kw窗口的占空系数； Kj电流的密度系数。 因此，在确定磁芯工作状态后，磁芯结构参数的选择应当近似接近Ap值。磁 芯的截面积与磁芯窗口的截面积成反比关系。提高磁芯的截面积，可以减小变压 器的体积，降低铜耗，但是制造难度较大，绝缘处理较为复杂。提高窗口的截面 积，可以降低其制造难度，改善变压器的散热性能，但线包匝数会增加，导致分 布参数性能恶化，随着工作频率的增大，其影响程度也会越来越大，同时变压器 的体积也会增大。 （4）主要参数的确定 变压器的输出功率 WIUP230020115 000 (2-25) 变压器的计算功率 WPPt5175) 8 . 0 1 1 (2300) 1 1 ( 0 (2-26) 效率为80%。 线圈的计算：占空比取D=42.2%。Ton=D/f=10.55us。忽略开关管的压降， Up1=Uin=115V,则： 第二章 镉镍蓄电池充电器主电路的设计 - 16 - 9 .1210 65. 05 . 12 . 14 . 02 55.10115 10 2 1 221 cm onp AB TU W (2-27) 取整数W1=13匝。 2 . 5 5 . 2 13 1 2 K W W (2-28) 忽略开关管的压降，次级绕组取整数W2=6匝。 （5）导线线径的计算 )/(41. 31057. 946810 2214. 0214. 0 mmAAKJ pj (2-29) （a）初级绕组 AI n I oj 2050 5 . 2 11 (2-30) 2 1 87. 5 41. 3 20 mm J I S j m (2-31) 导线的线径应当小于两倍的穿透深度，选线径D=0.8mm，截面积为0.5024mm 2 的圆铜线12根，分为两组每组6根并绕，并接后可以满足设计要求。 （b）次级绕组 2 0 1 66.14 41. 3 50 mm J I Sm (2-32) 次级绕组选取线径D=0.8mm，截面积为0.5024mm2的圆铜线30根，分六组， 每组五根并绕，并接后便可以满足要求。 2.3.4 输出滤波电感的设计 电感设计的基本要求是:设计所要求的电感L值需满足当达到最大电感电流 ILmax时，铁芯不饱和。 电感L取值定为26uH， 选取EE55B铁芯， 电感电流中存在比较大的直流分量， 铁芯中也存在较大直流偏磁量，为了避免铁芯的饱和。铁芯必须增加气隙。 气隙可由下式给出： 82 00 102 BkS TP C OF (2-33) 为了使电感工作时不达到饱和，应适当选取B，这里取B=1500GS。 由此可得电感的气隙为： 第二章 镉镍蓄电池充电器主电路的设计 - 17 - 3536. 0 101500102 .361 5 1 2 1025. 123004 . 0 102822 5 82 00 BkS TP C OF (2-34) 电感的匝数为： 2 .14 102 .36114. 34 . 0 3536. 01026 1010 2 6 4 0 4 c S L N (2-35) 在本设计中取整数为14匝。 2.4 主电路充电时的电压仿真波形 主电路在充电过程中的电路如图 2-7 所示，运用 PSPICE 将其仿真，可得到 如图 2-8 所示的输出电压波形。 图 2-6 主电路充电状态工作示意图 第二章 镉镍蓄电池充电器主电路的设计 - 18 - 图 2-8 电源变换器输出电压波形 由上图可知，在控制电路设计适当的情况下，充电器主电路可输出一个稳定 的充电电压。 第三章 蓄电池充电器控制电路的设计 - 19 - 第三章 蓄电池充电器控制电路的设计 充电器的控制电路主要由单片机ADC812、电压电流双闭环调节系统、PWM 发生器和隔离驱动等几部分构成，先介绍每个部分的工作原理。 3.1 脉宽调制（PWM）控制 3.1.1 PWM 反馈控制模式 PWM控制的基本工作原理为在变换器的输入电压、外接负载以及内部参数变 化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值来进行闭环反馈，从而 调节主电路开关器件的导通脉冲的宽度， 使得变换器的输出电压或电流等被控制 信号达到稳定状态。PWM的开关频率一般设定为恒定值，控制取样信号有输出电 压、输入电压、输出电流等。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统， 从而实现稳压、稳流及恒定功率的要求。同时还可以实现一些附带的过流保护、 均流等功能。PWM反馈控制模式主要有电压模式控制PWM、峰值电流模式控制PWM、 平均电流模式控制PWM,滞环电流模式控制PWM和相加模式控制PWM等五种形式。 18 图3-1为Buck降压斩波器电压模式控制PWM的原理图。 电压模式控制采用脉冲 宽度调节的方法， 即将电压误差放大器采样放大后的直流信号和恒定频率的三角 波上斜坡相对比，通过脉冲宽度调制的原理，得到每个时期的脉冲宽度，如图 2-12(B)中波形所示。当负载阻抗突然变小或是输入电压突然变小时，因为主电 路有比较大的输出电容C以及电感L产生的延时作用， 输出电压也会突然变小但是 会延时滞后， 输出电压变小的信号还需要经过电压误差放大器补偿电路的延时滞 后以后，才能传到PWM比较器将脉冲展宽。暂态响应慢的主要原因就是因为这两 个延时滞后作用。 (A) 第三章 蓄电池充电器控制电路的设计 - 20 - (B) 图 3-1 电压模式控制 PWM 原理图 电压模式控制具有以下几个方面的优点： (1)PWM三角波幅值比较大，脉冲宽度调节时具有比较好的抗噪声裕量； (2)占空比调节不受限制； (3)对于多路的输出电源，交互调节效应比较好； (4)对输出负载的变化有较好的调节响应。 电压模式控制的缺点有以下几个方面： (1)对输入电压的变化动态响应比较慢； (2)由于补偿网络设计本身就比较复杂，闭环增益随输入电压的变化而变化， 使其更为复杂； (3)输出的LC滤波器给控制环增加双极点，在设计补偿误差放大器时，需要将 主极点的低频进行衰减，或增加一个零点来进行补偿。 提高电压模式控制的瞬态响应速