（光学工程专业论文）便携式客车蓄电池智能充电机的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 摘要 随着我国人民生活水平的不断提高，对铁路客车乘坐舒适性要求也越来越 高，因此旅客列车上的车载电气设备逐渐增多，这就要求有相应的电源供应。 蓄电池作为一种高效的电能储存装置在铁道车辆上被大量使用。一方面作为备 用电源，提高车辆电气设备的使用效率；另一方面增强车辆的服务性能。但蓄 电池是二次能源，客车自带的一套充电系统只可在列车运行时可以充电，当列 车在非运行状态( 如在库内) 出现电池亏损比较严重的时候，就需要另外一套 充电装置对其进行充电。传统的相控低频晶闸管整流充电机一度在各个铁路局 得到广泛应用。但由于其器件工作频率低，需要体积较大的变压器，整机体积、 重量大，不便于移动，同时无相应的控制电路，不能进行蓄电池的恒压、恒流 智能控制，易造成蓄电池过充，影响使用寿命。 铁路旅客列车对电气方面的要求越来越高，特别是每年春运需要增开大量 临时旅客列车，由于这些临时旅客列车8 0 以上都是晚上入库，凌晨始发，在 库内车辆、客运作业都需要大量的能源，而其所配备的j 5 发电机系统在列车停 留时无法工作，所有车上用电器的检查维修以及照明都必须由蓄电池提供能源。 为了保证列车出库时蓄电池电压达到列车运用的标准，因此，有必要设计一种 轻便、高效、性能可靠的充电系统，以满足旅客列车蓄电池补充电量的要求。 随着电力电子技术和现代控制技术的发展，整流和逆变技术有了巨大进步。 为满足车辆蓄电池充电的要求，在分析了目前各车辆段充电机使用情况的基础 上，针对专、特运及部分客车蓄电池负载电压达不到出库标准这一情况，需要在整备 场对客车蓄电池进行补充电的运用要求，本文设计并实现了一种便携式客车蓄电池 智能充电机。该充电机主电路采用了d c d c 全桥逆变电路，以i g b t 为主控器件，运 用移相脉宽调制( p w m ) 控制方式，实现i g b t 的软开关过程，配以8 9 c 5 1 单片机为 智能监控单元，对充电机的运行状态进行监控和保护，实现按设定的电流恒流充电， 当蓄电池电压达到设定电压值时，自动切换至恒压充电，直至电流降到零为止。另外， 该充电机还具有超时、过流、超温保护功能。通过运用表明，该电源输出电压高，工 作稳定可靠，结构简单，体积小，实用性强。该装置在实际运用中取得了较好的使用 效果。 关键词：充电机；车辆；便携式；移相控制；d c d c 变换 西南交通大学硕士研究生学位论文第v 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl o c o m o t i v e sa n dr o l l i n gs t o c k ，f o rr a i l w a yp a s s e n g e rc o m f o r t r e q u i r e m e n t so ft h ep a s s e n g e rt r a i n ，f u r t h e rr a i s et h eo n b o a r de l e c t r i c a le q u i p m e n ti n c r e a s e s g r a d u a l l y , t h i sr e q u i r e sh a v ec o r r e s p o n d i n gp o w e rs u p p l y a sak i n do fh i g he f f i c i e n tb a t t e r y e n e r g ys t o r a g ed e v i c ei nr a i l w a yv e h i c l ei sw i d e l yu s e do n o nt h eo n eh a n da sas t a n d b y p o w e r , a n di m p r o v ev e h i c l ee l e c t r i c a le q u i p m e n tu s ee f f i c i e n c y ；o nt h eo t h e rh a n d ，e n h a n c e s e r v i c ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e b u tt h eb a t t e r yi ss e c o n d a r ye n e r g y , b u s e st oo w nas e to f c h a r g i n gs y s t e mi no p e r a t i o no f t h et r a i nc a nc h a r g ew h e nt h et r a i ni nt h er u n n i n gs t a t ew h e n ( a si nt h er o l l s ) a p p e a rb a t t e r yw i t ht h es e r i o u sl o s s e s ，s t i l ln e e di na n o t h e rs e to fc h a r g i n g s y s t e mo nt h ec h a r g e t h et r a d i t i o n a lp h a s e dl o wf r e q u e n c yt h y r i s t o rr e c t i f i e rc h a r g ef u n c t i o nt om e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft oc h a r g et h eb a t t e r y , o n c ei ne a c hr a i l w a ya d m i n i s t r a t i o nw i d e l yu s e d b u t p h a s e dl o wf r e q u e n c yt h y r i s t o rr e c t i f i e rw a y b e c a u s ed e v i c e sw o r kf r e q u e n c yl o w , n e e dl a r g e t r a n s f o r m e r , c a u s ee q u i p m e n tv o l u m e ，w e i g h tb i g ，n o tc o n v e n i e n tt om o v e o nt h eo t h e r h a n dp h a s e dl o wf r e q u e n c yt h y r i s t o rr e c t i f i e rc h a r g e rn o tc o r r e s p o n d i n gc o n t r o lc i r c u i t ， u n a b l et od ot h eb a t t e r yc o n s t a n tp r e s s u r e ，c o n s t a n tc u r r e n ti n t e l l i g e n tc o n t r o l ，e a s yt oc a u s e t h eb a t t e r yo v e r c h a r g e ，a f f e c tb a t t e r yl i f e r a i l w a yp a s s e n g e r t r a i nt oe l e c t r i c a ld e m a n di sh i g h e ra n dh i g h e r , e s p e c i a l l ye v e r yy e a r s p r i n gf e s t i v a lt r a n s p o r t a t i o nn e e dt oo p e nt h ep a s s e n g e r t r a i nl a r g en u m b e r so ft e m p o r a r y , a st h e s et e m p o r a r yp a s s e n g e rt r a i n8 0 a b o v ei sn i g h ta tt r e a s u r y , o r i g i n a t i n gi nv e h i c l e s ， m a c h i n e r y , p a s s e n g e rt r a n s p o r tw o r kr e q u i r e sal o to fe n e r g y , a n dt h ej 5g e n e r a t o rs y s t e m e q u i p p e dw i t ht h et r a i nc o u l ds t a yi nw o r ka n da l lt h ea p p l i a n c e so fe x a m i n a t i o na n dr e p a i r a n dl i g h t i n gm u s tb em a d eb yb a t t e r ye n e r g ys u p p l y i no r d e rt og u a r a n t e et h eo u t b o u n dt r a i n w h e nu s i n gs t a n d a r dv o l t a g et ot h et r a i n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt od e s i g nal i g h t w e i g h t ， e f f i c i e n t ，r e l i a b l ep e r f o r m a n c eo fc h a r g i n gs y s t e m ，t os a t i s f yt h ep a s s e n g e rt r a i nb a t t e r y p o w e rr e q u i r e m e n t s s u p p l e m e n t a st h ee l e c t r i c p o w e r e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y a n dm o d e mc o n t r o lt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t ，t h er e c t i f i e r a n di n v e r t e rt e c h n o l o g yh a v eg r e a tp r o g r e s s t om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fv e h i c l eb a t t e r y , i nt h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n te a c hc a rd e p o tc h a r g e ru s e ， b a s e do ns p e c i a l ，s p e c i a ll u c ka n dp a r to ft h eb u sl o a dv o l t a g eb a t t e r yc a nn o tr e a c ht h e s t a n d a r d ，n e e dt ob ei nad e l i v e r yt oab u sf o rs u p p l e m e n tt h er e q u i r e m e n t so ft h eb a t t e r y 西南交通大学硕士研究生学位论文第v i 页 p o w e r , t h i sp a p e rd e s i g n sa n dr e a l i z e sap o r t a b l eb u sb a t t e r yi n t e l l i g e n tc h a r g i n gm a c h i n e t h ec h a r g i n gm a c h i n el o r dc i r c u i tu s e dd c a cb r i d g ei n v e r t e rc i r c u i t st oc o n t r o ld e v i c e s ， u s ef o ri g b tp h a s es h i f t i n gp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) c o n t r o lm o d ea n dr e a l i z a t i o no f i g b ts o f ts w i t c hp r o c e s s ，m a t c hw i t ht h e8 9c 51m i c r o c o n t r o l l e ra si n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g u n i t ，t oc h a r g em a c h i n eo p e r a t i o ns t a t em o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i o n ，a n da c h i e v et h ec u r r e n t s e ta c c o r d i n gt oc o n s t a n tc u r r e n tc h a r g i n g ，w h e nb a t t e r yv o l t a g er e a c has e tv o l t a g e ，s w i t c h t oc o n s t a n tp r e s s u r e ，u n t i lt h ec u r r e n tc h a r g i n gs of a rd o w nt oz e r o i na d d i t i o n ，t h ec h a r g i n g m a c h i n ea l s oh a so v e r t i m e ，f l o wa n do v e r t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o nf u n c t i o n t h r o u g ht h e a p p l i c a t i o ns h o w st h a t ，t h ep o w e rs u p p l yv o l t a g eh i g ho u t p u t ，s t a b l ea n dr e l i a b l e ，s i m p l e s t r u c t u r e ，s m a l lv o l u m e ，l o wi nc o s t ，t h ef u n c t i o ni ss t r o n g i na c t u a lu s eh a sg a i n e dg o o du s e e 能c t k e y w o r d ：c h a r g e rf o rl o c o m o t i v e sb a t t e r y ；p h a s e - s h i f t i n g ；d c d cc o n v e r t e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 便携式客车蓄电池智能充电机研制的目的和意义 随着铁路客运的不断发展，旅客列车的电气设施逐渐增多，这些电气设备对旅客 列车的安全和服务起着越来越重要的作用，车载蓄电池用于为车载电器设备( 如照明、 轴温监测系统) 提供能量或辅助能量，对这些保障设备正常运行方面有着举足轻重的 作用。目前在运营车辆中，所使用的蓄电池类型包括有2 2 型、2 3 型、2 5 b 型旅客列车 ( 统称4 8 v 供电客车) 的蓄电池，2 5 g 和2 5 k 空调列车的应急电源蓄电池，还有采用 机车d c 6 0 0 v 供电的2 5 t 快速空调列车等车的蓄电池。这些蓄电池除在车辆送厂段修 时，需要从车上解下检修充电外，平时都是利用列车自带的充电系统在列车运行过程 中进行充电的。若运用过程中遇电池亏损时都是在列车编组上临时充电。 对于4 8 v 供电客车而言，其车上所有电器都是由车载蓄电池进行供电。4 8 v 供电 客车入库检修时，由于其所配备的j 5 发电机无法工作，所有车上用电器的检查维修都 必须由蓄电池提供能源。旅客列车在运用时有以下情况需对蓄电池充电： ( 1 ) 随着客运服务质量的提高，4 8 v 供电客车上的电气设备都加大了运用时间， 如原来规定4 8 v 供电客车上的风扇只能在列车停止时使用，现在要求列车终到后才能 停用。这就有可能造成了客车蓄电池过放电，负载电压达不到客车再次出库要求( 运 装客车【1 9 9 2 18 5 号客车车电装置检修规程规定本车全负载时，电压不低于4 4 v ) ； ( 2 ) 春运和暑运大量开行的临时旅客列车大部分都是由4 8 v 供电客车担当，由于 这些客车在平时大都处于备用状态，停留时间较长，由于这些客车在停放时间较长， 蓄电池自放电等原因也能造成负载电压达不到客车再次出库要求； ( 3 ) 专运车和公务车由于停留的时间地点不固定，由于车上的照明由蓄电池提供， 车停留时间长后，可造成蓄电池过放电，就要求有一轻便高效的充电设施进行充电。 ( 4 ) 由于线路塌方断道等自然灾害造成列车停留时间较长，负荷较大，造成电池 亏损。同样需要一种轻便、高效的充电设备进行充电。 由于经常出现上述4 种情况，车辆部门需要一种能够解决车辆在蓄电池过放电后 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 或蓄电池缓慢放电致使其负载电压达不到客车出库规定要求时，对停放的整备场的客 车蓄电池进行补充电的设备。 目前采用相控低频晶闸管整流充电设备，该设备体积庞大、笨重，不便于在车辆 段整备场股道间移动，而且充电方式落后，没有智能恒流、恒压控制，易造成蓄电池 的过充，从而损害蓄电池，同时设备故障率较高，存在一定的安全隐患。因此，在车 辆运用整修中迫切需要一种轻便、高效、实用、故障率低的充电设备。而本文研究的 便携式客车蓄电池智能充电机可有效的解决上述问题。 1 2 国内外充电技术及充电机发展现状 1 2 1 充电技术的发展 正确、良好的充电方式可以延长电池的使用寿命，充电问题一直以来都是蓄电池 使用中的关键。蓄电池充电方式有多种，不同的充电方式要求不同的充电机硬件电路， 也导致了充电机生产成本的不同。充电电流乘以充电时间可以计算尺蓄电池的容量， 考虑充电过程的各种损耗，根据电池在实际充电中得出的经验，需要充电时间再除以 1 2 的系数再得到蓄电池容量。通常情况下，蓄电池需要安全、快速、有效的充电。快 速充电需要使用的电流较大，可能导致铅酸蓄电池在充电过程中产生极化效应，从而 使蓄电池发热。在控制不当的情况下蓄电池会有很高的升温，严重时甚至会烧毁和爆 炸。所以，在设计快速充电设备时，应考虑到蓄电池充满后自动停充的功能，同时也 应考虑如何很好的避免极化效应，使充电过程安全、高效。我国早期的快速充电机多 数都采用简单的定时充电方式，这种方式充电效果较差，对蓄电池的针对性较强。后 来采用了充电集成控制，为解决极化效应，采取高频脉动电流的充电方式，这种方式 通过检测电池的不同特性参数来准确判断电池是否饱和，并且提供初充电的放电和温 度保护措施等功能。此类充电机结构复杂，成本较高。 通过对国内、国外蓄电池充电过程的分析研究可知，蓄电池充电过程主要采用以 下三个方面的方法进行控制： ( 1 ) 主充、涓充、浮充三个阶段的自动转换。这三阶段的自动转换方法有时间控 制、容量监控和单格电压控制。由于没有蓄电池充电过程的实时信息，只是简单地采 用定时器控制，控制方式比较粗略，因此时间控制属于比较简单、落后的控制方式， 容量监控及单格电压控制属于较先进的控制方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 2 ) 充电程度判断。主要通过测量蓄电池的端电压或检测蓄电池的实际容量与其 额定值相比较来判断。 ( 3 ) 停充控制。是指电池充满后，为防止蓄电池过充出现的温升、失水和大量析 气等现象，必须适时切断充电电源。停充控制的方法包括蓄电池实时控制、温度控制、 极化电压控制以及电池端电压负增量控制等。 1 2 2 充电机的核心开关电源的发展及现状 随着电子技术的发展，开关电源目前在各种电子信息设备中，如计算机、充电电 源等得到了广泛的应用。蓄电池充电机作为开关电源的一种应用，伴随着开关电源技 术的发展而发展。 自可控硅( s c r ) 问世以来u j ，笨重且效率底下的氧化亚铜或硒整流器件随之被取 代，可控硅整流器就作为一次电源使用。在上世纪6 0 、7 0 年代，随着半导体工艺的发 展，可控硅的电压、电流额定值及其它特点参数得到了不断改进和提高。这也使得可 控硅整流器在发达国家作为一次电源使用直到7 0 年代弘j 。 随着技术发展，可控硅整流器的不足也逐渐凸显。由于它是相控电源，工作于工 频，电源变压器、滤波电容、电感线圈庞大而笨重，噪声大、效率低，稳压精度低， 功率因数低。1 9 4 7 年肖克莱发明了晶体管p j ，并在随后的几年内对晶体管的性能和质 量进行了不断完善和提高，使得对利用晶体管进行高频变换方案的研究大量涌现。1 9 5 5 年美国罗耶发明了自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，1 9 5 7 年美国查赛发明了 自激式推挽双变压器变换器电路由此使高频转换电路得以实现川。在此基础上，有科 学家大胆地提出了将工频变压器的串联开关电源进行取缔的设想，并在相关杂志上发 表了“脉宽调制应用于电源小型化”等文章一1 ，为当时电源体积和重量的过大的现状 提供了一条根本的解决途径。 由于二极管反向恢复时间的缩短以及大功率硅晶体管的耐压提高等元件性能的改 善，2 5 k h z 的开关电源在1 9 6 9 年问世。电源界把开关电源的频率提高到2 0 k h z 以上称 为电源技术的“2 0 k h z 革命”【，j 。开关电源技术的发展使其研究在世界上引起了强烈 的重视和反响。短时间内，从开关电源电路拓扑型式到与之相关配套的电气元器件等 各方面研究都取得了可观的进展p j 。为适应不同功率档次和不同使用现场要求的需要， 开发出了单端贮能式反激电路、单端正激式电路、双反激电路、双正激电路等多种电 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 路拓扑型式。整流二极管和功率晶体管的性能的大幅度提高也为开关电源的发展提供 了电器元件方面的保证。上世纪七十年代型号为s g l 5 2 4 的脉宽调制( p w m ，p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 控制芯片在美国通用公司问世，极大地提高了开关电源的可靠性，体积也 得到了进一步的减小 9 1 。 随后几年大功率晶体管( g t o ) 以及功率场效应管( m o s f e t ) 相应问世并迅速 的投入实际运用中，其电流、电压的额定值得到了大幅度地提高，工作频率也提高了 不少，可靠性也明显增强。到上世纪8 0 年代中后期，绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 的 研制成功，并投入了市场【1 0 , 1 1 】。一次开关电源的频率提高到约为几十k h z ，效率也相 应提高到约9 0 左右。 随着现代微电子方面技术的高速发展以及与之配套的元器件生产技术的提高，各 种电器元件的性能也得到了大幅度的提升，如：功率场效应管、绝缘栅双极性晶体管 ( i g b t ) 、集成脉宽调制控制器、大功率高频整流管、高性能铁氧体磁芯等电器元件“。 随着主要元器件技术性能的提高，为高效、稳定、大功率的高频开关电源的研制和发 展提供了良好的硬件基础。 随着开关电源技术的研究不断深入和广泛应用，人们对开关电源的要求也变得更 高，对开关电源的应用技术、硬件结构、软件控制、产品性能等各方面都提出了更高 的要求。这就促使新一代电源的技术含量必须大大提高，高可靠性、高效率、大功率、 小型、稳定、安全就成为了发展方向。为了克服p w m 方式硬开关较大的开关损耗以 及准谐振变换器电压、电流振幅度大机工作频率变化的缺点，在高频化方面开发了相 移脉宽调制零电压开关( 零电流) 谐振变换器，实现了恒频工作。通过这种工作原理 的实际运用，使开关管的损耗大大降低，不仅有效的提高了工作频率和效率，而且使 电源的体积得到了大幅度的小，更为重要的是拓宽了开关器件的安全工作区，并且降 低了变换电路对分布参数的敏感性，对器件的要求上也得到了相应的降低，开关电源 的可靠性也得到了明显的提高【1 3 14 1 。 1 2 3 充电机在铁路领域运用的现状 1 2 3 14 8 v 供电客车蓄电池充电的现状 我国铁路4 8 v 供电客车目前采用轴驱式充供电方式，即发电机的转动是由车轴运 转时，借助传动装置驱动的。行车时发电机发电，向车上负载供电的同时向蓄电池充 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 电，停车时，则由蓄电池向负载供电。由于感应子发电机为交流发电机，而蓄电池所 需的充电电流为直流，同时，车上的一些负载需要的也是直流供电，因而发电机输出 的三相交流电需经整流后方可向蓄电池充电和向其它负载供电，其结构原理图如1 1 所示。 图1 1 交直流供电装置方框图 由于发电机端电压与影响变化的物理量之间的函数关系为： u = f ( 以、i 负、，激) ( 1 - 1 ) 式中，n 为发电机的转速，正比于车轮转速。由于车速是一个变量，因此，发电机 输入转速n 也是一个变量，不可能实现恒速运转，若想稳定发电机的端电压，利用控 制发电机转速来实现是不可能的。，负表示负载电流，负的大小同样会影响发电机端电 压的稳定性，负增大，在同样转速和激磁电流的情况下，发电机的端电压就要下降， 反之，又会上升。且上述三个量相互牵制，相互影响。因此，依靠恒定负载来稳定发 电机的端电压也是不可能的。影响发电机端电压的另一个物理量，是改变发电机主磁 通的激磁电流，激。这是一个可控物理量，当车速较慢、负载较大时，增大发电机的激 磁电流；当车速较快、负载较小时，减小发电机的激磁电流。利用半导体元器件反应 速度快这一特点，将发电机变化的信号检测出来，进行比较，将比较后的信号送往触 发回路再由执行元件进行调节。这就是自动调压装置的基本原理。其主要由三大部分 构成：主整流回路、自动激磁调节回路和保护回路。主整流回路实现交一直流变换；自 动激磁调节回路实现发电机电压的自动调节；保护回路实现电路的自动保护川。上述 调节过程为闭环调节系统。其原理方框图如图1 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 扰动量 图1 2闭环调节系统原理方框图 在列车充供电系统中，主要的自动调压装置k p 2 a 型控制箱就是依据此原理进行 自动调压的控制装置，由主整流回路、激磁回路、测量回路、触发回路、限流充电回 路、起激回路和过压保护回路等回路组成。其原理结构方框图如图1 3 所示。 图1 3k p 一2 a 型控制箱原理结构方框图 由于列车并不是随时都在运行的，在列车停留时，列车蓄电池就会因列车整备或 自身自放电造成下电磁亏损。当列车电压低于4 4 v 伏时，列车就必须外接充电机对蓄 电池进行补充电，由于技术的原因，长期以来应用在铁路领域的外接充电机主要是磁 放大整流器和相控整流器。这些充电装置噪声大，稳压稳流效果差，精度低，体积庞 大不便于移动，并且无法控制浮充电流的大小，常常造成过充电或欠充，严重影响蓄 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 电池的寿命以及影响车辆的服务质量。 随着电力电子技术和控制技术的不断发展，今天高频开关电源型整流充电模块在 铁路系统得到广泛的应用，逐步取代落后的整流方式。开关电源型整流充电模块具有 体积小，噪声低、效率高、参数精度高的优势。其充电的高效率，节能等的特点推动 铁路行业电源的更新换代。在电源效率大幅提高的同时，电源管理也朝着整流充电和 逆变的智能化微机监控方向发展。微机监控装置按照设计编好的正常运行程序，进行 以下自动转换：恒流充电恒压充电浮充充电正常运行一自动补充充电程序，确保蓄电 池始终有9 5 以上的容量，保证在断电时间内的用电，提高延长照明时间。同时微机 监控装置按照预置的有源逆变放电程序，对蓄电池组进行有源逆变过程的监测。当检 测到某一只蓄电池电压低于设定中止电压时，有源放电立即终止，并发出信号。运行 维护人员可以从安时计表上读出蓄电池组所放出的安时容量。智能化控制提高了运行 维护的质量，延长电池使用寿命，回收了电能，防止对环境的污染。 总之，整流充电的高频化，智能化，整流逆变一体化将会是各种充电电源的发展 方向，将会在铁路电源应用领域得到广泛应用。 1 2 4 充电机在其他领域的运用现状 随着全球绿色能源计划的推进。各种电动车辆有了迅猛发展。这种发展势头有持 续高升的趋势。电动车辆在上世纪9 0 年代进入我国，起初是德国林德叉车公司在我国 福建省建厂生产销售电动叉车，电动叉车无论是在节能还是环保方面都比传统的内燃 机叉车更据竞争优势，但由于该电动叉车多使用的充电机和蓄电池均由德国进口，价 格昂贵，因此在国内销量一直不佳。到上世纪9 0 年代中期，随着节能环保意识的提高， 我国的各叉车生产企业如：国内合肥叉车厂、宝鸡叉车厂等厂家开始了对电动叉车的 研制和生产，并采用国内厂家生产的蓄电池初级充电机与之配套。对蓄电池的充电采 用了传统恒流充电、恒压充电、恒流限压充电、均衡充电、浮充电和脉冲快速充电等 充电方法。到了二十一世纪，随着国内外多家叉车公司加大了电动叉车在国内的开发， 电动叉车用充电机的研究得到迅猛的发展。国内第一代智能牵引用蓄电池充电机问世， 它由北京机电设备研究所和江苏鼎丰公司联合开发，该充电机结合一些专家建议，性 能较好，但由于其成本较高，在性价比方面不具备优势，因此在国内电动叉车市场上 的使用率不高。随后国内外多家叉车制造公司厂家也都在不断的进行新型充电设备的 研究开发工作。从研发的产品上看，国内一部分充电机要么涉及了很多复杂功能，不 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 具专门性，成本高，不利于电动车辆配套。要么过于追求快速充电，忽略了充电过程 的控制，忽略了蓄电池的使用寿命；国外的充电机在充电电路设计及控制技术等技术 方面具有较为明显的优势，但由于价格昂贵，国内电动叉车几乎很少采用进口产品进 行配套“。 另外，电动自行车、摩托车电池的充电器市场也具有相当广阔的前景，目前电动 自行车、摩托车电池使用的主要是1 2 v 1 2a h 、1 2 v 2 0 a h 的阀控密封铅蓄电池，而目 前采用的蓄电池充电器多为三段式，通过对初始充电电流、二段恒压值和第三阶段的 浮充电压的相关研究，使其基本满足了电动自行车、摩托车蓄电池充电要求。通过对 1 2 v 1 2 a h 蓄电池循环充放电次数与放电时间的关系的试验( 如表1 1 ) ，我们可以明显 的看出在保证蓄电池组状态正常的情况下充放电可达2 5 0 多个循环，最理想预计能够 达到4 5 0 个循环左右【1 8 j 。 表1 1 1 2 v 1 2 a h 蓄电池放电次数与放电时间记录表 充放电方法的研究和充电过程控制是充电机研究的重点。蓄电池充、放电过程是 一个相对复杂的过程。主要表现在以下三方面。 ( 1 ) 多变性。蓄电池的充、放电过程要受到蓄电池极板活性物质的氧化程度及活 度、蓄电池电解液的浓度多少及充、放电环境温度变化等等的诸多因素的影响； ( 2 ) 非线性。蓄电池的充电过程若单采用恒流充电方式充电，与充电电流呈指数 规律下降，不可能用或恒压充电获得； 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 3 ) 离散性。即使同一厂家生产的同一型号、容量相同的蓄电池，也会因生产状 况及各自使用时放电条件的不同，也会造成能够接受的充电电流较大的不同【19 1 。 1 3 主要研究内容 针对实际问题，设计便携式客车蓄电池智能充电机，其主电路采用d c d c 全桥逆 变电路，以i g b t 为主控器件，采用移相脉宽调制( p w m ) 控制方式，实现i g b t 的 软开关过程，配以8 9 c 5 1 单片机为智能监控单元，对充电机的运行状态进行监控和保 护，实现按设定的电流恒流充电，当蓄电池电压达到设定电压值时，自动切换至恒压 充电，直至电流降到零为止。另外该充电机还具有超时、过流、超温保护功能。 论文的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 总体介绍了研究设计的背景及实际意义，指出了目前车辆蓄电池存在的问题 和实际的要求。 ( 2 ) 完成了便携式客车蓄电池智能充电机主电路的方案设计，分析了a c d c ， d c a c 变换的原理，控制策略的框架图等内容。 ( 3 ) 具体根据软开关技术的原理、i g b t 变频原理、采用8 9 c 5 1 单片机为智能监 控单元，完成了硬件设计。等。既能实现按设定的要求进行充电，又能够实现充电过 程的智能化，还具有较强的保护能力，进行了软件开发。 ( 4 ) 对便携式客车蓄电池智能充电机在实际生产运用中发挥的作用进行一个简单 的介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第二章充电机的基本原理 作为充电机的关键部分，直流电源的性能、效率、精度、可靠性直接与充电机性 能的高低有着密切的关系。本章先对直流电源技术进行相应的介绍。 2 1 直流电源的概述 直流电源包括相控电源、线性电源、开关电源。由于开关电源具有功率转换效率 高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，从而成为电源的主体，并向着高频、 小型化、高效、高可靠性的方向发展。 相控电源也就是相位控制型稳压电源的简称，其主要的工作原理是将城市电网中 提供的交流电直接通过整流滤波电路将交流电整流成直流电，其输出电压的控制是通 过改变可控硅晶闸管的导通相位角来控制的，要使电源整流器的输出电压在最大程度 上稳定不变，就必须采用合适的电源控制电路使可控硅晶闸管的导通相位角根据输入 的电压变化或负载的电流变化自动调整。相控电源是以前电力系统运用最普遍的电源。 但相控电源用的是工频变压器，重量重，体积大。而且输出电压的纹波系数大，监控 系统不完善如：高频加热电源、逆变焊机、电力操作电源、激光器电源、通讯电源等， 又是采用的主从备份方式，不方便使用，也达不到电力系统新标准要求。 线性电源主要包括工频变压器，整流滤波器，稳压调整管、输出滤波电路、反馈 电路控制保护电路等。其框图如图2 1 所示。 u i 图2 1 线性电源框图 u 0 图2 1 中稳压调整管是关键元件，它相当于一个受控的可变电阻。反馈回路对输出 电压u o 采样，通过采样电压和整流滤波输出电压对稳压调整管的管压降进行调节，从 而使输出电压达到稳定的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 线性电源首先将输入的工频交流电u i 经过工频变压器变压成电源需要的工频交 流电，然后经过整流滤波电路将工频交流电整流成未稳定的直流电压。然后再通过稳 压调整管、输出滤波电路、反馈电路等控制保护电路调整输出电压，使其达到高精度 的直流电压要求，这种电源在运用中不断的完善改进，因此技术相对比较成熟，波动 较小，稳定性较高，抗干扰能力强，且噪音低。但由于其采用的工频变压器和整流滤 波电路中的变压器和滤波电容体积大、重量重，不方便使用。反馈电路是尽量使电源 输出电压工作在线性状态，通过对输出信号的采样调整稳压管。但当输出的工作电流 较大时，就会造成调整管的功耗大大增加，转换效率大大低，为保证其正常使用就必 须安装大量的散热片为其散热。这种电源明显不能适合计算机等电子产品设备的需要， 己逐渐被更为先进的开关电源取代。 目前使用的开关电源主要由输入整流滤波器、稳压调整管、输出整流滤波器、反 馈控制电路以及保护电路等组成。其框图如图2 2 所示。 图2 2 开关电源框图 u o 图2 2 中主变换电路和控制电路是关键的部分，主变换电路可以有多种拓扑，每种 拓扑都有自身的特点和使用场合。随着对开关电源的要求越来越高，控制方法的研究 也成为人们关注的热点。当电源工作时，检测输出电压u o ，检测电压送入控制电路得 到控制信号，控制信号通过改变主变换电路中功率开关管的驱动信号进而改变开关管 工作，从而稳定输出电压。开关电源的结构中由于中间没有变压器和散热片，因而体 积非常小。同时，开关电源内部都是电子元件，效率高、发热小。尽管有电磁干扰等 缺点，但现在的屏蔽技术已经可解决此问题。 开关电源是先采用a c d c a c d c 的方式将交流先整流成直流电，再将直流 逆变成交流电，最后整流输出成所需要的直流电压。这种方式使得开关电源不需要线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 性电源中的体积和质量都十分庞大的变压器以及电压反馈电路。开关电源在通过全数 字化的逆变电路对电源品质进行精确的调整，从而达到较高的调整精度。 目前，由于型小、量轻和效率高开关电源被广泛的应用于以微机为主导的各种电 子设备。在电子信息产业正日新月异发展的今天，开关电源已经成为一种优质、可靠、 不可缺少的一种电源，对电子信息产业的发展提供着不可替代的作用 2 0 1 。 2 2 开关电源的分类 开关电源有两种：一种是交流开关电源；另一种是直流开关电源。 2 2 1 交流开关电源 交流开关电源的核心是a c d c 变换器。它可按电路接线方式( 半波、全波电路) 、 电源相数( 单项、三相、多相) 以及电路工作象限( 一象限，二象限，三象限，四象 限) 进行分类。它在将交流变换为直流的过程，其功率流向是双向性的，“整流”是 功率流由电源流向负载，而“有源逆变”则是功率流由负载返回电源。 2 2 2 直流开关电源 直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源( 粗电) ，如城市电网中的 电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的品质较高的直流电压( 精电) 。直流开关电 源的分类与其核心部件d c d c 转换器的分类是基本相同的，d c d c 转换器的分类基 本上就是直流开关电源的分类【2 1 1 。 ( 1 ) 按输入输出是否隔离分类 隔离式开关变换器高频变压器将变换器的一次侧( 输入) 与二次侧( 输出) 隔离。这种变换结构主要有单端正激式变换器、单端反激式变换器、推挽变换器、半 桥变换器和全桥变换器。 非隔离式开关变换器在电气上输入与输出是不隔离的。输入与输出共用一 个公共端。这种变换器结构主要有降压型( b u c k ) 变换器、升压型( b o o s t ) 变换器、 降压一升压( b u c k 一b o o s t ) 变换器以及它们的组合变形电路。 ( 2 ) 按驱动方式分类 自激式开关电源其借助于变换器自身的正反馈控制信号，实现开关自持周 期性开关。开关管起着振荡器件和功率开关的作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 他激式开关电源其电源内部备有专门独立的振荡电路，与振荡器同步的控 制信号驱动开关管。 ( 3 ) 按功率开关管关断和开通工作条件分类 硬开关变换器功率开关器件是在承受电压或电流应力的情况下导通或关 断的。这样不但产生开关损耗，而且形成开关尖峰干扰噪声，需要附加屏蔽、滤波等 抗噪声技术，才能满足高精度、高性能用电设备的要求。 软开关变换器功率开关器件是在不承受电压或电流应力的情况下导通或 关断的。或是加在开关管上的电压为零，称零电压开关( z v s ) ；或是流过开关管的电 流为零，称为零电流开关( z c s ) 。因开关过程中无电压、电流重叠( 理想情况) ，开关 损耗大大降低，而且开关噪声电压小，有利于开关变换器的高频化、小型化。 2 3 开关电源的发展趋势 2 3 1 小型、薄型、轻量化 由于电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型高 智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗和变压器电容器小型化，并同时采用s m t 技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。小型、薄型、轻量化是开 关电源发展一直所追求的。 2 3 2 高效率 软开关技术作为提高变换器的变换效率的核心技术主要分为无源软开关技术和有 源软开关技术，主要包括零电压过渡零电流过渡脉宽调制( z v t z c t - p w m ) 技术、 零电压零电流脉宽调制技术( z v s z c s p w m ) 及零电压开关零电流开关( z v s z c s ) 谐振等技术 2 2 1 。软开关技术对降低开关损耗和开关应力有着较为明显的作用，有助于 变换器变换效率的提高。 2 3 3 高可靠 开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角 度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。采用模块化 技术可以提高系统的可靠性，满足分布式电源系统的需要。更多的提高开关电源可靠 性的技术有待研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 4 低输出电压 随着半导体制造技术的不断发展，便携式电子设备和微处理器所需的工作电压越 来越低，这就要求以后的d c d c 变换器必须提供低输出电压以适应便携式电子设备和 微处理器的供电要求。 2 3 5 低噪声 开关电源的又一缺点是噪声大，由于单纯追求高频化，使电源的噪声也随之增大， 采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以降低噪声。但谐振转换 技术在谐振时，增大了器件负荷，场效应管的寄生电容易引起短路损耗，而且很难准 确地控制开关频率，元器件热应力也会转向开关管等，这些技术问题目前都难以解决。 目前部分发达国家把变压器设计成初次级分离阻燃密封，自身具备的共模无噪声隔离 变压器有对付噪声功能，既减少了噪声，又节省了噪声滤波器。 2 3 6 抗电磁干扰( e m i ) 当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线产生对其他电子设备的干扰，世 界各国已有抗e m i 的规范或标准，研究开发抗的开关电源日益显得重要。 2 4 本章小结 本章介绍了作为充电机关键部分的直流电源的基本原理、分类、进行了介绍，特 别是对本文研究的充电机的核心开关电源的分类及发展趋势进行了重点介绍。为下文 对便携式客车蓄电池智能充电机的阐述进行了铺垫。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第三章便携式客车蓄电