（电机与电器专业论文）智能航空蓄电池充电器的设计与实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a i r c r a f tb a t e r yi sa ni m p o r t a n te l e m e n to fa i m r a f lm o u n t e dd e v i c e sa n di sc r u e l a lf o ra i r c r a f ts a f e t y t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea i r c r a f tb a t t e r yc h a r g e rh a sa l li m p o r t a n te f f e c to nt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e sa n d l i f e s p a no f t h eb a k e r y w i t ht h en e e do f c i v i la v i a t i o n ，a ni n t e l l e c t u a la i r c r a f tb a t t e r yc h a r g e ri sd e s i g n e di n t h i sd i s s e r t a t i o n ，a n dj tj sc o n t r o l l e db yp e r s o n a lc o m p u m r ( p c ) a n dd s p b a s e do nt h ea n a l y s i sa n ds y n t h e s i so fo p e r a t i o np r i n c i p l eo fb a t t e r y ，c h a r g i n gt e c h n o l o g ya n dm o d e s ， i n t e l l e c t u a lc o n t r o ls c h e m ej sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h ec h a r g e ri sb o t hc o n t r o l l e db yp o r ec o n t r o l l e r d s pa n dp c t h em a i nc i r c u i tw i t ht h ef u n c t i o no f c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g a n dac o n t r o ls y s t e mb a s e do n d s pc h i p t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2a r ed e s i g n e d t h ec i r c u i t t o p o l o g i e s a n dc o n t r o lc i r c u i t m o d u l e sa r ea l s od i s c u s s e d i nt h et h e s i s i na d d i t i o n a l t h em e t | l o d st or e d u c ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ef e m i ) a r ca l s oa n a l y z e d w i t ht h eh e l po fd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n to fv i s u a lb a s i c6 0 t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo fs y s t e mi s d e s i g n e df o rp e r s o n a lc o m p u t e r i th a sf u n c t i o n so fd i s p l a y , d a t as t o r a g ea n dm a n a g e m e n t ，m o n r o ra n d m a n n ，a n ds oo n a l s ot h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n to fc c si sa d o p t e dt od e s i g nt h ea p p l i c a t i o nc o d ef u r d s e i th a sf u n c t i o n so fp w mp o w e rd r i v e ，d a t as a m p l i n ga n dp r o t e c t i o n ，a n ds oo n b a s e do nt h en e e do f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dd s p ，t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e v e l o p e d ，a n dt h es e r i a lp o r t c o m m u n i c a t i o np r o g r a mo f r s - 2 3 2i sa l s od e s i g n e d f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a ld a t a sa n dw a v e f o r m sa r eg i y e ni nt h et h e s i s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h a tt h ed e s i g n e dd e v i c eh a sa c h i e v e dg o o dc o n t r o le f f e c t k e y w o r d ：a i r c r a f tb a t t e r y ；c h a r g e r ；d s p ：i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 p c i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：羞迭e t 期：圆：。：f 3 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生虢监聊虢牡日期：蛐 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景、意义及任务 航空蓄电池作为机载电池，用于飞机起动、通讯、照明、导航及随航应急备用，已有很长的历 史。它是航空器材的重要组成部件，在飞机安全飞行中起着至关重要的作用。随着蓄电池制造技术 和充电技术的不断发展，航空蓄电池被人量装备于各种类型的e 机。目前，英、法、美、德等一些 国家不仅用航空蓄电池大萤装备中小犁直升机、歼击机，而且在波音、空客、麦道等大型运输机上 也使用了航空蓄电池组。在我国，近年来随着航空工业的发展，目前引进的3 5 个机种的数百架飞机 以及自行研制的“直八”、“直九”、“直十一”、”b 豹”、“猎豹”等机种均采用航空蓄电池作为机载 电源。 通常，飞机电源系统由主电源、应急电源、二次电源以及地面电源插座等构成。常用的应急电 源有航空蓄电池和冲压空气涡轮发电机。为了减小供电系统的体积和重量，有些飞机特别是军用飞 机的应急电源只配有应急蓄电池。当飞机上主电源均发生故障，飞机供电系统进入应急工作状态时， 由廊急蓄电池向机上关键b 行负载供电，以确保b 机能够返航或安全着陆。因此，航空蓄电池的性 能是非常重要的，而蓄电池充电器的充电技术和性能指标会直接影响蓄电池的安全性、可靠性以及 使t e l j 寿命。 当前，由于社会生产力的迅速发展，工业制造能力的不断提高，对蓄电池的技术性能、可靠性、 安全性和充电效率的要求越来越高。另外，在全世界范围内，许多国家政府出于保护环境的需要， 都在探寻无污染的能源。蓄电池在这一方面显示了其特有的优越性，例如传统的汽车制造工业，都 是以汽油作为其燃料，但是汽车所排放的尾气一直是大城市最主要的污染源。如果采用可多次充电 的大功率蓄电池驱动电动汽车，既可以满足汽车行驶的需要，而且又没有污染。 就目前我们国内的情况来看，大部分厂家生产的蓄电池充电器都有一个共同的缺点，即智能化 程度比较低而无法满足现代电源使用设各的要求：一方面，充电器充电模式与电池不匹配，引起电 池过充或欠充，造成电池循环寿命减少或失效；另一方面，充电器本身的质量不过关，造成充电参 数漂移。损坏电池，同时充电器自身也容易损坏”。因此，设计一个较为完善的蓄电池智能充放电 系统，以期实现延长蓄电池的寿命、保证蓄电池系统供电的稳定性以及无人职守等功能，是很有必 要的。 随着大规模集成电路、现场可编程逻辑器件( f p g a ) 及数字信号处理器( d s p ) 技术的发展， 开关电源的控制逐渐向全数字化控制方向发展。数字化开关电源由于其控制理论与实施手段的不断 完善，且因其具有高度集成化控制电路精确的控制精度，以及稳定的工作性能，已经成为功率电 子学的个热点和重要研究方向。d s p 作为一种高性能的微处理器，它的应用涉及控制、数据采集、 信号处理、智能仪器仪表、家用电器、国防武器等众多领域并且日益扩大，其应用技术也日趋成 熟。采j jd s p 控制的大功率充电电源，具有体积小、重量轻、高可靠性，易于调试和升级等优点， 它的实现必将大大提高蓄电池的充电效果。 1 2 课题设计要求 航空蓄电池充放电系统能够对航空铅酸蓄电池和镍镉蓄电池进行充电、放电和电池容量的分析 其主要的技术要求如下： 1 基本参数 ( 1 ) 输入电压：2 2 0 2 0 v a c ； 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 晟大充电电压：4 0 v ： ( 3 ) 最人充电电流：5 0 a ： ( 4 ) 最大放电电流：5 0 a ； ( 5 ) 晟人输出功率：2 0 0 0 w 。 2 充电方式 ( i ) 恒压限流充电( 酸性电池) ； ( 2 ) 恒流充电( 酸性电池、碱性电池) ： ( 3 ) 两阶段恒流充电( 酸性电池、碱性电池) 。 3 放电 ( 1 ) 放电电流2 a 到5 0 a 可设定； ( 2 ) 放电终e 电压可设定或根据电池单元数自动确定： ( 3 ) 放电到设定的时间。 4 测量显示 ( 1 ) 充、放电电压与电流； ( 2 ) 电池总电压与各单元格电压： ( 3 ) 充、放电时间； ( 4 ) 电池容量。 5 保护报警 ( 1 ) 电池过热保护： ( 2 ) 短路保护； ( 3 ) 电池电压负增长报警； ( 4 ) 当某一单体电池电压低于或高于平均电压o 1 v ，电压不平衡报警； ( 5 ) 电池反极性报警。 1 3 课题方案和主要工作 本课题以d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为核心控制器，设计研制一套新型的上下位机联合控制的 智能型充电器。系统总体设计框图如图1 1 所示，功率开关电路采用充放电可逆拓扑，上位机采用 p c 机，下位机采1 i jt i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片，上下位机通过串口r s 一2 3 2 进行数据通信。上位 机主要负责参数设置、数据显示和管理、监控报警等功能，而卜位机主要实现p w m 功率驱动、电 压电流采样、电池巡检和保护等功能。 论文的t 作主要包括以下几个方面： l 、分析铅酸、镍镉蓄电池的工作原理、充电方式和控制方法。 2 、分析与设计功率开关主电路，介绍拓扑结构的：l 作原理和主电路参数计算，以及主要元器件 的选用。 3 、围绕核心处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片设计硬件控制电路，重点分析了p w m 驱动电路、数据 采集保护电路和电池巡检等电路并从多个方面介绍了工程实际中采取的电磁兼容抗干扰措施。 4 、详细介绍v i s u a lb a s i c 上位机软件的设计流程、软件界面和a c e s s 后台数据库的开发，以及 d s p 下位机程序的开发工具和软件设计流程，并说明了上下位机之间串口通信的实现方法和制定的 通信协议。 2 第一章绪论 1 4 本章小结 图l - 1 系统总体设计框图 本章介绍了航空蓄电池智能充放电系统研究的背景、意义。根据课题设计要求，蓄电池充放电 系统采用上下位机联合控制方式，f 位机采用t l 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为核心控制器。功率主电 路采用高频开关电路，将充电和放电结合起来由一个充放电可逆拓扑来实现，简化了系统结构。 3 东南大学硕士学位论文 第二章蓄电池工作原理和充电技术研究 蓄电池是化学电池的一种，所谓化学电池是指能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屯池两种，原电池只能使用一次，即我们所说的干电池，蓄电池则可以反 复多次使用。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，则 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就是电池充电过程， 而电池将自身的能量以电能的形式供给外部电路的过程则为放电过程“1 。 2 1 蓄电池工作原理 电池是将化学能转换为电能的装置，电子导体可以单独地完成导电任务( 如铜、铝等金属) ，而 离子导体( 如电解质溶液) 却不能。要想让离子导体导电，必颁有电子导体与之相连而形成两类导 体相串联的结构，形成金属一溶液一金属的导电系统。在金属与溶液的界面上发生氧化还原反应， 这是电池的基本_ ：作原理”。目前飞机装备的航空蓄电池主要有铅酸蓄电池和镍镉蓄电池两种类型。 铅酸蓄电池和镍镉蓄电池都属丁i 二次电池，即充放电能反复多次循环使用的一类电池。下面详细介 绍铅酸蓄电池和镍镉蓄电池的工作原理。 1 铅酸蓄电池 铅酸蓄电池是1 8 5 9 年由普兰特发明的二次电池，它具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等特点。 如图2 - 1 所示，铅酸蓄电池的正极板为二氧化铅( p b 0 2 ) ，负极板为海绵状金属铅( p b ) ，电解液采 用硫酸( h 2 s 0 4 ) 。 仁 p 彬j 一；? 。“= 。7 ，蝴 - h 2 s 0 4 ： p b 图2 1 铅酸蓄电池结构示意图 铅酸蓄电池的基本化学反应式如式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 所示，其中式( 2 一1 ) 为铅酸蓄电池正极板上的化学 反应，式( 2 2 ) 为铅酸蓄电池负极板上的化学反应。 p b 0 2 + 3 h + + r f s o ；+ 2 e 案p b s 0 4 + 2 h 2 0 ( 2 - 1 ) p b + h s 0 4 2 e 高差p b s 0 4 + h + ( 2 2 ) 式( 2 1 ) 表明，自左向右的反应是放电：p b 0 2 以极大的速率吸收外电路的电子，并以次低价 p b ”形式在电极表面形成p b s o 。；自右向左的反应是充电：在外电源作用下p b ”释放电子，并与电 解液作i j 生成p b 0 2 。 式( 2 2 ) 表明，自左向右的反应是放电：p b 以极人的速率溶解，在向外电路供出电子的同时， p b 2 + 还夺取界面电解液中h s 0 4 一，使之生成p b s o a ：自右向左的反应是充电：电极表面的p b ”以极 大的速率夺取外来电子，使p b s 0 4 恢复成活性物质。 由式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 可以得到铅酸蓄电池完整的化学反应方程式，如式( 2 3 ) 所示： p b + p b 0 2 + 2 h + + 2 h s 0 4 i 訾2 p b s 0 4 + 2 h 2 0 ( 2 - 3 ) 由式( 2 3 ) 可知，铅酸蓄电池在放电之后两电极活性物质都转换为硫酸铅，称“双硫酸盐化”理 论。硫酸起传导电流作用，并参加电池反应，但参加反应的是h s 0 4 一，不是s 0 42 。，因为h 2 s o , 的二 级离解常数相差很大。 4 第二章蓄电池工作原理和充电技术研究 2 镍镉蓄电池 镍镉蓄电池是1 8 9 9 年由瑞典科学家尤格尔发明的它具有电池结构紧凑、自放电较小、性能稳 定可靠、可大电流放电、使并j 温度范围宽等优点，其最大的特点是循环寿命长，可达2 0 0 0 4 0 0 0 次。 如图2 - 2 所示，镍镉蓄电池的止极为氢氧化亚镍( n i o o h ) ，负极为海绵状金属镉( c d ) ，电解液为 氢氧化钾溶液( k o h ) 或者氢氧化钠溶液( n a o h ) 。 图2 - 2 镍镉蓄电池结构示意图 镍镉蓄电池的基本化学反应式如式( 2 - 4 ) 和( 2 5 ) 所示，其中( 2 - 4 ) 为镍镉蓄电池的正极化学反应方 程式，( 2 5 ) 为负极化学反应方程式。 2 n i o o h + 2 h 2 0 + 2 e 案2 n i ( o h ) 2 + 2 0 h 一( 2 - 4 ) c d + 2 案c d ( o h ) 2 + 2 e ( 2 _ 5 ) 由式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 可以得到镍镉蓄电池完整的化学反应方程式，如式( 2 - 6 ) 所示： c d + 2 n i o o h + 2 h 2 0 訾2 n i ( o h ) 2 + c d ( o h ) 2 ( 2 - 6 ) 由化学反应方程式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 可知，电池放电时，负极c d 被氧化，生成c d ( o h ) 2 ；正极上n i o o h 接收由负极经外线路流来的电子，被还原为n i ( o h ) 2 ，充电时变化正好相反。由式( 2 6 ) 可知，电解 液k o h 或n a o h 并不直接参加反应，只是起导电作用。电池放电过程中消耗水，充电过程中生成 水。在电池过充电时，电流直接电解水，在正负极板上将分别有大量氧气和氢气析出。 式( 2 7 ) 为镍镉电池的温度系数，表示电池电动势会随温度的升高而降低。即温度每增加1o c ， 电动势将降低0 5 m v 。 船 ( = = ) = - 0 5 m v 0 。c 。1( 2 。7 ) 2 2 蓄电池相关参数定义 标称电压是指电池刚刚出厂时正负极之间的电势著。标称电压和外界环境温度、 池的剩余量有一定的关系。蓄电池的端电压随充放电过程而变化，可用下式表示： u 充2 e 充+ 氏氏 工作状态和电 ( 2 8 ) ua2e放一如吆(2-9) 从上式可虬看出，充电时，电池的端电压比放电时高，而且充电电流越大，端电压越高；放电 电流越大，端电压越低。 蓄电池充足电时，极扳上的活性物质己经达到饱和状态，再继续充电，蓄电池的电压也不会上 升，此时的电压称为充电终l p 电压。 放电终止电压是指蓄电池放电时允许的最低电压。如果电压低于放电终l 电压斤蓄电池继续放 电，电池两端电压会迅速卜- 降，形成深度放电，这样，极板上形成的生成物在正常充电时就不易再 恢复，从而影响电池的寿命”1 。 电池的容量通常用a h ( 安时) 表示，表达式如下： 5 东南大学硕士学位论文 q = n ( a h ) ( 2 1 0 ) 单体电池内活性物质的数鼍决定电池含有的电荷量而活性物质的含量则由电池的材料和体积决定。 因此，通常电池体积越太，其容量也就越高。与电池容量相关的一个常数是充电电流，用充电速率 c 表示。 蓄电池的内阻与电解液的导电率、极板结构及其面积有关，而电解液的导电率又与密度和温度 有关。电池的内阻主要由电解液的电阻决定。通常蓄电池的内阻可用f 式计算； 略2 ( e 一【，放) ( 2 1 1 ) 值得注意的是，镍镉蓄电池具有记忆效应，而铅酸蓄电池就不具有记忆效应。在电池的正常使 用过程中( 电池完全放电) 。电池极扳上的晶体尺寸保持较小，如果电池放电不完全，n i o o h 未完全 转化为n i ( o h ) 2 ，n i o o h 将凝结在一起，形成较大的晶体结构即枝状物，极板上的晶体尺寸改变， 当再次充电时这些集结了的晶体结构不再参加反应使得电池无法充电至电池的额定容量，这时便 称电池具有t i 2 忆效应1 。有记忆效应的电池表现为即使已充满电电池也无法释放出额定的容量。 记忆效应是一种暂时的现象，也常被称为电池的可逆故障，只要将电池充满后再做深度放电，如此 反复儿次，便可以将电池再次激活，恢复其原有的容量。 2 3 蓄电池充电技术 6 0 年代末期，美国科学家马斯提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受充电电流曲线，如图 2 - 3 所示。如果在蓄电池整个充电过程中充电电流如曲线轨迹变化，那么充电过程中不仅没有气体( 氢 气和氧气) 析出，而且充电持续的时间也可以减少到最小。1 。上述充电电流轨迹是一条指数函数曲线， 在充电过程中任何时间t 上的电流可表示为： i = 厶p ( 2 - 1 2 ) 式中1 0 为t = 0 时的最大初始电流值，口为衰减常数，被定义为蓄电池充电电流接受比。 在该指数函数曲线以上的任何电流，均不能提高充电率，而只会增加出气量；反之，在指数函 数曲线以f 的任何电流只会增加充电时间。 图2 - 3 低出气率情况下蓄电池可接受的充电电流曲线 2 3 1 蓄电池充电电流接收比定律 根据式( 2 一1 2 ) ，如果蓄屯池始终按照图2 3 曲线进行充电，那么，在任何时刻t 。存储于蓄电池 内的电荷量为： q = f 础= f 铲“出= 鲁( 1 可“) ( 2 _ 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 表明，充电结束时的充入量也是原来蓄电池放出的电荷量，即： 6 第_ 二章蓄电池工作原理和充电技术研究 q = 厶a 所以 a = i o q ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 因此，电流接受比口是充电初始电流1 0 与待充入电荷量o 之比。对于任一给定的已放出的容量， 电流接受比口越高则初始电流就越大，充电速度也越快。显而易见，如果充电电流始终沿着图2 3 所示的曲线变化，那么口值将维持不变，充电将始终处于其实际接受的充电电流与本身固有的特征 相匹配的最佳状态。 6 0 年代术期，马斯又提出了快速充电3 个基本定律，支配并影响着蓄电池充电的全过程。 1 、第一定律 对于任何给定的放电电流，蓄电池电流接受比口与放电容量q 的平方根成反比，即： 口= m q( 2 一1 6 ) 式中m 为比例常数。 由于蓄电池己放出的电荷量也就是待充入的电荷量 i 、= = q m l 托= m 洒 根据式( 2 1 6 ) ，第一定律也可写成 上式表明，蓄电池可接受的初始充电电流i o 与蓄电池的容量有关 初始充电电流越大。 2 、第二定律 ( 2 一1 7 ) 容量越大，蓄电池可接受的 对丁：任何给定的放电深度，蓄电池充电电流接受比口与放电电流的对数成正比，即： 口= k x q * l g ( k ，d ) ( 2 - 1 8 ) 式中i d 为放电电流； k ，k 为常数。 由于厶= q 口所以第二定律也可表示为： 厶= 世q + l g ( k l ) 由上式可知，蓄电池接受充电电流的能力与蓄电池的放电电流有关。 接受充电电流的能力也越强。 3 、第三定律 ( 2 - 1 9 ) 放电电流越大，蓄电池可 蓄电池以不同的放电率放电后，可接受的充电电流楚各个放电率的可接受充电电流之总和，即： is=il+12七i，+(2-20) 因此可得： a s = 与幺( 2 - 2 1 ) 式中i s 为总的可接受充电电流，q s 为蓄电池放出的全部电量d 台为总的充电电流接受比。 上述3 个基本定律为快速充电奠定了重要的理论基础，揭示了蓄电池可接受充电电流与放电量 之间的内在联系，指出了在充电过程中对蓄电池实施一定深度的放电是提高充电电流接受比从而加 快充电进程的有效途径。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 2 蓄电池充电方式 在马斯三定律的基础之上，人们对电池充电模式和停充控制方式进行了大量深入的研究，提出 了多种切实可行的方法。对蓄电池而言，通常使_ j 的充电方式有以下五种： 1 、恒压充电 恒压充电是指每只单体电池均以某一恒定电压进行充电。其主要特点为：充电初期电流相当大， 蓄电池电动势和电解液相对密度上升较快，随着充电的延续，充电电流逐渐减小，在充电终期只有 很小的电流通过；充电时间短、能耗低，一般充电4 5 小时后蓄电池即可获得本身容量的9 0 舻9 5 。 如果充电电压选择得当，8 小时即可完成整个充电过程，且整个充电过程不需人照管，所以广泛应 用于补充充电。 2 、恒压限流充电 恒压限流充电主要是用来补救恒压充电时充电电流过大的缺点，通过在充电电源和被充蓄电池 之间串联一电阻( 限流电阻) 来自动调节充电电流。当充电电流过大时，其限流电阻上的压降也大，从 而减小了充电电压：当充电电流小时，限流电阻上的压降也小，充电设备输出的电压损失也小。这 样，就自动调节了充电电流，使之不超过某个限度。该方法目前被广泛应片j 于免维护蓄电池的初充 电和普通电池的补充充电。 3 、恒流充电 恒流充电是指蓄电池充电时，采用分段恒流的方法进行充电，并且该电流是用调整充电装置来 达到的。其主要特点是此充电方法有较人的适戍性，可以任意选择和调整充电电流。因此可以对各 种不同情况及状态的蓄屯池充电( 如新蓄电池的初充电、使_ j 过的蓄电池的补充充电以及去硫充电 等1 ，特别适用丁小电流长时间的充电模式，对由多节电池串联的电池组充电，且有利于容量恢复较 慢的蓄电池的充电。 4 、快速充电 快速充电是指在大电流充电过程中，自动进行短暂的停充电并在停充电过程中自动加入放电脉 冲的充电方式。目前常州的快速充电方法主要为脉冲快充和大电流递减快充两种。快速充电在实际 操作中可能因电流过大反而造成温升高、出气量大、活性物质脱落等较严重的负面效果，因而，一 般蓄电池快速充电比常规充电实际达到的循环寿命约低3 0 ，这也是目前大多数蓄电池生产厂家普 遍不支持快速充电的主要原因。 5 、智能充电 智能充电是目前较先进的充电方法，其原理是在整个充电过程中动态跟踪蓄电池可接受的充电 电流。应用d u d t 技术，即充电电源根据蓄电池的状态自动确定充电工艺参数，使充电电流自始至终 保持在蓄电池可接受的充电电流曲线附近，使蓄电池几乎在无气体析出的状态下充电，从而保护蓄 电池，但具体实现难度较大。 根据项目的要求，本充电系统中铅酸蔷电池可选择的充电方式有恒压限流充电、恒流充电和两 阶段恒流充电，镍镉蓄电池可选择的充电方式有恒流充电和两阶段恒流充电。 2 4 蓄电池充电控制方法 蓄电池充电控制方法是一个比较重要的问题。因为也池在充足电后，电池的温度和内压都会迅 速上升，同时电池的端电压开始卜i 降，出现电压负增量。如果此时继续进行快速大电流充电，对蓄 电池的损害是显然的。因此，为了保证电池充足电义不过充，必须采用一定的方法来控制蓄电池的 充电。 现阶段采用的控制方法很多，通常使用的有时间控制法、温度控制法、晟高电压控制法、电压 负增量( 一u ) 控制法及电压、温度、时间综合控制法等。 l 、时间控制法 8 第= 章蓄电池工作原理和充电技术研究 在充电过程中，以定时系统来预定充电时间，当充电时间达到后，定时器使充电器停止充电或 改为涓流充电。这种充电方法可以根据电池的容量雨i 充电电流，很容易地确定所需的充电时间，避 免电池长时间大电流过充电。但由于充电时间是固定的，不能根据电池充电前的状态来自动调整， 有的电池可能充不足电，有的电池可能过充电。通常，只有充电速率小于0 3 c 时采用这种控制方法 才最有效果。 2 、温度控制法 当电池达到充满状态时，存储电能的反应停i e ，而电解过程开始。电解过程产生气体，使得电 池内部压力增火，导致发热，使充电电池温度上升较快。用热敏电阻测量电池温度或温度的变化， 从而确定对电池停j e 充电或转为涓流充电。通常，当电池温度超过一定的温度时( 一般为”o c ) ，便 充电器能自动转入涓流充电方式。而当环境温度较低时，规定的电池最高温度( 4 5o c ) 过高，为了避 免损伤电池，又常采用温升控制法，即当温升达到一定值时，充电器便自动转入涓流充电方式。由 于环境和热敏电阻响应时间的影响，往往不能准确检测屯池的充电状态，故这种方法仅用于充电过 程的过热保护。 3 、最高电压控制法 根据充电的最高也压来判断充电状态，它的特点是：电池充电的最高电压随环境温度和充电电 流大小而变。因此最高检测电压必须采用一定的温度补偿，并且还必须根据充电电流大小加以适 当修正。若晟高检测电压不能随温度变化而自动调整，则低温时，电池充不足电，高温时，电池充 足电后仍会继续大电流过充。这样，可能降低电池寿命，甚至损坏屯池。另外，在蓄电池的使用寿 命内，最高充电电压随充放电次数而变，而且变化规律无法预测。因此，这种方法i ：1 前国内外已不 采用。 4 、电压负增量法 此方法是目前国际公认的较先进的控制方法之一，在充电时，被充电池的电压会逐渐上升，当 电池达到充满状态时，电压达到最大值，如果继续充电，电池电压反而会下降，当检测到电压负增 量( 一u ) 时就可以确定电池充电已经充满，从而将充电方式转变为涓流充电。与温度控制法相比， 这种方法响应快，而且由于电池电压的负增量与电池的绝对温度无关，因此采用这种检测法的快速 充电器，可以对电池数不同的电池组充电。目前国内采用高频开关电源的快速充电器部分就是采用 这种检测方法。实践证明，这种检测方法非常可靠，也非常灵敏，能够使蓄电池刚好充足电。该方 法的缺点是：环境温度较高时，电池充足电后，电池电压的负增量不明显。因此为了避免环境温度 过高时损坏电池，最好与其它控制方法配合使用。 5 、电池电压二次导数控制法( u d r 2 ) 这种控制方法是通过检测电池电压的二次导数来实现控制的。实验证明。当电池充足电时， a 2 u d t 2 将达到某一个确定的值，此时即可结束充电。这种控制方法相对来讲更加安全可靠，但测试 技术相对复杂。随着测试技术的发展，这种控制方法应该会得到普遍的应用。 6 、综台控制法 以上各种控制方法各有优缺点，为了保证在任何情况卜均能可靠检测电池的充足电状态，可采 用具有温升控制、时间控制和电压负增量控制功能的综合控制法。近年来，国内外研制的快速充电 器均采用这种综合控制法。 2 5 本章小结 本章详细介绍了铅酸蓄屯池、镉镍蓄电池的工作原理、充电特性和控制方法。考虑蓄电池充电 时间、效率和电池寿命，需要使充电电流曲线逼近马斯提出的以最低出气率为前提的蓄电池可接受 充电电流曲线。根据项目的要求，课题中铅酸蓄电池可选择的充电方式有恒压限流充电、恒流充电 和两阶段恒流充电，镍镉蓄电池可选择的充电方式有恒流充电和两阶段恒流充电。 9 东南大学硕士学位论文 第三章开关电源主电路的设计 随着半导体技术利控制技术的发展，电力电子技术的应用领域也在不断地扩大，从小容量的家 电产品到工厂、铁路，甚至到航空航天领域。航空蓄电池充放电系统就是电力电子技术在民航领域 应用的一个很好的例子。本章将详细介绍功率主电路拓扑、原理和主要参数的计算方法。 3 1 主电路拓扑分析 主电路拓扑主要依据输出功率大小、输出电压高低等进行选择。若输出功率较大时宣采用三相 输入电源及桥式逆变电路；若输出功率较小但输出电压较高时宣采用反激变换器电路。采用单相输 入电源时，对功率器件、输入滤波电容等的耐压要求较低，元器件成本相对也较低，因而输出功率 较小时麻优先选用单相输入电源。 课题中主电路主要由输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频逆变器、输山整流滤波器，直直 变换器等儿部分组成，其基本原理如图3 - 1 所示。该结构图中单相交流市电经电网e m 滤波、整 流滤波得到一定的直流电压，通过高频逆变器得到高频交流电压再经整流滤波和直直变换后得到 所需的高品质的直流电压。 、 交流 输入 e m l 滤波 整流 滤波 高频 逆变 整流 滤波 直直 变换 直流 输出 图3 1 主电路结构图 高频逆变拓扑的选择要根据电路功率的人小、输入输出范围以及是否要求隔离进行选择，表3 1 列出了几种主要隔离式电路拓扑以及它们的优缺点，根据本课题的设计要求，选择半桥拓扑进行设 计。 表3 1 功率拓扑结构比较 拓扑反激止激推挽半桥 全桥 比较内容、电路电路电路电路 电路 功率小小大中等大 开关管数量 1 个1 个2 个2 个4 个 控制复杂度简单简单较简单较简单复杂 成本 低低较高较高高 变压器利用率低低较低较高高 由丁镍镉电池在充电前需要进行放电，所以在选择直一直变换器时考虑采用电流可逆双象限变换 电路。通过控制开关管和继电器的通断，实现充电时电路拓扑为b u c k 电路，放电时电路拓扑为b o o s t 电路。这样电路结构简单可靠并且高效。 3 2 主电路结构和分析 本系统所采用的功率主电路如图3 2 所示，由电源变换器和电流可逆双象限变换器两部分组成， 其中实线框内的是电源变换器，虚线框内的是电流可逆般象限变换器。 充电时，交流接触器闭合，2 2 0 v 单相交流电经e m i 滤波器滤波、方桥整流滤波后送给功率管 q 、q 2 和电容c 2 、c 3 构成的半桥电路，经高频变压器隔离，由v d 二极管模块、滤波电感l i 、电容 c 整流后转换成直流电对蓄电池降压充电。放电时，输入接触器j i 断开，电源变换器不工作。可逆 电路成为升压电路，蓄屯池能量通过放电电阻r f 消耗。 1 0 第三章开关电源主电路的设汁 未一j 嗉 b 图3 2 功率主电路 升降压可逆电路如图3 - 2 中虚线框所示。通过控制功率管q 3 、q 4 p w m 驱动信号的占空比，以 及k f 、k o 功率继电器的导通和关断，改变电路拓扑结构实现充放电。功率管、继电器工作组合关系 见表3 2 。当继电器k f 关断，q 3 管进行p w m 斩波，q 4 管关断时，变换器处于充电方式，电路为b u c k 电路，电源变换器输出的直流电由降压斩波器调整为恒定的电压或电流给蓄电池充电；当继电器k f 闭合，q 3 管关断，q 4 管进行p w m 斩波时，变换器处于放电方式，电路为b o o s t 电路，升压变换器 将电池能量以恒流放电方式消耗在放电电阻上。 表3 2 功率管、继电器j ：作组合关系 k i 继电器q 管q a 管 _ l = 作方式电路拓扑 关断p w m 斩波关断，d 4 续流充电方式b u c k 电路 闭合芙断d 3 续流p w m 斩波放电方式b o o s t 电路 从图3 - 2 可以看到，在输出端设计了一个继电器k o 用于输出控制。只有当c o 上电压高于一定 值时k o 才导通，这样可以防止蓄电池的瞬时短路和接线时的拉弧现象，起到了保护电池的作用。功 率电路上设置了2 个电流检测点和3 个电压检测点，c t l 用于输入过流保护，c t 2 用于电流控制和充 放电过流保护，v t l 用于输入过欠压保护，v t 2 用于输山过欠压保护v t 3 用于电池短路、开路和反 接保护。 f 面将详细介绍士电路所涉及的! p 桥逆变电路、b u c k 电路、b o o s t 电路的工作原理。 3 2 1 半桥逆变电路 如图3 - 3 所示，半桥逆变电路由半桥逆变、高频变压器和输出整流滤波电路组成。 ， a i 2 吨扛 c l ! i q ：a w 1 c 22 2 n r l i j c i = = i 1 图3 - 33 卜桥逆变电路 变压器二次侧两个绕组匝数相等，电容容值c l = c 2 ，变压器一次侧的两端分别连接在电容c 。、 c 2 的连接点和开关管q l 、q 2 的连接点，电容c 1 、c 2 的电压分别为u i 2 。q l 、q 2 交替导通，使变压 器一次侧形成幅值为u i 2 的交流电压，改变开关管的占空比，就可改变二二次整流电压的平均值，也 就改变了输出电压u o 。q 1 和q 2 断态时承受的峰值电压均为u i 。 东南大学硕 ：学位论文 半桥逆变电路存在电感电流连续和电感电流断续两种t 作模式。考虑到本电路实际的t 作情况， 这里以电感电流连续模式为例介绍、卜桥逆变电路的工作原理。当半桥逆变电路上作于电感电流连续 模式时，在一个开关周期内电路经历4 个开关状态，如图3 4 所示，其中状态2 和状态4 是相同的。 如图3 4 ( a ) 所示，在t 0 t l 时段，电路处于开关状态1 ，q i 导通，q 2 关断，此时二极管v d i 处 于通态，电感电流流经变压器绕组上半部分w 2 、二极管v d l 、滤波电容c i 和负载r ，电感电流i l 逐渐增长。 如图3 _ 4 ( b ) 所示，在t l t 2 时段，电路处于开关状态2 ，q l 、q 2 都处于断态，变压器绕组w l 中的电流为零，根据变压器的磁动势平衡方程，绕组w 2 和w 3 中的电流人小相等、方向相反，所 以二极管v d ，和v d a 都处于通态，备分担一半的电流，电感电流l 逐渐r 降。 如图3 - 4 ( c ) 所示，在t 2 t 3 时段，电路处于开关状态3 ，q i 关断，q 2 导通，此时二极管v t h 处 于通态，电感电流流经变压器绕组f 半部分w 3 、二极管v d 2 、滤波电容c i 和负载r ，电感电流i l 增长。 如图3 - 4 ( d ) 所示，在t 3 t 4 时段，电路处于开关状态4 ，q i 、q 2 都处于断态，和开关状态2 相 同。 为了防【e 电路发生变压器偏磁和直流磁饱和的问题，电路在设计时采取了两个措施：一是在变 压器的输入端加了隔直电容c 3 ，见图3 - 3 。由于电容的隔直作用，半桥逆变电路对由于两个开关导 通时间不对称而造成的变压器一次电压的直流分量有自动平衡作用；二是两个开关在一个周期内对 称导通，即在一个周期内，导通的时间相等，并相互间隔半个周期。开关管q l 和q 2 的驱动波形如 图3 5 所示。 在电感电流i l 连续的情况下，输入电压u i 和输出电压u o 满足式( 3 一1 ) ： 丝：拄乓：拄细( 3 - 0 u i2n 1t v 22n 1 式中n 。为变压器原边绕组匝数，n 2 为变压器副边绕n f _ 数，为开关管导通时间，t l 为开关周期。 ( a ) 开关状态1 ( q i 通q 2 断)( b ) 开关状态2 ( q i 断q 2 断) ( c ) 开关状态3 ( q 1 断q 2 通)( d ) 开荚状态4 ( q l 断q 2 断) 图3 - 4 半桥逆变电路开关状态 1 2 + u o - + u o 第三章开关电源主电路的设计 。t o n 。 t o f f 。厂 厂、，、， j t s。 、 厂厂 t 卜 、一一 、 圈3 巧半桥逆变电路的工作波形 在半桥逆变电路中，变压器的初级在整个周期中都流过电流。磁芯利用得更加充分，半桥式电 路克服了推挽式电路的缺点，它在电路中所使_ j 的功率管的耐压要求较低，不会超过线路峰值电压， 功率管的饱和压降也减少到最小，不再是重要的影响因素。半桥式l 毡路有一个极其重要的特点是具 有抗不平衡能力这是它获得j “泛应用的一个重要原因。 3 2 2b u c k 充电电路 当对蓄电池进行充电时，电流可逆双象限变换器成为b u c k 电路，电路如图3 - 6 所示- b u c k 电 路由开关管q 、电感l 、电容c 、二极管d 和负载电阻r 组成。 图3 - 6 b u c k 电路 若电感和电容量足够大，器件为理想器件，电路进入稳态以后，可以认为输出电压为常数。当 开关管q 导通时，电路如图3 - 7 ( a ) 所示，由于u i u o ，二极管d 处于截i t ，流过电感l 的电流不断 增& ，l 两端的电压为( u i u o ) ，则 u , - v o “罢( 3 - 2 ) 电感中电流线性上升，上式可写成 q u o = 上譬= 上学( 3 - 3 ) 当开关管q 截i t 时，电路如图3 - 7 ( b ) 所示，屯感中电流不能突变 导通，流经电感l 的电流不断减小，其两端的电压为- u o ，则 以：一上竺 。 廖 电感电流线性f 降，上式可写为 虬“气o f2 三气每o f2 等o f t - j 感应电势反向，迫使二极管 ( 3 5 ) 强玉同 东南人学硕l 学位论文 式中t o f 为开关管的截止时间。在稳态时，珏= i w = 出，由此可得 u o = d u i ( 3 - 6 ) b u c k 电路有电感电流连续和电感电流断续两种t 作模式，若电路t 作在电感电流断续区，输出 电压与输入电压之比不仅与占空比有关，而且与负载电流有关，为维持一定的输出与输入电压比， 占空比随负载的改变非常大。因此在电路设计时，应让电路。r = 作在电感电流连续区，以最小输出电 流作为电感电流临界连续来设计线圈电感”1 。电路中开关管q 的驱动波形、漏源极两端电压u d s 和 电感电流i l 的波形如图3 - 8 所示。 ( a ) 开关管导通( b ) 开关管关断 图3 7b u c k 电路电感电流连续时的开关状态 u 。t o n 。 t o f f 、 iii、r1， t r。 t i t p “6 f r t llll。 l 3 2 3b o o s t 放电电路 图3 8 电流连续模式下b u c k 电路波形 o 当对蓄电池进行放电时，电流可逆双象限变换器成为b o o s t 电路，电路如图3 - 9 所示。b o o s t 电 路由开关管q 、储能电感l 、