航空蓄电池充电器

1 航空蓄电池充电器 李国林 摘要 航空蓄电池在飞机安全飞行中起着至关重要的作用 航空蓄电池充电器的性能直 接影响蓄电池的电气性能和使用寿命 本论文根据B737 800型飞机的需要 研究了一 种智能型航空蓄电池充电器的工作模式及实现方法 在分析 综合蓄电池充电器的几种充电模式的基础上 本论文提出了智能型航空蓄 电池充电器的工作模式 设计了集充 放电功能于一体的电力电子主电路 研制了基于 单片机80C51的高性能充电控制系统 采用了电流单闭环控制 实现了蓄电池的三阶段 智能充电 即预充电 快速充电和涓电流充电 其中的保护功能设计 提高了充电器的 可靠性 关键词 航空蓄电池 充电器 智能充电 80C51 2 Aircraft battery Charger Li Guo lin Abstract Aircraft battery is an important element of aircraft mounted devices and is crucial for aircraft safety The performance of the aircraft battery charger has a direct effect on the electrical properties and life span of the battery Based on the need of aircraft B737 800 the thesis provides us a research to the operating modes and implementing methods of an intellectual aircraft battery charger Based on the analysis and synthesis of several charging modes of the battery charger the thesis develops an operating mode of the intellectual aircraft battery designs an electric and electronics main circuit with the function of charging and discharging It also develops a control system with 80C51 as microprocessor The thesis adopts the single closed loops control system with current realizes the three phase charging of the battery namely the modes of per charger highspeed charger and charger with stream current It can has a protection function hence improves the charge reliability key word Aircraft Battery Charger Intellectual Charging 80C51 3 目录 第 1 章 绪论 1 1 1 课题研究现状以及意义和目的 1 1 2 民用航空蓄电池和充电器概述及其性能指标 1 1 3 本论文的主要工作和目标 2 第 2 章论文涉及的基本理论和技术 4 2 1 镉镍蓄电池机理叙述 4 2 1 1 镉镍蓄电池的工作原理以及参数 4 2 1 2 快速充电理论以及蓄电池的极化现象的不利影响 6 2 1 3 镉镍蓄电池充足电的判断 7 2 2 电力电子变换电路工作原理 7 2 2 1 BUCK 变换电路 7 2 2 2 BOOST 变换电路 9 第 3 章航空蓄电池充电器系统硬件设计 10 3 1 蓄电池系统总体设计 10 3 1 1 蓄电池充电器主电路结构设计 11 3 1 2 蓄电池充电器控制电路结构设计 13 3 1 3 蓄电池充电器保护电路结构设计 18 3 2 系统主电路参数设计 19 3 2 1 电流可逆双象限变换器参数设计 19 3 2 2 电源变换电路参数设计 22 3 3 系统电流控制电路 PI 参数设计 23 3 4 系统故障检测及保护电路参数设计 24 3 4 1 软启动电路 24 3 4 2 过压 欠压保护电路 25 3 4 3 过热保护电路 26 3 4 4 过流保护电路设计 27 第 4 章系统软件设计 29 4 1 航空蓄电池以及充电器一般工作过程叙述 29 4 4 2 系统软件所实现的主要功能及其设计思想 29 4 3 系统总体流程图 29 第 5 章 系统仿真 31 5 1 局部系统建模 31 5 1 1 充电电路模型的建立 31 5 1 2 PWM 环节建模 32 5 1 3 调节器建模 32 5 2 仿真结果及其分析 33 5 2 1 充电器控制环路仿真 33 5 2 2 电源变换器仿真 37 结论 39 参考文献 40 后记 41 附录 42 附录 A 外文资料翻译 42 中国民航大学本科毕业设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 课题研究现状以及意义和目的 蓄电池应用非常广泛 航空应用就是其中一个很重要的分支 近年来 世界各国对 蓄电池充电技术的研究也越来越关注 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 作为备用电源使用 它是航空器材的重要组成部分 在飞机 安全飞行中起着至关重要的作用 但是 就目前情况来看 性能优良的航空大容量镍镉 电池充电器还是很少见的 以前充电器大多用分立元件制作 缺点显而易见 近年来许多集成电路生产厂家都 推出了充电器专用集成电路 如MAXIM公司的MAX712 713 UNITRODE公司的UCC3905 BENCHMARQ公司的BQ2002 2003 美国ICS公司的ICS1700等 1 这些充电器芯片均具有较 好的快速充电性能 比如美国ICS公司的ICS1700芯片 用ICS1700组成的镍镉电池快速 充电器对镍镉电池具有很好的快速充电性能 但通过研究ICS1700的技术数据发现 ICS 1700只适合对8只以下的串联电池组充电 采用ICS1700组成镍镉电池快速充电器时 电 池组中应含有温度开关 否则当控制系统的电子元件发生故障时 电池就不能及时终止 充电 这会造成电池损坏 很显然 ICS1700不能用于大容量的航空镍镉电池快速充电 器 调查研究其他型号的充电器控制芯片后发现 这些芯片均不能满足民用航空对大容 量镍锡电池组快速充电的要求 航空大容量镍镉电池的充电研究还有很大欠缺 因此航空大容量镍镉电池充电器的研究非常有必要 论文选题具有十分重要的意 义 该设计是针对B737 800型飞机设计 基于80C51单片机控制的智能型航空蓄电池 充电器 它采用现代电力电子技术和单片机智能控制方法 不仅加快了蓄电池的充电速 度 提高了充电器的充电效率和性能 延长蓄电池的使用寿命 而且大大减小了充电器 的体积 降低了重量 1 2 民用航空蓄电池和充电器概述及其性能指标 航空蓄电池 或称电瓶 是把化学能转换为电能得设备 2 它在放电时将化学能转 化为电能 向用电设备供电 而在充电时又将电能转化为化学能储存起来 按照电介质 性质的不同 航空蓄电池可以分为酸性蓄电池和碱性蓄电池两大类 酸性蓄电池的电解 液是硫酸水溶液 主要有铅酸蓄电池 碱性蓄电池的电解液是氢氧化钾或氢氧化钠等水 溶液 主要有银锌蓄电池和镍镉蓄电池 目前波音公司现役飞机都是使用镍镉蓄电池 中国民航大学本科毕业设计 论文 2 航空蓄电池在现代大型飞机上主要有以下一些功能 1 在地面电源无效时 可以用蓄电池给机上部分负载供电或用以启动辅助动力装置 APU 这时蓄电池应能在短时间内输出大电流 2 在应急情况下 可以由蓄电池向最重要的飞行仪表 无线电导航及通讯等设备提 供应急电源 论文是根据B737 800型飞机机载蓄电池的需要研制的充电器 蓄电池为20格镍镉蓄 电池 额定电压为24V直流 容量为40A h 电解液为氢氧化钾水溶液 蓄电池装在一个 带有盖子的表面无涂层的不锈钢容器中 通常压力2 lOPsi 内部装有一个温度传感器为 蓄电池充电器提供其内部的温度信号 设计要求概述如下 1 充电电池组 20只总容量为40AH镍镉柱体高倍率蓄电池 2 充足容量 大于等于90 额定容量 3 放电终止电压20V 4 充电终止电压35V 5 输出电流范围2A 50A 6 输入电源 115V 400Hz 7 功率输出1200W 1600W 8 充电机同时具备充电和放电功能 9 具有极性过热 过流 过压 自动终止充电功能 1 3 本论文的主要工作和目标 本论文是以B737 800型飞机充电器各项指标为基础 完成镍镉电池快速充电器的 设计 的主要工作有 1 研究了镍镉电池充放电工作时的基本物理化学变化 2 通过研究充电机理 找到一种合理而且快速充电方法 即 在充电过程中始终以接近 镍镉蓄电池可接受的充电电流充电 3 设计了用单片机控制 PWM发生器调节DC DC电路中Q管驱动以实现Ni Cd电池快速充 放电的硬件实现电路 4 设计了软件程序中的流程图部分 中国民航大学本科毕业设计 论文 3 5 进行了系统仿真 分析系统运行情况 在深入对大容量Ni Cd电池快速充电过程中物理化学变化研究的基础上 尽量更好 的完成对Ni Cd电池的快速充电 以满足民用飞机应用的要求 符合性能指标 中国民航大学本科毕业设计 论文 4 第 2 章论文涉及的基本理论和技术 2 1 镉镍蓄电池机理叙述 2 1 1 镉镍蓄电池的工作原理以及参数 1 镉镍蓄电池的工作原理 1 镍镉蓄电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物 负极材料为海绵状镉粉和 氧化镉粉 电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液 为了增加蓄电池的容量和循环寿命 通常在电解液中加入少量的氢氧化锂 镍镉蓄电池充电后 正极板上的活性物质变为氢 氧化亚镍 NiOOH 负极板上的活性物质变为金属镉 镍 镉电池放电后 正极板上的活 性物质氢氧化镍 Ni OH 2 负极板上的活性物质变为氢氧化镉 Cd OH 2 放电过程中的电化学反应包括负极反应和正极反应 负极上的镉失去两个电子变成 二价镉离子Cd 2 然后立即与溶液中的两个氢氧根离子OH 结合生成氢氧化镉Cd OH 2 沉积到负极板上 反应式为 Cd 2e 20H Cd OH 2 2 1 正极板上的活性物质是氢氧化亚镍晶体 镍为正三价离子 Ni 3 晶格中每两个镍 离子可从外电路获得负极转移出的两个电子 生成两个二价离子2Ni 2 与此同时 溶液 中每两个水分子电离出两个氢离子进入正极板 与晶格上的两个氧负离子结合 生成两 个氢氧根离子 然后与晶格上原有的两个氢氧根离子一起 与两个二价镍离子生成两个 氢氧化亚镍晶体 反应式为 2NiOOH 2H20 2e 2Ni OH 2 20H 2 2 将式 2 1 和 2 2 相加 即得锡镍蓄电池放电时的总反应式 2NiOOH 2H20 Cd Cd OH 2 2Ni OH 2 2 3 充电过程中 将蓄电池的上 负极分别与充电器的正极和负极相连 电池内部发生 与放电时完全相反的电化学反应 即负极发生还原反应 正极发生氧化反应 充电时负 极板上的氢氧化镉 先电离成镉离子和氢氧根离子 然后镉离子从外电路获得电子 生 成镉原子附着在极板上 而氢氧根离子进入溶液参与正极反应 Cd OH 2 2e Cd 20H 2 4 正极板上的氢氧化亚镍晶格中 两个二价镍离子各失去一个电子生成三价镍离子 中国民航大学本科毕业设计 论文 5 同时 晶格中两个氢氧根离子各释放出一个氢离子 将氧负离子留在晶格上 释出的氢 离子与溶液中的氢氧根离子结合生成水分子 然后 两个三价镍离子与两个氧负离子和 剩下的两个氢氧根离子结合 生成两个氢氧化镍晶体 2Ni OH 2 2e 20H 2Ni00H 2H 20 2 5 将式 2 4 和式 2 5 相加 即得福镍蓄电池充电时的电化学反应 2Ni OH 2 Cd OH 2 2NiOOH Cd 2H20 2 6 蓄电池充电终了时 充电电流将使电池内发生分解水的反应 在正 负极板上将分 别有大量氧气和氢气析出 其电比学反应如下 2H2O 2H2 O2 2 7 从上述电极反应可以看出 氢氧化钠或氢氧化钾并不直接参与反应 只起导电作用 从电池反应来看 充电过程中生成水分子 放电过程中消耗水分子 因此充 放电过程 中电解液浓度变化很小 不能用密度计检测充放电程度 2 主要参数 蓄电池的五个主要参数为 电池的容量 标称电压 内阻 放电终止电压和充电终 止电压 3 电池的容量通常用Ah 安时 表示 lAh就是1A的电流下放电1h 单元电池内活性物 质的数量决定单元电池含有的电荷量 而活性物质的含量则由电池使用的材料和体积决 定 因此 电池体积越大 容量越高 与电池容量相关的一个参数是蓄电池的充电电流 蓄电池的充电电流通常用充电速 率C表示 C为蓄电池的额定容量 电池的内阻决定于极板的电阻和离子流的阻抗 在充放电过程中 极板的电阻是不 变的 但是 离子流的阻抗将随电解液浓度的变化和带电离子的增加而变化 蓄电池充足电时 极板的活性物质己达到饱和状态 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止电压 锡镍电池的充电终止电压为1 75V 1 8V 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止电压后蓄 电池继续放电 电池两端电压会迅速下降 形成深度放电 这样 极板上形的生成物在 正常充电时就不易再恢复 从而影响电池的寿命 镍镉电池使用过程中 如果电量没有全部放完就开始充电 下次再放电时 就不能 中国民航大学本科毕业设计 论文 6 放出全部电量 比如 镍镉电池只放出80 的电量后就开始充电 充足电后 该电池也 只能放出80 的电量 这种现象称为记忆效应 2 1 2 快速充电理论以及蓄电池的极化现象的不利影响 1 蓄电池充电理论基础 上世纪 60 年代中期 美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研 究 并提出了以最低出气率为前提的 蓄电池可接受的充电曲线 如图 2 1 所示 4 实验表明 如果充电电流按这条曲线变化 就可以大大缩短充电时间 并且对电池的容 量和寿命也没有影响 原则上把这条曲线称为最佳充电曲线 从而奠定了快速充电方法 的研究方向 图 2 1 最佳充电曲线 由图 2 1 可以看出 初始充电电流很大 但是衰减很快 主要原因是充电过程中 产生了极化现象 在密封式蓄电池充电过程中 内部产生氧气和氢气 当氧气不能被及 时吸收时 便堆积在正极板 正极板产生氧气 使电池内部压力加大 电池温度上升 同时缩小了正极板的面积 表现为内阻上升 出现所谓的极化现象 蓄电池是可逆的 其放电及充电的化学反应式如下 OHPbSOSOHPbPbO 24422 222 2 8 蓄电池的充电过程和放电过程互为逆反应 可逆过程就是热力学的平衡过程 为保 障电池能够始终维持在平衡状态之下充电 必须尽量使通过电池的电流小一些 理想条 件是外加电压等于电池本身的电动势 但是 实践表明 蓄电池充电时 外加电压必须 增大到一定数值才行 而这个数值又因为电极材料 溶液浓度等各种因素的差别而在不 中国民航大学本科毕业设计 论文 7 同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值 在化学反应中 这种电动势超过热力学平衡值 的现象 就是极化现象 2 产生极化现象有 3 个方面的原因以及危害 1 欧姆极化 2 浓度极化 3 电化学极化 这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重 影响镍镉电池大电流快速充电的 主要因素为极化电压 在充电过程中 除了电化学反应能使蓄电池的端电压升高外 蓄 电池中产生的各种极电压也会使蓄电池端口电压升高 极化电压阻碍蓄电池充电 并且 使蓄电池的内压和温升大大提高 因此极化电压是影响充电速度的一个重要因素 2 1 3 镉镍蓄电池充足电的判断 电池的充电过程通常可分为预充电 快速充电 和涓流充电三个阶段 那么 首先 如何判断电池充电是否充足呢 目前主要有五中判定方法 1 定电压充电法2 恒流时法 3 最高温度法4 温升速率法5 零电压降或负电压降法 最为流行是第五种 本论文就使 用此种方法 在恒电流充电全过程中 充电器不断自动检测电池端电压 当检测到电池的电压不 再升高 或是有所下降时 也就是充电电压变化曲线上 出现水平段或出现下降时 认 为电池正极上活性物质已全部反应完 即电池已经被充足电了 从而终止充电 5 这种 方法的根据是 充足电时电池内有较大热量产生 电压会突然下降 而小电流充电时 即使充足电 电池的端电压也没有明显的突变 而且对于电池组来说 参与组合的单体 电池性能不一致 到达充足的时间不同 电压变化此起彼伏 就不容易测到明显的总电 压变化 若预先把充电停止值设定得太小 则容易受外电路波动的影响而停止充电 使 电池充不足电 若充电停止值设定得太大 电池端电压的降低不能控制充电器充电 容 易给电池过充电 再说这种方法实质上是在测定电池温度变化后电池端电压的变化 所 以也受充电环境温度的影响 2 2 电力电子变换电路工作原理 2 2 1 BUCK 变换电路 BUCK变换电路主要功能是直流降压变换 基本电路图如图2 2所示 电路由开关管 S 二极管D 电感L和电容C组成 完成把直流电压Vs转换成直流电压Vo的功能 6 中国民航大学本科毕业设计 论文 8 图 2 2BUCK 电路原理图 1 假定 1 开关管 二极管均是理想元件 也就是瞬间地 导通 和 截止 而且 导通 时压降为零 截止 时漏电流为零 2 电感 电容是理想元件 电感工作在线性 区而未饱和 寄生电阻为零 电容的等效串联电阻为零 3 输出电压中的纹波电压与 输出电压的比值小到允许忽略 2 工作过程 当开关管S导通时 有电流Is iL 流过电感线圈 在电感线圈未饱和前 电流线性 增长 在负载R上流过电流Io 两端输出电压Vo 极性上正下负 当Is Io时 电容在充 电状态 这时二极管Dl承受反向电压 当开关管S断开时 由于线圈L中的磁场将改变线 圈L两端的电压极性 以保持其电流iL不变 负载R两端电压仍是上正下负 在iL0 当开关管关断时 Is 0 故Is是脉动的 但输出电流Io在L Dl C作用 下却是连续的 平稳的 3 关系式 当电感L足够大 电感电流连续时 设开关管的开关周期为T 导通时间为Tl 则开 关管的导通时间占空比D为 D Ts T1 2 9 则变换器的输出电压与输入电压的关系为 Vo Vs D 2 10 上式表明 输出电压Vo随着占空比D的变化而变化 由于D 1 故Vo Vs 中国民航大学本科毕业设计 论文 9 2 2 2 BOOST 变换电路 BOOST变换电路主要功能是直流升压变换 基本电路图如图2 3所示 电路由开关管 S 二极管D 电感L和电容C组成 完成把直流电压Vs升压到Vo的功能 6 图 2 3BOOST 电路原理图 1 工作过程 当开关管S在导通时 如图2 3电流iL流过电感线圈L 在电感线圈未饱和前 电流 线性增加 电能以磁能形式储在电感线圈中此时 电容C放电 R上流过电流Io R两端为 输出电压Vo 极性上正下负 由于开关管导通 二极管阳极接Vs负极 二极管承受反向 电压 所以电容不能通过开关管放电 当开关管S关断时 由于线圈L中磁场将改变线圈 两端的电压极性 以保持iL不变 这样线圈L磁能转化成的电压VL与电源Vs串联 以高 于Vo电压向电容C 负载R供电 高于Vo时 电容有充电电流 等于Vo时 充电电流为零 当Vo有降低趋势时 电容向负载R放电 维持Vo不变 由于 VL十Vs向负载R供电时 Vo 高于Vs 故称它为升压变压器 工作中输入电流is iL是连续的 但流经二极管却是脉动 的 由于有C的存在 负载R上有稳定 连续的负载电流Io 2 关系式 当电感L足够大 电感电流连续时 设开关管的开关周期为Ts 导通时间为T1 则 开关管的导通时间占空比D为 s T T D 1 2 11 则变换器的输出电压与输入电压的关系为 D V V s o 1 2 12 上式表明 输出电压Vo随着占空比D的变化而变化 由于DVs 中国民航大学本科毕业设计 论文 10 第 3 章航空蓄电池充电器系统硬件设计 本章是论文中最为重要的一个部分 主要完成充电技术的比较 最终确定充电模式 再通过对充电模式的分析确定硬件实现方法 硬件实现包括主电路和控制电路两个部 分 主电路由电源变换器和电流可逆双象限变换器组成 其电路参数设计是本章一个难 点 控制电路是以单片机 80C51 为核心进行的 能实现智能控制 电路还包括电流 PI 电路 PWM 发生器等部分 3 1 蓄电池系统总体设计 在镍镉电池诞生至今的一百多年时间里 镍镉电池性能有了很大的提高 同时充电 技术也日新月异的发展着 至今还在使用的主要有一下几种充电方式 传统的恒流充电 方式 脉冲充电技术和集成芯片充电技术 现在做一个比较 1 传统的恒流充电方式 镍镉电池能接受的充电电流在充电全过程是不一样的 起始能接受较大电流 后期 能接受较小电流 但是传统的恒流充电方式充电全过程以同一个电流充电 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 在充电后期 最终的充 电电流总是高于电池的接受能力 因而蓄电池内的气体析出率不断增加 而且使蓄电池 的温度上升 直到充电接近结束 所有的充电电流全部供给气体析出 以致损坏极板 降低容量 传统充电方式最大特点是容易实现 控制简单 2 脉冲充电技术 7 由第二章知道 影响镍镉电池快速充电的一个主要因素是充电过程中产生的极化电 压 在充电过程中 蓄电池中产生的极化电压会阻碍其本身的充电 并且使出气率和温 升显著升高 因此 极化电压是影响充电速度的重要因素 由此可知 要想实现快速充 电 必须设法消除极化电压对蓄电池充电的影响 从极化电压的形成机理可以推知 极 化电压的大小是紧随充电电流的变化而改变的 当停止充电时 电阻极化消失 浓差极 化和电化学极化亦逐渐减弱 而如果为蓄电池提供一条放电通道让其反向放电 则浓差 极化和电化学极化将迅速消失 同时蓄电池内温度也因放电而降低 因此 在蓄电池充 电过程中 适时地暂停充电 并且适当地加入放电脉冲 就可迅速而有效地消除各种极 化电压 从而提高充电速度 目前 大家比较认同的快速充电方法是脉冲充电 脉冲放 电去极化方法 中国民航大学本科毕业设计 论文 11 在电池充电过程中为其提供一条放电通道让其反向放电 则极化现象将迅速消失 电池内部温度也会因放电而得到有效控制 充电副反应也将不复存在 电池就可接受较 大充电电流 充电速度大大加快 充电容量也将大大提高 这就是脉冲充电方式的原始 理论依据 试验也证明 在对蓄电池充电的过程中适当暂停充电 并加入适当的放电脉 冲 就可以迅速有效地消除各种极化电压 从而提高充电速度 此技术要求控制相当精确充电脉冲 放电脉冲以及停止充电时间 不容易很好实现 3 集成芯片充电技术 4 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 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 保持蓄电池几乎在无气体析出的状态下 充电 从而保护蓄电池 该方法适用于对各种状态 类型的蓄电池充电 安全 可靠 省时和节能 此技术要求控制相当准确 根据这一思想近年来许多集成电路生产厂家都推出了充电器专用集成电路 如 MAXIM公司的MAX712 713 UNITRODE公司的UCC3905 BENCHMARQ公司的BQ2002 2003 美 国ICS公司的ICS1700等 这些充电器芯片均具有较好的快速充电性能 从而也就出现了一种叫集成芯片充电技术 此技术要求对电池各个性能指标作分析 研究后选择相应芯片为首要任务 但是调查研究充电器控制芯片后发现 这些芯片均不 能满足民用航空对大容量镍锡电池组快速充电的要求 一般都应用于小容量电池 综合比较以上方安和考虑到自己具备的能力 提出一种通过智能控制 分段恒流快 速充电方法 即 单片机为主要控制机构 自动控制充放电和保护动作 以提高充电效 率为目的 采用分段恒流充电 即事先把按时段设定的充电电流值 大小为电池各时段 能接受的最大电流 以软程序方式写入单片机 充电时按设定电流大小控制 3 1 1 蓄电池充电器主电路结构设计 该充电器应具备充电和放电两种功能 兼顾地勤保障惯例 为电池充电时先自动恒 流放电 然后恒流充电 该充电器的输出电流最大为50 A 充电器的输入为三相交流电 需要作整流变换 传统的开关型高频可逆整流电路有两种方案 1 由二个全桥或半桥变换器构成 可实现高频隔离 但电路结构复杂 2 采用三相或 中国民航大学本科毕业设计 论文 12 单相SPWM整流器 电路较简单 但不能实现高频隔离 不能单相输入 三相输入通 用 8 如图3 2所示为本文提出的充电器的功率电路结构图 由电源变换器和电流可 逆双象限变换器两部分组成 根据不同的要求 控制3个开关管Q1 Q2 Q3的开通 和关断 可使变换器工作于充电和放电两种工作方式 电源变换器如图3 1中实线框所示 采用半桥电路 结构简单 功率管为场效应管 在充电时输入接触器Ki闭合 交流电整流后再经半桥逆变 高频隔离和整流 转换为直 流电供给后级电路 放电时Ki断开 电源变换器不工作 图3 1充电器主电路结构图 Q管驱动没有画出 图3 1中实线框以外为电流可逆双象限变换器 充电时 Q1 Q3断开 电源变换器 输出的直流电由降压斩波器调整为恒定电流给电池充电 见等效图3 2所示 图3 2充电工作示意图 BUCK 图3 3为放电等效工作示意图放电时 Q1闭合 Q2断开 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 中国民航大学本科毕业设计 论文 13 图3 3放电工作示意图 BOOST 另外设一个输出开关Ko用于输出控制 可以起到以下作用 只有Co上电压高于一定值时Ko才导通 当电池接入时 经Ro充电 可防止电池的瞬 时短路和接线时的拉弧现象 起电池保护作用 充 放电器故障时 Ko断开 功率电路上设两个电流检测点和3个电压检测点 CT1于输入过流保护 CT2用于电 流控制和充放电过流保护 VT1于输入过欠压保护 VT2于输出过欠压保护 VT3于电池 短路 开路和反接保护 3 1 2 蓄电池充电器控制电路结构设计 充电器的控制电路主要由充放电电流控制和保护控制两部分构成 其核心是微处理 器芯片 其关键是如何实现分时的恒电流控制 即单闭环电流控制 智能型单片机芯片 给定电流值 给定电流与反馈电流比较后经过PI调节电路 再送到PWM发生器 产生所 需要脉冲信号 最后送到主电路中的Q管驱动上 同时主电路充电电流反馈到PI电路中 从而实现控制 当变换器的工作方式不同时 其控制也相应变化 控制电路框图如图3 4所示 以上的几个模块也就是设计的重点了 中国民航大学本科毕业设计 论文 14 80C51 单片机 调 节 器 电 路 电流给定 显示报警 蓄 电 池 主 电 路 PWM 发 生 器 BUCK BOOST 电路 Q管 驱动 电流反馈电压 D A I O A D A D 蓄电池电压 充放电模式判定依据 各类I U信号 保护取样 图3 4充电器控制电路框图 1 微处理器选用 80C51 单片机 9 80C51 是 Intel 公司 MCS 51 系列单片机中最基本的产品 它采用 Intel 公司可靠 的 CHMOS 工艺技术制造的高性能 8 位单片机 属于标准的 MCS 51 的 HCMOS 产品 它结 合了 HMOS 的高速和高密度技术及 CHMOS 的低功耗特征 它继承和扩展了 MCS 48 单片机 的体系结构和指令系统 80C51 内置中央处理单元 128 字节内部数据存储器 RAM 32 个双向输入 输出 I O 口 2 个 16 位定时 计数器和 5 个两级中断结构 一个全双工串行通信口 片内时钟振 荡电路 80C51 单片机主要功能组成 80C51 单片机是在一块芯片中集成了 CPU RAM ROM 定时器 计数器和多种功能的 I O 线等一台计算机所需要的基本功能部件 80C51 单片机内包含下列几个功能部件 一个 8 位 CPU 一个片内振荡器及时钟电路 最高时钟频率 12MHz 4K 字节 ROM 程序存储器 128 字节 RAM 数据存储器 两个 16 位定时器 计数器 可寻址 64K 外部数据存储器和 64K 外部程序存储器空间的控制电路 32 条可编程的 I O 线 四个 8 位并行 I O 端口 中国民航大学本科毕业设计 论文 15 一个可编程全双工串行口 具有五个中断源 两个优先级嵌套中断结构 振荡器及 定时电路 80c51CPU 4K 字节 ROM 128 字节 RAM 2 个 16 位定时 器 计数器 64K 总线扩 展控制 可编程 I O 可编程 串行口 频率基准源 计数器 中断 控制并行 I O 口 串行 输入 串行 输出 图3 5 80C51单片机框图 8051 单片机框图如图 3 5 所示 各功能部件由内部总线联接在一起 引脚排列图如 图 3 6 所示 图3 6 80C51引脚排列图 由于 80C51 内部没有集成 A D 与 D A 转换器 所以在数据采样和单片机输出时要 经过外部 A D 与 D A 转换器 目前的D A A D 转换器芯片品种很多 按其能否直接与主机相连而分为两类 一 类是本身不带输入数据寄存器的转换器 如DAC0800 AD7520 AD7521等 这类转换器 结构简单 价格便宜 但是与主机接口时必须增设外部数据锁存器 以便使输入的数据 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST VPD 9 RXD P3 0 10 TXD P3 1 11 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA VPP 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VCC 40 8031 8051 8751 中国民航大学本科毕业设计 论文 16 能保持一定的时间 另外一类则在转换器内部集成有输入数据锁存器 片选信号 写信 号等电路 如DAC0832 AD7524等 它们可以直接与主机相连接 以这类转换器与MCS 51系列芯片机相配置 硬件接口简单 使用方便 本论文选用第二类转换器芯片 便于 实现 D A转换器 选用 DAC1020 A D转换器 选用AD574 2 PI调节器电路 选用含给定滤波和反馈滤波的标准PI型电流调节器电路 其PI参数便于设计 功能 实现方便 具体设计见3 3 3 PWM发生器选用SG1525芯片 10 SG1525是美国通用公司的第二代产品 是在SG3524的基础上增加了振荡器外同步 死区调节 PWM锁存器以及输出级的最佳设计等 其内部结构框图如图3 7所示 电路 由基准电源 振荡器 误差放大器 PWM比较器与锁存器 分相器 欠电压锁定 输出 级 软启动以及关断电路等组成 基准电压源 基准电压源是一个典型的三端稳压器 精度可达5 1V 1 采用了温度 补偿 作为内部电路的供电电源 并可向外输出40mA电流 本身设有过电流保护电路 图 3 7SG1525 芯片内部结构框图 中国民航大学本科毕业设计 论文 17 振荡器 振荡器由一个双门限比较器 一个恒流源及电容充电放电电路组成 在芯 片外部由 脚对地接电容器Ct由 脚对地接电阻Rt 脚之间外接电阻RD 这样 在 电容器Ct上产生一个锯齿波电压 锯齿波的峰点及谷点电平分别为Vh 3 3V和VL 0 9V 内部一恒流源使电容Ct充电 对应这锯齿波的上升边 充电时间为t1 t1的长短决定于 外接电路的时间常数RtCt 锯齿波的下降边对应着电容器Ct放电过程 放电时间为t2 t2 的大小决定于外电路参数RDCt 锯齿波频率可按下式计算 3 167 0 11 21DTT RRGtt f 3 1 由于比较器的门限电平 VH VL 由基准电压分压取得 而且Ct 的充电恒流源对电 压及温度变化的稳定性较好 所以 当电源电压Vcc在8 35V范围变化时 锯齿波的频率 稳定度达1 当温度在 55 125 0C范围变化时 其频率稳定度为3 振荡器在 脚输出一对应锯齿波下降沿的时钟信号 时钟信号宽度等于t2 故调节 RD 就调节了时钟信号宽度 该控制器通过调节RD来调节死区大小 RD越大死区越宽 振荡器还设有外同步输入端 脚 在该脚加直流或高于振荡器频率的脉冲信号 可实现 对振荡器的外同步 误差放大器 误差放大器是一个双级差分放大器 直流开环增益为70dB左右 根据 后面的逻辑要求 反馈电压Vf接至反相输入端 脚 基准电压接至同相输入端 脚 根 据系统的动 静态特性要求 在误差放大器输出端 脚与反相输入端 脚之间外加适当 的反馈网络 PWM比较器及锁存器误差放大器的输出信号加至PWM 比较器的反相端 振荡器输出 的锯齿波加至同相端 比较器输出一负的PWM脉冲信号 该脉冲信号经锁存器 以保证 锯齿波的一个周期内只输出一个PWM脉冲信号 PWM比较器的输入端还设有软启动功能及关闭PWM信号的功能 只需在 脚至地接一 个电容 一般为几微法 就能实现软启动功能 过电压 过电流及其他故障信号可加至 脚 当出现过电压 过电流及其他故障关闭PWM信号 分相器 分相器由一个T触发器组成 其触发信号为振荡器的时钟信号 所以 对应 每个锯齿波下降边触发器被触发翻转一次 分相器输出频率为锯齿波频率的一半的方波 信号 送至输出级的两组门电路输入端 以实现PWM脉冲的分相 中国民航大学本科毕业设计 论文 18 SG1525芯片的各点工作波形如图3 8所示 山误差放大器输出的电压K与锯齿波的交 点可得一负的PWM信号 由PWM信号 时钟信号及分相器输出的Q 或Q逆 信号 根据或 非门的逻辑可得两个或非门的输出信号Va和Vb 由波形图可以看出 PWM比较器的反相 输入端电平越高 输出脉冲VA和V的占空比越大 反之就越小 根据这一规律来实现该控 制器的调压 软启动及保护等功能 图 3 8SG1525 芯片的各点波形 另外 可通过改变外接电阻RD的大小 使时钟脉冲宽度变化来实现死区大小的调节 由于输出信号Va Vb 的前沿决定于时钟脉冲的后沿 而Va Vb 的后沿决定于PWM脉冲 的前沿 这样在时钟脉宽区间 Va Vb 0 即为死区 所以改变RD就改变了死区的大小 欠电压锁定 电路工作时 控制器的电源电压VCC1 降到正常工作的最低电压8V以下 时 电路各部分工作就会异常 输出级输出异常的PWM控制信号 将损坏主电路的功率 管 故此时应能自动切断控制信号 在控制器中 当VCC1 min 2 1 max o I DDT o U 3 5 取开关管Q3的开关频率为f 40KHz 则周期T 2 5x1O 5S 当D 0 5时 L取最大 为 L0 min 2 1 max o I DDT o U 122 5 01 5 0 5 105 2120 31 2uH 2 充电工作时 电路图如图3 8所示 Q1和Q3均处于关断状态 Q2工作在PWM开关状态 变换器的输入电压按接近放电最高输出电压选取 这样可以充分利用各器件 使系统参 数最优 主要考虑滤波电容 滤波电感和功率管的参数设计 图 3 8 充电工作示意图 充电器的最高输出电压为35V 取最大占空比Dmax 0 8 则由降压变换器输入输出关 系 Uo D Us 得 Us D Uo 8 0 35 43 75V 考虑电路压降 取认Us 45V 由最低充电电压为20V 计算出最小占空比 最小占 空比D min 0 45那么按照最小充电电流时电感电流连续计算电感 根据系统技术指标要求 Iomin 2A 则 当 D 0 5 时 L 最大 L0 min 2 1 o I DDT s U 22 5 01 5 0 5 105 245 70 3uH 考虑充放电两种工作状况 L取较大值 既Lo 70uH根据最大电流 Iomax 50A Q2 选取 100A 250V 的 MOSFET 中国民航大学本科毕业设计 论文 22 输出电容的选取 文献 11 给出了输出电容有 C UfL DD s U 2 8 1 3 6 取 U 0 5V 得到 C UfL DD s U 2 8 1 5 0 2 3 1040 6 10708 5 01 5 045 25 1uF 本电路中取为25uF 50V高频电解电容 综合充放电工况 电路中 Lo 按 70uH 50A 设计 3 2 2电源变换电路参数设计 电源变换器主要考虑变压器 功率管 输入电容 整流二极管 滤波电感及输出电 容的设计 电源变换器的输出电压即为电流可逆变换器的输入电压 电源变换器的开关 管采用固定频率和固定占空比的开关方式 为减少损耗 变换器开关频率取为 40KHz 占空比选取为 0 45 左右 图3 9电源变换器原理电路图 电路如图3 9所示 输入电压Vo是由机上三相电压115V 400Hz经由二极管 构成的三相整流电路变换得到 因此 Vin U335 1 1 35x3x115 270V 由电源变换器输入电压和输出电压之间的关系式 Vs n DVin 可得变压器变比n为 中国民航大学本科毕业设计 论文 23 n s in V DV 45 0 45270 2 7 取n 2 5 则开关管工作的站空比约为D 0 42 滤波电感L1 L1 min 2 1 o I DDT o U H 3 70 22 5 05 0 5 105 245 输出滤波电容C3 输出滤波电容一般按照输出电压纹波要求来计算 参考文 献 11 给出了输出电压纹波的关系式如下 nLC DD s T in U s U 8 1 2 则滤波电容为 Ln s U DD s T in U C 8 1 2 取V s U o U45 0 1 Ln s U DD s T in U C 8 1 2 F 65 5 2 6 103 7045 08 58 042 0 2 5 105 2 270 取 电感为 80uH 50A 电容为 80uF 50V 高频电解电容 变压器 根据输入电压 输出电压 副变电流峰值算出变压器两侧的电压 电流值 从而确定变压器参数 通过计算选取C N 84超微晶铁芯 原边绕组匝数取为54匝 副边 绕组匝数取为18匝 原副边导线均采用1 25mmX 5mm扁铜线 功率管 根据功率管峰值电流和最大反压 选用36A 300V场效应晶体管 3 3 系统电流控制电路 PI 参数设计 控制电路设计的目标是使系统在各种工况下均能稳定工作 并且达到要求的动态性 能 因此控制电路的核心是电流反馈控制系统的设计 控制环路原理图和框图可见图5 3和图5 4 可以看出控制回路设计也就是设计PI电流调节器的两个参数 使用Matlab 仿真软件调试得到较为理想的输出控制和合格的波特图 最终确定PI参数 中国民航大学本科毕业设计 论文 24 由仿真得到PI参数为 p K 2 5 i 1 0 10 3 标准含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器原理图如图3 10所示 12 图3 10电流调节器原理图 其中 Ui为电流给定电压 K Id为电流反馈电压 由运放电路原理 可以容易推出 o i i R R K 2 iii CRT 根据仿真结果取值 Ro 20 Ri 100 Ci 10uF 本电路中取为 Ro为 一只20 100W 电阻并联 Ri为 一只100 200W电阻 Ci为 10uF 50V高频电解电容 3 4 系统故障检测及保护电路参数设计 3 4 1软启动电路 软启动电路包括两部分 一部分是电源变换电路防浪涌电流的软启动电路 另一部 分是充电电路的建压软启动 电源变换电路的输入采用电容滤波型整流电路 在进线电源合闸瞬间 由于电容器 上的初始电压为零 电容器充电瞬间会形成很大的浪涌电流 在电源接通瞬间如此大的 浪涌电流 重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏 整流桥过流损坏 轻者也会使空气开关合不上闸 这些均会造成充电器无法正常工作 为此应设置防浪涌 电流的软启动电路 以保证电源正常而可靠运行 图3 11是采用晶闸管V和限流电阻R组 成的防浪涌电流电路 在电源接通的瞬间 输入电压经整流桥 D1 D6 和限流电阻R对电 中国民航大学本科毕业设计 论文 25 容器充电 限制浪涌电流 经过555固定延时后 触发晶闸管V 完成防浪涌启动过程 当电容器C充电到约80 额定电压时 逆变器正常工作 图3 11防浪涌软启动电路 设计系统参数 取R 24K C 470uF 电容充电过程中 充电电压为 Uc E RC t e 3 7 其中 E 1 35 3 115 270V 延时时间 t 的计算 RCt Ln Uc E 设电容充电电压达80 E后 可控硅接通 则t 2 5S 设计555延时电路参数R1和C1 使 延时时间为达2 5S 取R1 12K C1 220uF 则延时时间t 2 4S 充电电路的建压软启动电路的作用是控制DC DC变换电路的占空比 使其由零逐渐 增加 这样输出电压将会逐渐增加 防止输出电压过高 造成对负载的冲击口电路的设 计思想是利用SG1525芯片的软启动功能 在芯片的8脚致地接一个电容 一般为几微法 就能实现软启动功能 3 4 2 过压 欠压保护电路 进线电源过压及欠压对充电器造成的危害 主要表现在器件因承受的电压及电流应 力超出正常使用的范围而损坏 同时因电气性能指标被破坏而不能满足要求 因此对输 入电源的上限和下限要有所限制 为此采用过压 欠压保护以提高电源的可靠性和安全 性 输出直流电压应设置过压保护电路 中国民航大学本科毕业设计 论文 26 图3 12是仅用一个4比较器LM339及几个分立元件构成的电压保护电路 三相进线电 压115V 400Hz经半波整流 分压及滤波后送入比较电路 充电器输入电压R6和R7分压后 送入R8和C2构成的低通滤波器滤波 R7电阻的选择 由于HP7840最大只允许士200mV的输 入 即测量电阻上最大电压为200mV 绝对值 因此 需要对直流环电压进行分压 经 计算 R7选为50 R6为10k 电容C3 C4起滤波作用 A2与电阻R9 R10 R 11 R12构 成一个差分放大器 增益为2 5 HP7840的增益为规定的8倍 放大电路的放大倍数为2 5倍 总的放大倍数为20倍 当输入为满量程时 200毫伏 输出为4伏 比较电路共用 一个基准电压 A1 1A为进线电源过压比较器 A1 2A为仅限电源欠压比较器 调整Rp1 可以调节过 欠压的动作阀值 A1 3A