【正文】 明家愛迪生，使用以下反應：Li+MnO2=LiMnO2該反應為氧化還原反應，放電。由于鋰金屬的化學特性非?；顫?，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環(huán)境要求非常高，所以鋰電池長期沒有得到應用?，F(xiàn)在鋰電池已經(jīng)成為了主流。隨著數(shù)碼產(chǎn)品如手機、筆記本電腦等產(chǎn)品的廣泛使用，鋰離子電池以優(yōu)異的性能在這類產(chǎn)品中得到廣泛應用，并在近年逐步向其他產(chǎn)品應用領(lǐng)域發(fā)展。1998年，天津電源研究所開始商業(yè)化生產(chǎn)鋰離子電池。習慣上人們把鋰離子電池也稱為鋰電池，現(xiàn)在鋰離子電池已經(jīng)成為了主流。鋰離子電池主要優(yōu)點表現(xiàn)在：(1)比能量高。具有高儲存能量密度，目前已達到460600Wh/kg，是鉛酸電池的約67倍；(2)使用壽命長，使用壽命可達到6年以上，磷酸亞鐵鋰為正極的電池用1CDOD充放，有可以使用10,000次的記錄；(3)額定電壓高（），約等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓，便于組成電池電源組；(4)具備高功率承受力，其中電動汽車用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可以達到1530C充放電的能力，便于高強度的啟動加速；(5)自放電率很低，這是該電池最突出的優(yōu)越性之一；(6)重量輕，相同體積下重量約為鉛酸產(chǎn)品的1/5；(7)高低溫適應型強，可以在20℃60℃的環(huán)境下使用，經(jīng)過工藝上的處理，可以在45℃環(huán)境下使用；(8)綠色環(huán)保，不論生產(chǎn)、使用和報廢，都不含有、也不產(chǎn)生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質(zhì)；(9)生產(chǎn)基本不消耗水，對缺水的我國來說，十分有利[1]。鋰電池的缺點：(1)鋰原電池均存在安全性差，有發(fā)生爆炸的危險；(2)鈷酸鋰的鋰離子電池不能大電流放電，安全性較差；(3)鋰離子電池均需保護線路，防止電池被過充過放電；(5)生產(chǎn)要求條件高，成本高。鋰電池廣泛應用于水力、火力、風力和太陽能電站等儲能電源系統(tǒng)，郵電通訊的不間斷電源，以及電動工具、電動自行車、電動摩托車、電動汽車、軍事裝備、航空航天等多個領(lǐng)域。隨著能源的緊缺和世界的環(huán)保方面的壓力，鋰電現(xiàn)在被廣泛應用于電動車行業(yè)，特別是磷酸鐵鋰材料電池的出現(xiàn)，更推動了鋰電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應用。 鋰電池充電原理所謂鋰離子電池是指分別用二個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構(gòu)成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負極之間的轉(zhuǎn)移來完成電池充放電工作的獨特機理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電池”，俗稱“鋰電”。鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖11所示：圖11鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。電池充滿時的電壓（稱為終止充電電壓）；。，則稱為過放電，對電池有損害。鋰電池充電原理圖：圖12鋰電池充電原理圖其中：Iconst：恒流充電電流；Ipre：預充電電流；Ifull：充滿判斷電流；Vconst：恒壓充電電壓；Vmin：預充結(jié)束電壓及短路判斷電壓鋰離子電池比較驕貴。如果不滿足其充電及使用要求，很容易出現(xiàn)爆炸，壽命下降的現(xiàn)象。因為鋰離子電池對溫度、過壓過流及過放電很敏感，所以所有的電池內(nèi)部均集成了熱敏電阻（監(jiān)控充電溫度）及防過壓過流過放電保護電路。圖一為標準鋰離子電池充電原理曲線，鋰離子電池的充電過程分三個階段：預充電階段；恒流充電階段；恒壓充電階段。預充電階段是在電池電壓低于3V時，電池不能承受大電流的充電。這時有必要以小電流對電池進行浮充；當電池電壓達到3V時，電池可以承受大電流的充電了。這時應以恒定的大電流充電。以使鋰離子快速均勻轉(zhuǎn)移，這個電流值越大，對電池的充滿及壽命越有利；，達到了電池承受電壓的極限。這時充電電流逐漸降低。當充電電流小于30mA時，電池即充滿了。這時要停止充電。否則，電池因過充而降低壽命。恒壓充電階段要求電壓控制精度為1%，~[2]。 蓄電池充電標準目前電動汽車主要采取兩種充電方式，接觸式充電和感應式充電，對于這兩種充電方式美國工業(yè)協(xié)會制定了相應的標準，分別為SAEJ1772和SAEJ1773來規(guī)范充電系統(tǒng)制造商。圖13感應充電系統(tǒng)接觸式充電及傳統(tǒng)的插頭式充電方式，這種方式明顯的缺點是導體裸露在外面，存在安全問題。然而感應耦合充電方式就避免了導體裸露在外面的缺點，經(jīng)過高頻變壓器組，通過感應耦合，無接觸傳遞能量。圖13給出了電動汽車感應耦合充電系統(tǒng)的簡圖。圖中輸入電網(wǎng)交流電經(jīng)過整流后，通過高頻逆變，通過感應耦合器傳輸能量，傳到電動汽車輸入端，在經(jīng)過整流環(huán)節(jié)給電動汽車用電池充電[3]。感應耦合充電方式的優(yōu)點在于在輸入輸出之間加入了隔離，提高了系統(tǒng)的安全性并可提高系統(tǒng)的效率且可設計成全自動無人看守的智能充電系統(tǒng)。 論文的主要研究工作本課題是針對電動汽車用鋰電池充電器而進行的研究，設計中采用的充電方式為先恒流再恒壓的兩段式充電方式。主電路采用了適用于傳輸大功率的全橋變換器，對應于主電路設計了雙閉環(huán)的控制電路以實現(xiàn)恒流恒壓充電方式。其具體參數(shù)如下：充電對象：100塊鋰電池串聯(lián)，額定容量100AH，輸入：AC380V輸出：DC380V電壓紋波：恒流值：30A電流紋波：電路拓撲：全橋變換電源功率：論文主要工作：1） 主電路設計以及參數(shù)計算。2） 充電器控制電路包括檢測電路、電壓電流雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器、PWM波發(fā)生電路的設計。3） 仿真實驗驗證、實驗結(jié)果分析。第2章 充電器主電路設計 主電路拓撲選擇對于本設計中的充電器，由于其輸出功率較大且輸出電壓較高為380V，考慮用電安全，應選用帶隔離的功率變換器，在實際中用于大功率場合的拓撲主要有以下幾種：圖21推挽式開關(guān)電源回路圖22半橋式開關(guān)電源回路圖23全橋式開關(guān)電源回路如上圖所示，實際中常用的帶隔離的變換器主要有以上三種。圖21與圖22瑣事的推挽式與半橋式變換器所用開關(guān)管的數(shù)量為全橋變換器的一半，而在實際中由于在功率開關(guān)管電壓和電流額定相同時，變換器的輸出功率通常與所用開關(guān)管的數(shù)量成正比，故全橋變換器的輸出功率大，所以在中大功率場合下，眾多DC/DC變換器拓撲中，應首選全橋變換器。全橋變換器由四個功率開關(guān)管構(gòu)成，主變壓器只需要一個原邊繞組，通過正、反向電壓得到正反向磁通，變壓器貼心和繞組得到最佳利用，使用效率和功率密度得到提高。全橋變換器所需功率開關(guān)器件的電壓、電流額定值較小，功率變壓器效率較高。因此在本次設計中選用全橋變換器為功率變換器的主電路。在本設計中三相電經(jīng)整流橋所產(chǎn)生的電壓輸入至全橋變換器，全橋變換器通過直交直變換完成對輸入電壓的變換。高頻變壓器實現(xiàn)對逆變橋的交流輸出的變壓隔離，隨后全波整流電路將變壓器二次側(cè)的交流電蒸餾為直流電再經(jīng)LC濾波后產(chǎn)生充電電源。當負載電流連續(xù)時，其輸出電壓與輸入電壓之比為： (21)在設計中應取適當?shù)淖儔浩髟边呍驯纫允沟迷谝欢ㄕ伎毡认拗葡碌玫剿璧妮敵鲭妷篬4]。 主電路參數(shù)計算在本設計中，全橋變換器工作于電流連續(xù)狀態(tài)，綜合考慮開關(guān)損耗及電感體積，開關(guān)管工作頻率設定為20KHz，及周期為50us死區(qū)設定為5us。 輸入整流濾波電路計算圖24主電路輸入濾波電容Cin的選擇是比較關(guān)鍵的，（1）Cin如果太小，直流電壓Vin的脈動就會比較大，為了得到所要求的輸出電壓，需要過大的占空比調(diào)節(jié)范圍和過高的控制閉環(huán)增益。同時，直流電壓Vin的最小值Vinmin也會比較小，要求高頻變壓器的原副邊匝比變小，導致開關(guān)管的電流增大，輸出整流二極管的反向電壓增大。（2）Cin如果太大，其充電電流脈沖寬度變窄，幅值增高，導致輸入功率因數(shù)降低，EMI增加，過高的輸入電流使得輸入整流管和濾波電容的損耗增加。同時電容過大成本也會增加[5]。選用以下經(jīng)驗算法來計算Cin的容量，已知輸入交流電壓的變換范圍為。頻率為50Hz，步驟如下：(1)即，（2）即（3）整流濾波后直流電壓的最大脈動值： (22)（4）整流濾波后直流電壓：即 (23) (5)為了保證直流電壓最小值符合要求每個周期中Cin所提供的能量Win約為：，為輸入功率（）（6）沒半個周期輸入濾波電容所提供的能量為[6]： (24)因此輸入濾波電容容量為： (25) 高頻變壓器設計全橋變換器的電壓增益為： (26)上式是不考慮開關(guān)管壓降，副邊整流二極管壓降，輸出電感壓降等，得出的公式。實際工程中，必須考慮。另外，為了提高高頻變壓器的利用率，減小開關(guān)管的電流，降低輸出整流二極管的反向電壓，從而減小損耗和降低成本，高頻變壓器原副邊變比應盡可能取的大一些。同時為了在輸入電壓范圍內(nèi)能夠輸出所要求的電壓，變壓器的變比應按輸入電壓最低是來選擇。，則可計算變壓器副邊最低電壓： (27)：按功率等級鐵芯材料選非晶納米合金，型號由面積乘積法選取 (28)式中AP為鐵心面積乘積，即磁芯窗口面積與磁芯有效截面積的乘積。為變壓器視在功率，即。在這里，（）為窗口面積使用系數(shù)。為波形系數(shù)，為開關(guān)工作頻率，這里=20KHz為工作磁通密度，對于鐵基非晶合金，取=，取為323，X=[7]。變壓器匝數(shù)由下式確定： (29)取25匝。副邊繞組匝數(shù)： (210)實際中取為28匝。由以上公式可以看出：假設輸入電壓和一定，提高工作磁密和開關(guān)頻率，可以使體積重量顯著減小，但值的增加受到材料限制。低的鐵芯損耗可以減低溫度，溫升反過來又影響使用頻率和工作密度的選取。一般來說，開關(guān)電源對材料的主要要求是：盡量低的高頻損耗、足夠高的飽和磁密、高的磁導率、足夠高的居里溫度和好的溫度穩(wěn)定性。 IGBT的選擇由前面的討論得知變換器原邊電壓最大值考慮到2倍左右的裕量，可以選擇耐壓值為1200V的IGBT模塊。原邊電流的平均值,原邊電流的峰值最高可能達到64A，考慮到裕量，選取耐壓值為1200V，最大工作電流為100A[8]。 輸出高頻電感的設計在工程設計中，一般選擇輸出濾波電感電流的脈動為最大輸出電流的10%30%之間，取脈動為最大輸出電流的10%，此電源最大輸出電流為30A，所以。輸出濾波電感可按下式計算： (211)其中，為電感兩端電壓的最大值，為開關(guān)管在半個周期內(nèi)的導通時間，為最大輸出電流脈動。 (212) (213)將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入到(212)式，可求得。工程上一般取計算值得2倍，實際使用中的為1200的高頻電感，技術(shù)指標為電感量L=1200，頻率為，額定電流。 輸出濾波電容的設計為了保持輸出電壓恒定需要在輸出加入濾波電容，設計輸出電容主要是限制輸出電壓紋波在一定范圍之內(nèi)。輸出濾波電容的計算表達式為： (214)其中，為輸出電感的工作頻率，即為原邊開關(guān)管開關(guān)頻率