【文章內(nèi)容簡介】 原理圖 在脈沖快速充電過程中，電池電壓上升較快，當(dāng)電壓上升至補足充電電壓閾值時，轉(zhuǎn)入補足充電階段。 補足充電 2020 屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 快速充電終止后，電池并不一定充足電，為了保證電池充入 100％的電量，對電池還要進行補足充電。此階段充電采用恒壓充電，可使電池容量快速恢復(fù)。此時充電電流逐漸減小，當(dāng)電 流下降至某一閾值時，轉(zhuǎn)入浮充階段。 浮充電 此階段主要用來補充蓄電池自放電所消耗的能量，只要電池接在充電器上并且充電器接通電源，充電器就會給電池不斷補充電荷，這樣可使電池總處于充足電狀態(tài)。此時也標(biāo)志著充電過程已結(jié)束。 第三章 設(shè)計方案論證 控制方式 單片機的控制方式 根據(jù)鉛蓄電池脈沖魁岸素充電理論，可利用單片機的輸出脈沖控制半橋式變換器的兩個開關(guān)管 V V2的通斷。單片機通過各種檢測電路在充電過程中對鉛蓄電池進行檢測并做出相應(yīng)的控制處理。 鉛蓄電池的充電溫度可以通過溫度傳感器 測量，將測出的電壓量送至單片機的輸入口，充電電壓有兩個分壓電阻檢測。單片機通過檢測的蓄電池的充電溫度、充電電流、充電電壓等，再經(jīng)軟件處理計算后控制主電路處于不同的充電狀態(tài)：預(yù)充電、脈沖快速充電、補足充電和浮充電。 總體控制方案如 11 圖所示。 單片機輸出脈沖Q1電壓檢測溫度檢測輸出脈沖Q2驅(qū)動驅(qū)動驅(qū)動充滿指示充電指示電源指示 圖 11 單片機總體控制方案 脈沖調(diào)制控制器 SG2535 的控制方式 通過對電壓、溫度的檢測控制脈沖調(diào)制控制器 SG2535 的輸出脈沖寬度，以實現(xiàn)不同階段的充電、暫停和終止充電。本方案由脈沖調(diào)制控制器 SG2535 輸出的脈沖控制開關(guān)管 V V2 的柵極，以達到控制充電狀態(tài)的目的。 方案設(shè)計 基于鉛蓄電池的充電理論，充電器主電路采用半橋變換器高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源。而控制電路通過單片機控制。電網(wǎng)點先經(jīng)過各種保護環(huán)節(jié)，在通過 EMI 濾波器除去共模信號。橋式整流后，通過兩電容分壓，分壓后與兩開關(guān)管 V V2 相聯(lián)。組成半橋式功率變換器，將正弦交流電壓變換成約高于充電電壓的脈沖電壓。在經(jīng)過半橋濾波和 LC 濾波電路使電壓達到一較穩(wěn)定值。 控制電路由單片機 AT89S51 組成，電源由電網(wǎng)交流電經(jīng)過變壓器變壓、全橋整流、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后提 供。單片機通過檢測溫度傳感器的電壓信號，以軟件的方式控制輸出脈沖，從而控制開關(guān)管的通斷。另外，通過檢測充電電壓和電流值，控制單片機輸出脈沖寬度，以進入不同的充電階段。 2020 屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 第四章 硬件電路設(shè)計 充電器主電路設(shè)計 整流電路設(shè)計 a) 橋式整流 由于單相半波整流只利用了電源電壓的半個周期，同時整流電壓的脈動較大。為了克服這些缺點，這里采用全波整流電路 —— 單相橋式整流電路。單相橋式整流電路由 4 個整流二極管接成電橋的形式構(gòu)成，如圖 12 所示。 432 ππππOwtUd 圖 12 橋式整流電路 由電路圖可知，無論電壓 U2 是在正半周還是負(fù)半周，負(fù)載上都有相同方式的電流流過。因此，在負(fù)載得到的是單相脈動電壓和電流。忽略二極管導(dǎo)通時的正向壓降，則單相橋式整流電路的波形圖如下。 432 ππππOwtUd 圖 13 橋式整流電路的輸出波形 單相半波整流電壓的平均值為： 222)(s in21 0UUttdU d??? ?????? 二極管截止時承受的最高反向電壓為 U的最大值，即 UDRM =U2M = = 220V =308V 因此，所選用的整流二極管的最高工作電壓為 1000V。 b) 電容濾波電路 2020 屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 電容濾波電路是在整流電路的直流輸出側(cè)與負(fù)載并聯(lián)電容器，利用電容的端電壓在電路狀態(tài)改變時不能突變的原理，使輸出電壓趨于平滑。電容濾波電路如下所示。 CU3U2+ 圖 14 電容濾波電路 本電路的輸出電壓在負(fù)載變化時波動大，說明它的帶負(fù)載能力差，只適合于負(fù)載較輕且變化不大的場合。電路簡單，輸出電壓高，只是輸出電壓不穩(wěn) 定。 電容濾波是的輸出電壓平均值為： 全波： U3 = (～ )U1 = (～ ) 220V = 264V (取 ) 半橋逆變電路 半橋逆變電路由兩個導(dǎo)電臂構(gòu)成，每個導(dǎo)電臂由一個全控器件和一個反并聯(lián)二極管組成。電路圖如下所示。直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)切足夠大的電容器 C1和 C2，滿足 C1=C2。 +D1D2V2V1LRC2C1U2 圖 15 半橋逆變器電路 在一個周期內(nèi)，開關(guān)管 V V2的基極信號各有半周正偏、半周反偏 ，且互補。設(shè)在 t2時刻以前 V1導(dǎo)通， V2截止，則 U4=177。 1/2U3。 t2時刻 V1截止，同時給 V2發(fā)出導(dǎo)通信號，由于感性負(fù)載中的電流 i 不能立即改變方向，于是 D2導(dǎo)通續(xù)流。 U4=－ 1/2U3。 t3時刻 i0降至零， D2截止， V2 導(dǎo)通， i0開始反向增大。此時仍然有 U4=－ 1/2U3。 t4時刻 V2截止，同時給 V1發(fā)出導(dǎo)通信號，由于感性負(fù)載中的電流 i0不能立即改變方向，于是 D1先導(dǎo)通續(xù)流。此時仍然有 U4=＋ 1/2U3。 t5時刻 i0降至零， V1導(dǎo)通。 U4=＋ 1/2U3。 由上分析可知，輸出電壓 U4周期為 TS 矩形 波，其幅值為 1/2U3。當(dāng) V1或 V2 導(dǎo)通時，負(fù)載電流和電壓同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量。而當(dāng) D1或 D2導(dǎo)通時，負(fù)載電流和電壓反方向，負(fù)載中電感的能量向直流側(cè)反饋，即負(fù)載將起吸收的無功能量反饋回直流側(cè)，反饋的能量暫時存儲在直流側(cè)的電容中。該電容起緩沖這種無功能量的作用。半橋逆變電路輸出電壓波形如圖所示。 2020 屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 V1導(dǎo) 通V2導(dǎo) 通 U4 圖 16 半橋逆變電路輸出電壓波形 開關(guān)變壓器的設(shè)計計算 開關(guān)變壓器的磁化特性工作在第一、第三象限，它的磁通變化可 以 從－ BM 到＋BM，屬于對稱式工作變壓器。主變壓器施加電壓只有一半輸入電壓值 1/2U4(＋ 132V)。開關(guān)管的反向耐壓比較低。在兩功率管交替開關(guān)作用下，變換器原邊可 產(chǎn)生幅值280V的方波電壓。經(jīng)變壓器整流濾波輸出，實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)變。 a) 估算采用 EE55 鐵氧體磁芯的功率容量 EE55 的中心柱截面積為 Ae=，窗口面積為 AQ=，它的功率容量乘積為 Ap=Ae AQ= =。 當(dāng)開關(guān)頻率選 50KHz 時： Ap= Ae AQ=(PT 106)/(2η fBMδ KMKG) ＝ (600 106) /(2 50 103 1500 2 1) = 5 可見，采用 EE55 磁芯時，其功率容量足夠大． 原邊繞組匝數(shù)： NP=(VINP/2) 108/(4fBmAe) =(280/2) 108/4 50 103 1500 = 故 NP取整數(shù) 14 匝。 b) 充電器的容量計算 當(dāng)充電器為 36V,12A 時蓄電池的充電最大容量為： 36V 12A＝ 432W 故變壓器鐵芯的容量計算可按照 500W 容量計算。 c) 原邊與副邊繞組匝 數(shù)比的計算 開關(guān)變壓器的原邊與副邊繞組的匝數(shù)比為： VOPIN MI V=NsNp 其中： VIN MIN指電網(wǎng)最低輸入直流電壓值， VIN MIN＝ 220V VOP指整流濾波輸出電壓的脈沖幅度。 VOP要考慮三個因素之和，即： V0=40V+40 10%=44V，二極管壓降： VD=, 濾波電感直流壓降為 VL=。設(shè)整流器輸出占空比為 ，則有： VOP=(44++)/=50V 因此原副邊繞組匝數(shù)比為： 2020 屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 (取3 匝)= 220V=NsNp 副邊繞組匝數(shù)為： Ns=Np/3=14/3= (取 5匝 ) 經(jīng)過實驗證明，當(dāng)開關(guān)變壓器原邊繞組為 20 匝，副邊繞組匝數(shù)為 8 匝時，半橋變壓器的開關(guān)脈沖電壓波形有所改善。 變頻整流電路 變頻整流電路由兩個整流二極管和一個 LC 濾波電路組成，使半橋逆變器輸出的脈沖電壓成為一個比較穩(wěn)定的直流電壓 111。整流前后電壓波形如下圖所示。 U7 U6 U5圖17 整流前后的波形 控制電路的設(shè)計 傳感檢測電路 a) 溫度檢測電路 溫度檢測所使用的傳感器非常多，熱敏電阻是其中一種用半導(dǎo)體材料制成的敏感元件，起主要特點是靈敏度高、體積小、功耗低而且價格低廉。 用熱敏電阻構(gòu)成的溫度檢測電路較為簡單，使用電阻分壓電路，將溫度變化引起的電阻變化轉(zhuǎn)為電壓信號，可以直接傳送給單片機處理。下表為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的分度表。 表 1 熱敏電阻分度表 溫度/℃ 電阻 /kΩ 溫度/℃ 電阻 /kΩ 溫度/℃ 電阻 /kΩ 30 40 50 31 41 51 32 42 52 33 43 53 34 44 54 35 45 55 36 46 56 37 47 57 38 48 58 39 49 59 2020 屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 溫度檢測電路如下所示。它是有溫度傳感器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩部分組成，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有 NE555 時基集成電路構(gòu)成。熱敏電阻 RT 用作溫度傳感器。 當(dāng)蓄電池溫度較低時，熱敏電阻 RT 表現(xiàn)電阻值較大，調(diào)節(jié)電位器 Rp 可以使時基集成塊觸發(fā)端 2 腳的電平低于 1/3 電源電壓（指集成塊 IC 的供電電壓 VDD），單穩(wěn)態(tài)電路觸發(fā)翻轉(zhuǎn)進入穩(wěn)態(tài)，電路置位，輸出端 3腳輸出高電平，使三極管觸發(fā)導(dǎo)通向單片機輸入低電平。相反，當(dāng)蓄電池溫度較高時，則向單片機輸入高電平。 本電路可以通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻器 Rp 的阻值，使電路在溫度為 45℃的時候發(fā)生動作，實現(xiàn)溫度檢測的目的。 圖1 8 溫度檢測電路VTR3CR2R1RTRp單片機NE