【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 法的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)有規(guī)律的間歇停充來(lái)消除電池在充電過(guò)程中所產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。在整個(gè)充電時(shí)期內(nèi),一直適時(shí)地采取去極化措施,以避免了蓄電池在充電過(guò)程中產(chǎn)生大量氣體和溫升過(guò)高的問(wèn)題,從而達(dá)到大大縮短充電時(shí)間和提高充電效率的目的,因而能夠比一般的充電方法更快地進(jìn)行充電。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖本充電系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖如附錄二系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)圖所示。本充電系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示,它包括提供充電的電源和作為管理中心的控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,充電電源采用開(kāi)關(guān)電源。通常把采用“交流一直流一交流一直流”這種電路的裝置稱(chēng)為開(kāi)關(guān)電源。從輸入輸出關(guān)系來(lái)看,開(kāi)關(guān)電源是一種“交流一直流”的變流裝置,然而由于開(kāi)關(guān)電源采用了工作頻率較高的交流環(huán)節(jié),變壓器和濾波器都大大減小,因此同樣功率條件下其體積和重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的相控電源。除此之外,工作頻率的提高還有利于控制性能的提高。系統(tǒng)的主回路由充電電路、放電電路及控制電路組成,其中充電電路使用整流橋式電路。鉛酸蓄電池組充電電源充電控制系統(tǒng)CPUI/O設(shè)備圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖 控制電路部分是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng),包括了對(duì)電池溫度、電池兩端電壓、充電電流等參數(shù)的監(jiān)測(cè),對(duì)收集信息的分析與計(jì)算處理,對(duì)充電機(jī)工作參數(shù)的設(shè)置與顯示等。它的控制過(guò)程是通過(guò)采集蓄電池的相關(guān)參數(shù),送入80C196KB單片機(jī)進(jìn)行預(yù)定的分析與計(jì)算,得出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù),從而控制輸出電壓、電流,完成對(duì)蓄電池的智能充電。其中控制電路的核心采用80C196KB單片機(jī)芯片,具有高度的集成度。 充放電方法的控制與實(shí)現(xiàn)在充電方法的實(shí)現(xiàn)上,我設(shè)計(jì)了以80C196KB單片機(jī)控制為主的控制方法,將采集到的電池溫度、電池端電壓、充電電流等狀態(tài)信息,送入CPU后再進(jìn)行處理和判斷,以此來(lái)變換充電方式,實(shí)現(xiàn)智能充電。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作、維修方便、成本低。在放電方法的實(shí)現(xiàn)上,采用大功率IGBT管進(jìn)行PWM控制,以控制放電電流大小,保持其高穩(wěn)定性。 單片機(jī)充電終止條件控制方法利用單片機(jī)對(duì)蓄電池充足電后,電池的溫度與內(nèi)壓都會(huì)迅速上升,同時(shí)電池的端電壓也會(huì)開(kāi)始下降,出現(xiàn)電壓負(fù)增量。假如此時(shí)繼續(xù)進(jìn)行快速大電流充電,會(huì)對(duì)蓄電池造成很大損害。所以,為了保證電池能充足電又不過(guò)充電,須使用單片機(jī)采取一定的方法來(lái)控制充電的停充等問(wèn)題。目前采用的控制方法很多,通常采取的有定時(shí)控制、電壓控制、溫度控制和最小終止電流等方法進(jìn)行充電終止控制[6]。 最高電壓控制當(dāng)電池電壓達(dá)到最大值時(shí),電池則充足電。充電過(guò)程中,當(dāng)電池電壓達(dá)到規(guī)定值后,單片機(jī)應(yīng)馬上對(duì)蓄電池停止充電。該控制方法的缺點(diǎn)是: 電池充電最高電壓會(huì)隨著環(huán)境溫度、充電速率而改變,所以,最高檢測(cè)電壓必須使用一定的溫度補(bǔ)償,并且還要根據(jù)充電速率加以正確的修正。假如最高檢測(cè)電壓不會(huì)隨溫度變化而自動(dòng)調(diào)整的話,當(dāng)?shù)蜏貢r(shí),電池會(huì)充不足電；高溫時(shí),電池充足電后仍會(huì)繼續(xù)大電流過(guò)充。這樣,會(huì)導(dǎo)致電池壽命減小,也會(huì)使電池受到損壞。蓄電池組中各單體電池的最高充電電壓也會(huì)有差別,所以采用這種方法不可能非常準(zhǔn)確地判斷電池已充足電。 定時(shí)控制通常用在單片機(jī)控制的恒流充電模式中。例如,對(duì)于20Ah的蓄電池,電池5h可充足: ,需要10h才可充足電,所有依據(jù)電池的容量與充電電流,能夠容易地確定所需求的充電時(shí)間。充電過(guò)程中,達(dá)到預(yù)定的充電時(shí)間后,定時(shí)器會(huì)發(fā)出信號(hào),使充電器立即停止充電或充電電流馬上降低至浮充電電流。這樣能夠避免電池長(zhǎng)時(shí)間大電流過(guò)充電。該控制方法較簡(jiǎn)單,但由于電池的起始充電狀態(tài)不會(huì)完全一樣,有的電池充不足,有的電池過(guò)充電,又由于充電時(shí)間是固定的,因此不能依據(jù)電池充電前的狀態(tài)來(lái)自動(dòng)調(diào)整。所以,。 溫度控制為了不損壞電池,電池溫度過(guò)低時(shí)不能馬上開(kāi)始快速充電；電池充足電后,充入的電量都消耗在電池中,電池的溫度會(huì)很快上升。電池溫度上升到規(guī)定數(shù)值后,單片機(jī)必須馬上停止對(duì)蓄電池充電的過(guò)程。電池的溫度可以通過(guò)與電池在一起的溫度傳感器件來(lái)檢測(cè),再反饋給單片機(jī)。當(dāng)電池溫度大于規(guī)定值時(shí),單片機(jī)控制自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充電模式。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí),規(guī)定的最高溫度值就要偏大一點(diǎn),這樣會(huì)造成過(guò)充電,損傷電池。為了不損傷電池,經(jīng)常采用溫升控制法,即當(dāng)溫升達(dá)到一定值時(shí),充電器便自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充電模式。上述各種控制方法各有乾坤,為了使單片機(jī)在任何情況下,均能準(zhǔn)確可靠地控制電池的充電狀態(tài),目前快速充電器中通常采用的是包括了時(shí)間控制、電壓控制和溫度控制的綜合控制法。4 系統(tǒng)硬件介紹及設(shè)計(jì) 充電電源采用開(kāi)關(guān)電源,開(kāi)關(guān)電源一般由功率變換主回路和控制回路兩部分組成。主回路有多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？刂苹芈肥菍?shí)現(xiàn)電源各種性能要求的核心,其控制機(jī)理有調(diào)頻調(diào)幅調(diào)寬諧振等。高頻開(kāi)關(guān)電源的原理框圖如圖2所示[112]。交流電網(wǎng)濾波電路輸入整流濾波電路高頻變換器輸出整流濾波電路控制電路保護(hù)電路市電輸出直流圖2 高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 從圖2中可以看到,高頻開(kāi)關(guān)電源主要由交流電網(wǎng)濾波電路、輸入整流濾波電路、高頻變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路幾部分組成。其基本原理是:交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、整流濾波得到一定的直流電壓,再通過(guò)高頻變換器將直流電壓變換成高頻交流電壓,最后經(jīng)過(guò)輸出整流濾波電路,將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓。 充電系統(tǒng)的主電路原理與設(shè)計(jì) 全橋變換電路的設(shè)計(jì) 該充電系統(tǒng)采用的是全橋移相控制的零電壓PWM變換電路。它是當(dāng)前運(yùn)用最為廣泛的軟開(kāi)關(guān)電路之一,其特點(diǎn)是電路非常簡(jiǎn)單,易于操作,但有一個(gè)缺點(diǎn): 滯后臂開(kāi)關(guān)管在輕載下難以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān),這使它不適用于負(fù)載范圍變化大的場(chǎng)合。當(dāng)電路不能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)時(shí),將會(huì)產(chǎn)生以下幾個(gè)后果。 ,需要增大散熱器的體積。 ,將會(huì)造成較大的EML； ,高頻變換器副邊漏感上的電流瞬變作用將在二極管上產(chǎn)生電壓過(guò)沖和震蕩,因此在實(shí)際應(yīng)用中需在副邊二極管上增設(shè)RC吸收網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)上述問(wèn)題,常見(jiàn)的解決方法是在變壓器原邊串接一個(gè)飽和電感,擴(kuò)大變壓器的零電壓開(kāi)關(guān)范圍。但,采用這方法后,電路仍不能達(dá)到全工作范圍的零電壓開(kāi)關(guān)。 飽和電感在實(shí)際應(yīng)用中不可能具有理想的飽和特性,這將會(huì)導(dǎo)致以下幾個(gè)后果: ,從而增加變換器的導(dǎo)通損耗； ,從而增大原邊電流和副邊二極管的電壓應(yīng)力； 、負(fù)飽和值之間轉(zhuǎn)換,磁心的損耗會(huì)很大,發(fā)熱嚴(yán)重砰s1。改進(jìn)型全橋移相控制的零電壓PWM變換電路是針對(duì)上述缺點(diǎn)所提出的一種電路拓?fù)洹Ｋㄟ^(guò)在電路中增加輔助支路,可使開(kāi)關(guān)管在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān),它在小功率(3kw)電路中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。圖3所示是一種改進(jìn)型全橋移相控制的零電壓PWM變換電路。與基本的全橋移相控制的零電壓PWM變換電路相比,它在滯后臂上增加一個(gè)由電感Lrx和電容C。兩個(gè)元件組成的支路。改進(jìn)型全橋移相控制的零電壓PWM變換電路。 該變換電路采用移相控制方式,其主電路的工作原理和基本的零電壓PWM變換電路完全一樣。 全橋變換器中功率開(kāi)關(guān)元件的選用典型的全控型開(kāi)關(guān)器件有電力晶體管GTR、門(mén)極可關(guān)斷晶體管GTO、場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET和絕緣柵極雙極型晶體管IGBT等。圖3 改進(jìn)型全橋移相控制的零電壓PWM變換電路GTR（Giant Transistor,巨型晶體管）和GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件,因?yàn)榫哂须妼?dǎo)調(diào)制效應(yīng),所以其通流能力很強(qiáng),但開(kāi)關(guān)速度低,所需求的驅(qū)動(dòng)功率大,驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。電力MOSFETMOS(Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體),FET(Field Effect Transistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管)是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件,開(kāi)關(guān)速度快,輸入阻抗高,熱穩(wěn)定性也好,所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。它的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雙極型晶體管BJT的導(dǎo)通電阻,這使得它能夠代替BJT成為高頻開(kāi)關(guān)電源的主流開(kāi)關(guān)器件。正是由于導(dǎo)通電阻小的MoSFET的出現(xiàn),高頻開(kāi)關(guān)電源得以迅速發(fā)展[114]。IGBT(Insulated Gate Bipolar Tranister,絕緣柵極雙極型晶體管)是MOS結(jié)構(gòu)的雙極型器件,是具有功率M0SFET的高速性能和雙極型器件的低電阻特性的功率元件。IGBT的應(yīng)用范圍經(jīng)常在耐壓是600V以上、電流為10A以上、頻率為1kH么以上的區(qū)域,多應(yīng)用于工業(yè)用電機(jī)、民用小容量電機(jī)、變換器、照相機(jī)的頻閃觀測(cè)器以及感應(yīng)加熱電飯鍋等產(chǎn)品上。IGBT的工作原理和靜態(tài)特性IGBT是三端器件,具有柵極G,集電極C和發(fā)射極E。它是一種場(chǎng)控器件,驅(qū)動(dòng)原理與MOSFET基本一致,其開(kāi)通與關(guān)斷是由柵極與發(fā)射極間的電壓UGE決定的。當(dāng)U 為正且大于開(kāi)啟電壓UGE間時(shí),IGBT導(dǎo)通。因?yàn)榫哂须妼?dǎo)調(diào)制效應(yīng),高耐壓的IGBT也會(huì)具有很小的通態(tài)壓降。當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí),IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件,使IGBT開(kāi)通的柵射極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取1520V。同樣,關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓(一般取5—15V)有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。而且在柵極串入一只低值電阻(10歐左右)能夠減小寄生振蕩,此電阻阻值會(huì)隨被驅(qū)動(dòng)器件電流額定值的增大而減小。IGBT的驅(qū)動(dòng)多采用專(zhuān)用的混合集成驅(qū)動(dòng)器。同一系列的不同型號(hào)其引腳與接線基本相同,只是適用被驅(qū)動(dòng)器件的容量與開(kāi)關(guān)頻率和輸入電流幅值等參數(shù)有所不同。本系統(tǒng)采用的EXB841是大容量高速型驅(qū)動(dòng)器(最大40kHz運(yùn)行)。在IGBT出現(xiàn)過(guò)流時(shí),過(guò)流信號(hào)由引腳6輸入到內(nèi)部的過(guò)流保護(hù)電路,在其輸出端(引腳5)出現(xiàn)低電平,光耦SOI有輸出,對(duì)PWM提供一個(gè)封鎖信號(hào),使PWM的驅(qū)動(dòng)脈沖輸出轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗姓}沖,實(shí)現(xiàn)EXB840I/EXB841軟關(guān)斷功能。圖4為EXB841驅(qū)動(dòng)電路圖。 圖4 EXB841驅(qū)動(dòng)電路圖 能量反饋電路的設(shè)計(jì) 因?yàn)樵摮潆娤到y(tǒng)使用的是由恒壓限流充電與脈沖充電相結(jié)合的充電方法,在整個(gè)充電期間,一直適時(shí)地使用了經(jīng)過(guò)負(fù)脈沖瞬間放電消除極化的方法,所以硬件設(shè)計(jì)中需要提供蓄電池放電的通路。通常充電系統(tǒng)使用的是當(dāng)蓄電池達(dá)到一定的極化程度后,經(jīng)過(guò)附加的負(fù)載進(jìn)行放電,從而消除極化。但這樣會(huì)產(chǎn)生多余的能量消耗,同時(shí)增大充電器的體積。該充電系統(tǒng)使用圖5所示的結(jié)構(gòu)框圖,蓄電池的放電通路由開(kāi)關(guān)元件Q與濾波電感L所組成,稱(chēng)為能量反饋電路。在正脈沖充電末期,DC/DC變換電路中的開(kāi)關(guān)元件全部都斷開(kāi),存儲(chǔ)在濾波電感L,中的能量將全部轉(zhuǎn)移到蓄電池組中。在負(fù)脈沖放電期間,能量反饋電路開(kāi)始工作,它將電池的能量送到濾波電容六中去,從而實(shí)現(xiàn)了蓄電池在充電過(guò)程中適時(shí)的放電,即可消除電池的極化現(xiàn)象。和傳統(tǒng)的放電回路相比,該能量反饋電路能避免多余的能量消耗,同時(shí)也能夠大大減小充電系統(tǒng)體積。圖5 能量反饋電路圖 主回路濾波與抗干擾電路的設(shè)計(jì)主回路濾波電路的設(shè)計(jì)整流濾波電路對(duì)減少電源中的噪聲干擾起到了非常大的作用。當(dāng)使用高頻開(kāi)關(guān)電源供電時(shí),其整流和變換的工作電路更加復(fù)雜,而且開(kāi)關(guān)電源工作在較高頻率,外界和本機(jī)元器件無(wú)法避免的產(chǎn)生電磁感應(yīng)相互干擾,而電源的噪聲也會(huì)更加影響其它設(shè)備的正常工作。所有,在高頻開(kāi)關(guān)電源中,怎樣降低與消除噪聲干擾是一個(gè)非常重要的部分。在開(kāi)關(guān)電源中,主要使用電源輸入濾波、工頻濾波、電源輸出濾波和抗輻射干擾等重要措施來(lái)減小噪聲的傳遞和影響[15]。輸入濾波是指接在交流電網(wǎng)和開(kāi)關(guān)電源之間的濾波設(shè)備,通常由低通濾波與共模扼流圈等元件組成,它主要作用是抑制開(kāi)關(guān)電源其身對(duì)交流電網(wǎng)的反干擾同時(shí)也能抑制交流電網(wǎng)中的高頻干擾串入開(kāi)關(guān)電源。 工頻濾波器又稱(chēng)平滑濾波器,接在工頻整流器和逆變電路之間,可以將工頻整流器輸出的脈動(dòng)電流變?yōu)槠交绷?。另?因?yàn)槭枪ゎl濾波,頻率較低,電容量和電感量應(yīng)用很大,所以還能起到抑制高頻干擾的作用。輸出濾波電路通常由濾波電感和濾波電容組成, 對(duì)整流后的脈動(dòng)電流起平滑作用,使其成為紋波很小的直流電流。 該充電系統(tǒng)只設(shè)計(jì)了輸出濾波電路。 電路如圖6所示, 其中圖6 輸出