【文章內(nèi)容簡介】 程。 其 中 電源技術(shù) ， 電池 的制造技術(shù)和人們對電池特性 的 認(rèn)知 程度 等方面 限制了充電方式的發(fā)展 。 充電 的傳統(tǒng)方法 主要有恒壓，恒流，恒流限壓，恒壓限流等 。 這些方式 的 控制電路 相對 比較簡單，比較能夠容易實現(xiàn)，但 同時 也存在很多缺點。例如 充電時間 較 長，充電方法 比較 單一，保護(hù)功能 相對 簡單，易對電池造成傷害等。 針對傳統(tǒng) 的 充電方式安全性能低，充電時間長等缺點，國內(nèi)外 漸漸地出現(xiàn)了許多新的充電方式 ， 例如 分級定流，脈沖充電，定化學(xué)反應(yīng)，變電流／電壓間歇，分級定流等，近些年還有人提出了一些更為新穎的充電方式，比如專家系統(tǒng)，模糊 控制，這些方式在提高充電效率，減小電池充電時間，延長電池壽命，或多或少有了一些進(jìn)展，但對于大眾市場的應(yīng)用，仍有一定的距離。 隨著智能監(jiān)測技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)，電子信息技術(shù)，電源技術(shù)等的發(fā)展，充電產(chǎn)品的功能也越來越強(qiáng)大，在整體上呈現(xiàn)一種智能化的趨勢。智能充電系統(tǒng)除了基本的充電控制和顯示功能 之外還有一些新的特點。比如 可根據(jù)電池的狀態(tài)自動選擇最優(yōu)充電方式；有良好的故障保護(hù)措施和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力；可以與其它設(shè)備通訊，形成通訊網(wǎng)絡(luò)，便于管理。 從總體上來看，能源電池的充電，放電，維護(hù)和能量管理等技術(shù)仍舊相對落后 ，不適當(dāng)?shù)某潆姺绞皆斐闪穗姵貕勖目s短和損壞等現(xiàn)象依然比較普遍。一方面源于電池自身：電池的充放電是一個非常復(fù)雜的化學(xué)過程，受到電池的制造材料，環(huán)境溫度等因素的影響；電池 充放電 在本質(zhì)上是非線性的，更是難以控制 的 。另一方面源于人們對充電方法的研究不夠深入，充電方法對電池的影響了解 的 不夠透徹。目前，國內(nèi)外的研究重心主要有：精確的電池模型的建立，快速充電方式研究，電池的 SOC 估算策略的研究，電池組的均衡，控制算法的研究等 [2]。 3 電池特性及常用充電方式 作為電動車的動力源，選擇性能好、具備較大比 能量的電池，使得每次充電后的汽車行駛足夠長的距離，這是提高電動汽車機(jī)能的關(guān)鍵之一。當(dāng)前，電動車上經(jīng)常使用的蓄電池有鉛酸蓄電池、鋰離子電池和鎳氫電池三種。 首先要對這些電池進(jìn)行介紹，接著對經(jīng)常使用的充電方式進(jìn)行研究。 蓄電池特性 （ 1）鉛蓄電池 鉛酸電池是現(xiàn)在使用最為廣泛、技術(shù)最為成熟， 是 唯一的大批量應(yīng)用和生產(chǎn)的動力蓄電池，主要用于電動自行車和汽車。 缺點：壽命低；比能量、比功率和能量密度都比較低 ； 充電時間較長；對環(huán)境腐蝕性強(qiáng)；重量是同等容量錳酸鋰電池的三倍 ， 比較笨重 。 優(yōu)點：單價最低，可高倍率放電。 應(yīng)用范圍： 其 產(chǎn)量的三分之一 作為備用電源 用在交通、電力、信息等產(chǎn)業(yè)，在 汽車 、 叉車 等運輸工具和大型不間斷供電電源系統(tǒng)中處于較高的地位。目前在我國 電動自行車 中 95%電池都選用鉛酸電池。鉛酸電池 的 技術(shù)目前是最為成熟 盡管 其能量密度 、 比能量 和 比功率都 相對 較低但因其性價比較高以及高倍率放電性能成為目前僅有的大批量生產(chǎn)的電動車車用電池。 （ 2） 鎳氫電池 鎳氫電池已成功地應(yīng)用于豐田普銳斯混合動力車，現(xiàn)在使用較為成熟的動力電池，搭載鎳氫電池的混合動力汽車全 世界銷量已超出 170 萬輛。 缺點：耐力性能差，低溫性能差，技術(shù)提升空間不大；只能用于汽車的輔助動力，純電動車必須選用更高比能量的動力電池；自放電率較高。 優(yōu)點：高性能安全的過充電和過放電性能 ， 適合大電流快速充放電、耐過充放電能力強(qiáng) 。 適用范圍：電動工具、混合動力車等對電池容量要求不高的用具。 （ 3）大容量鋰離子電池 鋰離子電池具備功率大、重量輕、儲能容量大、無污染、自放電系數(shù)小、溫度適應(yīng)范圍廣 、 壽命長等 諸多 優(yōu)點，已開始漸漸代替鎳氫 電池 和 鉛酸 電池，變成 當(dāng)前全球上大多數(shù)汽車企業(yè) 的 首要的 的研究目標(biāo)和主攻方向。全世界 對車載鋰離子動力電池研發(fā) 的主流企業(yè)已增加到 20 多家 ，如 NEC、富士重工、 4 三洋電機(jī)、美國江森自控公司、東芝等。 缺點：耐過充和過放電能力的安全隱患較大。 優(yōu)點：可達(dá) 150WH/kg 的高能量密度；重量輕，體積小，比能量達(dá)是鎳氫的 2 倍；無記憶效應(yīng)；循環(huán)壽命長；自放電率低等。 蓄電池充電方式 目前，蓄電池的充電方法主要分為 以下 4 種 。 （ 1） 恒壓充電法 恒壓充電是充電的最基本的充電方式。最先，給定一個期望電壓，然后系統(tǒng)開始充電，此時充 電 電流會隨充電的時間不斷減小；當(dāng)充電 的 電流小于一定值后，充電過程完成。 恒壓充電的最大特點是可以簡單地控制，但因為待充電電池的初始電壓與給定的恒壓值誤差較大，在充電開始時很大，過大的電流容易使電池發(fā)熱，嚴(yán)重時會損壞電池。所以在充電的開始階段，要加保護(hù)措施，限制充電電流的最大值。 （ 2） 恒流充電法 恒流充電方式是當(dāng)前工程上非常流行的控制方式，控制過程開始時，充電器以較大的恒定電流為電池充電，電池將要充滿時，改用恒定的小電流為電池進(jìn)行充電，接著進(jìn)入了浮充階段，浮充的作用是補(bǔ)償電池自放電的影 響。 該方法的特點，避免了以往問題的過電流，電流被限制到一個恒定值，但因為電流不可調(diào)節(jié)，在某種程度上，充電速度被放緩。 （ 3） 恒壓恒流充電法 二階段充電法是指選用恒壓和恒流相組合的快速充電方式， 開始時 用恒流充電至預(yù)定的電壓值，然后改成恒壓充電完成剩余的充電工作。 三階段充電法是指在充電起初和結(jié)束時采用恒流充電的方式，而充電中間的過程采用恒壓充電。當(dāng)電流衰減至預(yù)定值時，由第二階段轉(zhuǎn)變到第三階段。這種方法 會 減少電池的充電量，但是作為一種快速 的 充電 方式 使用時就會受到一定程度的限制。 （ 4） 脈沖充電方式 脈沖充電法不但遵循 著 蓄電池 應(yīng) 固有的充電接受率，還能夠 相應(yīng)的 提高蓄電池 的 充電接受率，進(jìn)而 可以擺脫 蓄電池指數(shù)充電接受曲線的 相應(yīng) 限制 。 脈沖充電方法開始是用脈沖電流對電池進(jìn)行充電，而后讓電池停充一段 5 時間 。 如此循環(huán)充電脈沖在間歇期使蓄電池繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng) 。歐姆 極化和濃度 極化自然而然地獲得消除，從而減少了蓄電池的內(nèi)壓，使得下一輪的恒流充電可以加倍順利地進(jìn)行，使蓄電池能夠汲取更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應(yīng)時間，從而提升了蓄電池的充電電流接受率。 論文的主要 研究工作 電動自行車的推行使用已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)展開 ,但制約電動自行車發(fā)展的最困難也最重要的問題就是電動車鉛酸蓄電池的壽命問題 ,而影響電動自行車用鉛酸蓄電池壽命的 其中 一個關(guān)鍵因素是充電技術(shù)。因此 ,鉛酸蓄電池的充電術(shù)及充電器的智能化程度將對電動自行車的快速發(fā)展起到關(guān)鍵性的作用。 本課題是針對電動車用鉛酸電池充電器而進(jìn)行的研究。 本設(shè)計 的充電器 的充電對象為 48V12AH的 鉛蓄電池。 設(shè)計目標(biāo)如下所示： （ 1） 輸入 ： Vin=AC 。 （ 2） 輸出 ： Vout=DC 58V 。 （ 3）預(yù)設(shè)效率 ： 85% 。 （ 4） 輸出額定電流： 。 （ 5） 過流保護(hù)電流： 2A。 論文主要工作： （ 1） 比較電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析它們各自電路的優(yōu)點和缺點，選擇合適的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 （ 2） 主電路參數(shù)計算及關(guān)鍵元器件的選型。 （ 3） 充電器 包括 控制電路 ， 檢測電路、 過流保護(hù)自啟。 （ 4） 實驗驗證及結(jié)果分析。 設(shè)計的結(jié)構(gòu)框圖如圖 11所示。 6 交 流 2 2 0 V輸 入 整 流 濾波變 換 器輸 出 整 流 濾波驅(qū) 動 電路控 制 電 路直 流 輸 出 5 8 V檢 測 電 路過 流 保 護(hù) 與自 啟 電 路輔 助 電 源圖 11 設(shè)計總體框圖 7 第 2章 主電路設(shè)計 主拓?fù)溥x擇 在開關(guān)電源中有大量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如反激式，推挽式，正激式，半橋式，全橋式等。這些常見的結(jié)構(gòu)有著各自的優(yōu)缺點。 反激式拓?fù)? 反激式結(jié)構(gòu)如圖 21 所示 。 圖 21 反激式拓?fù)? 反激式結(jié)構(gòu)具有如下 優(yōu)點 ： （ 1） 反激式的優(yōu)點是電路比較簡單，電源的體積小，且成本也比較低。另外，反激式輸出電壓受占空比的調(diào)制幅度相對高，因此，反激式要求調(diào)節(jié)占空比的誤差信號幅度要比較低，誤差放大器的增益和動態(tài)范圍也較小。由于這些優(yōu)點，目前 ，反激式開關(guān)電源在家電領(lǐng)域中還是被廣泛的應(yīng)用。 （ 2） 反激式開關(guān)電源 可 用 于 功率小的場合 也可以 多路輸出。 （ 3） 反激式開關(guān)電源不用加磁復(fù)位繞組。 （ 4） 反激式開關(guān)電源在開關(guān)管關(guān)斷時，反激式變壓器儲能向負(fù)載釋放，磁芯自然復(fù)位，不需要加磁復(fù)位。 （ 5） 反激式開關(guān)電源電壓調(diào)節(jié)器具有存儲功能和隔離功能。 反激式結(jié)構(gòu)存在如下 缺點 ： （ 1） 反激式開關(guān)電源在控制開關(guān)時期不會向負(fù)載進(jìn)行功率輸出，僅在開關(guān)關(guān)斷期間才會把電感儲存的能量變?yōu)榉措妱觿菹蜇?fù)載輸出。當(dāng)占空比為 時，變壓器次級線圈 端輸出電壓的平均值約等于電壓最大值的的二分之一，而流過負(fù)載的電流恰好等于變壓器次級線圈最大電流的四分之一。即電壓脈 8 動系數(shù)等于 2 時，電流脈動系數(shù)就等于 4。反激式電流的脈動系數(shù)是正激式的電流脈動系數(shù)的兩倍。因此可知，反激式的電壓和電流的輸出特性要比正激式輸出特性差。當(dāng)反激式開關(guān)電源使用的時候，為防備電源開關(guān)管過壓擊穿，其占空比一般會小于 ，這樣流過變壓器次級線圈的電流就會出現(xiàn)斷續(xù)，電壓和電流的脈動系數(shù)將會增加，其電壓和電流的輸出特性將會惡化 【 3】 。 （ 2） 反激式開關(guān)電源瞬態(tài)控制特性較弱 因為反激式開 關(guān)電源僅在開關(guān)關(guān)斷時期才會向負(fù)載進(jìn)行能量輸出，當(dāng)負(fù)載電流出現(xiàn)變化時，開關(guān)電源不能即刻對輸出電壓或電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，需要等到下一個周期，經(jīng)過對輸出電壓采樣和脈寬調(diào)制電路的作用，開關(guān)電源才開始對上一個周期進(jìn)行反應(yīng)，即改變占空比，于是，反激式的瞬態(tài)控制特性相對來說比較差。有時，當(dāng)負(fù)載電流轉(zhuǎn)變的頻率、相位與采樣、脈寬調(diào)制電路輸出的電壓的延時性在相位保持一致時，輸出電壓很可能會產(chǎn)生抖動。 （ 3） 反激式變壓器初級和次級線圈的漏感比較大，變壓器的工作效率較低。 反激式變壓器的磁芯通常需要留一定的氣隙，一方面是為了防止 變壓器的磁芯因流過變壓器初級線圈的電流過大，易產(chǎn)生磁飽和。另一方面的原因是變壓器的輸出功率小，需要通過改變初級線圈的匝數(shù)和調(diào)整變壓器的氣隙，來調(diào)整變壓器初級繞組的電感量。所以變壓器初級繞組和次級繞組的漏感都比較大，就會降低變壓器的工作效率，并且漏感還會產(chǎn)生反電動勢，易把開關(guān)管擊穿。 9 推挽式拓?fù)? 推挽式結(jié)構(gòu)如圖 22 所示 。 圖 22 推挽式拓?fù)? 推挽式結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點： （ 1） 推挽式輸出電流瞬態(tài)響應(yīng)速度比較高，電壓輸出特性較好。推挽式開關(guān)電源在全部開關(guān)電 源 中 電壓利用率最高。 因為推挽式中的兩個開關(guān)管交替輪流工作，其輸出電壓波形對稱，而且開關(guān)電源在整個周期之中都向負(fù)載提供的輸出，所以，其輸出電流瞬態(tài)響應(yīng)速度比較高，電壓輸出特性較好。它在輸入電壓極低的情況下，仍舊能維持很大的輸出功率，所以推挽式被廣泛的應(yīng)用于低壓輸入的 DC/AC 逆變器 和DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路中。 （ 2） 推挽式開關(guān)電源是一個輸出電壓特性很好的開關(guān)電源。 推挽通過橋式整流或全波整流，輸出電壓電流紋波系數(shù)很小，所以儲能濾波電容或儲能濾波電感 的 一個很小值就能夠得到一個電壓紋波和電流紋波很 小的輸出電壓。 所以 推挽式的輸出電壓特性很好。 （ 3） 推挽式變壓器的漏感和銅阻損耗相對較小，工作效率 很 高。 推挽式變壓器開關(guān)電源屬于雙極磁極，磁感應(yīng)電壓范圍為單極磁化的兩倍以上，而變壓器 磁芯 沒有氣隙，所以變壓器磁芯的磁導(dǎo)率比單極性磁化高很多倍，因此推挽式變壓器的初級和次級的繞組的匝數(shù)可比單極性磁化極變壓器 的 初級和次級繞組的匝數(shù)少一倍以上 【 5】 。 （ 4） 推挽式 開關(guān)電源 的驅(qū)動電路相對簡單。 推挽式的兩個開關(guān)管有公共的接地端，相對半橋式或全橋式來獎，驅(qū)動電路相對簡單。 （ 5） 推挽式不會出現(xiàn)兩個開關(guān)管 同時串通的可能性。 10 推挽式結(jié)構(gòu)具有如下 缺點 ： （ 1） 推挽式 開 兩個開關(guān)管要很高的耐壓值。 推挽式兩個開關(guān)管耐壓值必須大于工作電壓的兩倍。所以推挽式很少使用在 220V 交流供電設(shè)備中。推挽式不適合負(fù)載電壓變化范圍太大的場合，尤其是負(fù)載很輕或是經(jīng)常開路的狀態(tài)。 （ 2） 推挽式變壓器有兩組初級繞組，這對于小功率輸出的推挽式是個缺點，對于大功率輸出的推挽式開關(guān)電源卻是個優(yōu)點。由于大功率變壓器線圈通常是多股繞線，因此推挽式變壓器兩組