【正文】 副邊二極管的反向恢復(fù) ,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)。 當(dāng) 電路不能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)時(shí) ,將 會(huì) 產(chǎn)生以下幾個(gè)后果。 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。 圖 2 高頻開關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 從圖 2 中可以看到 ,高頻開關(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?？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。 14 4 系統(tǒng)硬件 介紹及 設(shè)計(jì) 開關(guān)電源原理 充電電源采用開關(guān)電源 ,開關(guān)電源一般由功率變換主回路和控制回路兩部分組成。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。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。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)蓄電池充電的過程。 所以 ,只有充電速率小于 時(shí)采用這種控制方法才最有效果。這樣 能夠 避免電池長(zhǎng)時(shí)間大電流過充電。例如 ,對(duì)于 20Ah 的蓄電池 ,采用 充電速率 ,電池 5h 可充足 : 采用 充電速率時(shí) ,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。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。 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) 低溫時(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)大電流過充。充電過程中 ,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。 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]。 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 。 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。 鉛酸蓄電池組 充電電源 充電控制系統(tǒng) CPU I/O 設(shè)備 12 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 變換 充電方式 ,實(shí)現(xiàn)智能充電。 它的 控制過程是通過采集蓄電池的相關(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。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。從輸入輸出關(guān)系來看 ,開關(guān)電源是一種“交流一直流”的變流裝置 ,然而由于開關(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。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 ,充電電源采用開關(guān)電源。 11 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。 恒壓限流充電和脈沖充電相結(jié)合的充電方法結(jié)合了這兩種充電方法的優(yōu)點(diǎn) ,通過有規(guī)律的間歇停充來消除電池在充電過程中所產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。 智能充電方法的選擇 充電方法的選擇是 很 重要的 ,不同的充電方法 ,它 充電速度的差 距會(huì)非常 大 ,導(dǎo)致 其 充電效果的差距也會(huì) 非常 大。 本充電系統(tǒng)采用恒壓限流充電和脈沖充電相結(jié)合的充電方法 ,將充電過程分成幾個(gè)子充電過程 ,充電電流總體上呈逐級(jí)遞減的趨勢(shì)并保持恒定電壓 ,而每個(gè)子充電過程按“正脈沖充電一停充一負(fù)脈沖放電一停充一再正脈沖充電”這種循環(huán)過程進(jìn)行 ,直至電池的容量達(dá)到額定容量的 80%以上。 ,如短路、斷路、過流等 。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 ,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電過程 。 近年來 ,國(guó)內(nèi)外人士正 在 致力于 智能 充電器 的 研究 ,智能程度較高的充電器解決了動(dòng)態(tài)跟蹤電池可接受充電電流曲線的技術(shù)關(guān)鍵 ,使充電電流始終 和 可接受充電電流保持良好的匹配關(guān)系 ,使充電過程始終在最佳狀態(tài)下進(jìn)行 ,比常規(guī)充電 9 模式節(jié)約 了 30%50%電能 ,還 提高了充電質(zhì)量 與 效率 ,充電工人只擔(dān)任輔助性工作 ,為充電技術(shù)和充電設(shè)備的智能化發(fā)展闖出了一條新路 [10]。 然 而國(guó)外市場(chǎng)大部分充電器 都使用 Wa、WaWo、 Uamp。 采用單片機(jī)技術(shù)的智能充電器在我國(guó)的研究發(fā)展比較晚 ,因其體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng) 速度快、輸出紋波小、效率高等特點(diǎn) ,近年來 獲得了 國(guó)內(nèi)外的廣泛研究 和 關(guān)注 ,特別 是 在通信 和 電力等領(lǐng)域中 ,己經(jīng)得到了普遍的研究 和 使用。近 20 多年來 ,開關(guān)電源沿著下述兩個(gè)方向不斷發(fā)展。 由 于 調(diào) 整 管 上 損 耗 功 率 比 較 大 , 所 以 需 要 采 用 大 功 率 調(diào) 整 管 并 且 需 要 裝 配 體 積 很 大 的 散 熱 器 。 線 性 電 源 是 另 一 種 常 見 的 電 源 , 它 是 通 過 串 聯(lián) 調(diào) 整 管 可 以 進(jìn) 行 連 續(xù) 控 制 的 線 性 穩(wěn) 壓 電 源 。 相 控 電 源 所 用 的 變 壓 器 是 工 頻 電 源 變 壓 器 , 它 的 體 積 比 較 龐 大 , 由 此 造 成 相 控 電 源 本 身 的 體 積 龐 大 、 效 率 低 下 , 并 且 該 類 電 源 動(dòng) 態(tài) 響 應(yīng) 差 、 可 靠 性 能 低 。 充電電源的發(fā)展 狀況 目前 ,常用的充電電源主要有以下三種 :相控電源、線性電源、開關(guān)電源 ,而單片機(jī)充電發(fā)展比較慢 。 盡 管 己 經(jīng) 有 很 多 充 電 方 法 出 現(xiàn) , 但 由 于 各 種 條 件 的 限 制 , 仍 然 不 能 滿 足 最 佳 充 電 電 流 曲 線 的 要 求 。 8 智 能 充 電 方 法 是 讓 實(shí) 際 充 電 電 流 動(dòng) 態(tài) 跟 蹤 可 接 受 充 電 電 流 , 這 種 充 電 方 法 不 會(huì) 對(duì) 蓄 電 池 造 成 過 充 電 , 而 且 充 電 時(shí) 間 很 短 , 一 般 在 五 六 個(gè) 小 時(shí) 。分級(jí)定電流充電法結(jié)合了恒流充電法 與 恒壓充電法的特點(diǎn) ,在充電初期采用盡可能大的充電電流充電 ,使蓄電池在短期內(nèi)充入盡可能多的容量 ,中期采用較小的充電電流 ,最后采用小電流充電 ,使蓄電池完全充滿電。缺點(diǎn)是 : 無法 區(qū)別電池的放電深度；容易 使電池 過充電 ,從而使 蓄電池內(nèi)部電壓過高 ,極化現(xiàn)象嚴(yán)重 ,蓄電池失水過多 ,會(huì)對(duì) 蓄電池造成不可恢復(fù)的傷害。 3階段充電法 ,是先 使 用恒流充電法達(dá)到設(shè)定的電壓之后 再 轉(zhuǎn)為第 2階段 ,高恒壓充電階段 ,當(dāng)充電電流小到設(shè)定值之后 再 轉(zhuǎn)為第 3階段 —— 涓流充電 ,此時(shí)電壓值 轉(zhuǎn)變?yōu)楦〕潆妷?[7]。以恒電流充電 到 預(yù)定的電壓值 ,再變 為恒電壓完成剩的充電。 該 方法包括 2 階段充電法 與 3 階段充電法。 充電技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 對(duì)于蓄電池 ,傳統(tǒng)充電方法主要 有 恒壓充電、恒流充電 或者 兩者相結(jié)合等方法 ,這些充電方法沒有動(dòng)態(tài)的跟蹤蓄電池可接受的充電電流的大小 ,實(shí)踐證明這些充電方法不但 是 充電時(shí)間長(zhǎng)而且 還 很容易對(duì)蓄電池過沖 ,減少 蓄電池的壽命。一般情況下電動(dòng)車動(dòng)力用電池多工作在深度放電工作狀態(tài) ,因此 ,對(duì)電動(dòng)車動(dòng)力電池的快速充電的研究和設(shè)計(jì)非常必要 [6]。目前由于傳統(tǒng)的充電器充電速度慢 ,充電時(shí)間長(zhǎng)、充電有效容量低、循環(huán)奉命短、對(duì)電池易損傷 ,快速充電技術(shù)至今未能完全解決 ,因而造成電動(dòng)車?yán)m(xù)行里程短 ,電池維護(hù)困難 ,更換頻率高等系列問題 ,成為制約電動(dòng)車發(fā)展的瓶頸 [。在中國(guó) ,電動(dòng)車的大力發(fā)展已經(jīng) 7 是迫在眉睫的事情 ,因而充電器及充電技術(shù)處于十分關(guān)鍵的位置。因此 ,在某種意義說電動(dòng)車的成敗首先取決于電池技術(shù) ,電動(dòng)車能否普及取決于電池技術(shù)是否有突破性進(jìn)展。世界各國(guó)都投入大量的人力物力進(jìn)行開發(fā)研究 ,我國(guó)在這方面的研究剛剛起步 ,汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的研制工作也不很完善 ,這其中有蓄電池技術(shù)與蓄電池充放電技術(shù)兩大難點(diǎn) [。 隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展 ,蓄電池正廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸 ,電力 ,通信等領(lǐng)域的各種設(shè)備中 ,已成為這些設(shè)備的重要部件 ,直接影響到設(shè)備的壽命和可靠性。按照目前的消耗速度 ,石油、天然氣等資源僅僅能再維持?jǐn)?shù)十年的時(shí)間。目前 ,汽車工業(yè)己經(jīng)成為世界主要工業(yè)化國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè) : 一方面 ,汽車工業(yè)的飛速發(fā)展推動(dòng)了全球機(jī)械、能源等工業(yè)的進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)、交通等方面的發(fā)展 ,給人們帶來了大量的就業(yè)機(jī)會(huì)。 此時(shí) ,汽車帶來 的 能源消耗 ,環(huán)境污染等 許 多負(fù)面影響。 在電池設(shè)計(jì)的充電模式中 ,包括涓流充電、大電流充電、恒壓限流充電、浮充電和均衡充電功能 ,在運(yùn)行中單片機(jī)會(huì) 根據(jù)對(duì)被充電池的數(shù)據(jù)采樣和事先設(shè)定的程序來決定何時(shí)加入大電流充電、過充充電、浮充充電、電池充滿時(shí)間并停止。但 因?yàn)?工作情況的復(fù)雜性 ,浮充 的時(shí)候 有電流較高的可能 (電池嚴(yán)重虧電、漏電、負(fù)荷過重等 )。 （ 4） 浮充充電 此階段采用低壓小電流 的 充電 ,用于 補(bǔ)充電池的自然放電 ,此時(shí) 必須 將充電電壓穩(wěn)定在蓄電池的額定電壓附近 (比主充最高限壓要低 )。 （ 3） 過充充電 隨著限壓充電進(jìn)行 ,電池電流也 會(huì) 隨之逐漸減低。 （ 2） 大電流快速充電 主充階段以恒流方式充電。 該 法也稱為準(zhǔn)電壓充電法 ,串聯(lián)的電阻值可按下式計(jì)算 (???內(nèi) ） （ 3） 式中 U— — 充電電源電壓（ V） I— — 充電電流（ A） R(內(nèi) )— — 電池內(nèi)阻（因很小可以忽略） 5 鉛酸蓄電池充電 的 過程 當(dāng)蓄電池完成 了 初充電階段后 ,為加快蓄電池的充電速度 ,且 提高充電效率 ,進(jìn)一步滿足用戶的實(shí)際使用 需求 ,對(duì)充電方式 以及 相關(guān)參數(shù)進(jìn)行 了 修正 [4]。在充電電流 和電池之間串聯(lián)一 個(gè) 電阻 ,稱為限流電阻。恒壓充電 通常 應(yīng)用在電池組電壓較低的場(chǎng)合。 充電電壓選擇 太 低 ,后期充電電流又 太 小 ,充電時(shí)間 太 長(zhǎng) ,不 適用于 串聯(lián)數(shù)量多的電池組充電 。 該 方法較簡(jiǎn)單 ,由于 充電電流自動(dòng)減小 ,所以充電過程中析氣量小 ,充電時(shí)間短 ,能耗低 ,充電效率可達(dá) 80%,如充電電壓選擇得當(dāng) ,可在 8h 內(nèi)完成充電。 這方法 是對(duì)每 一 只單體電池以某一恒定電壓進(jìn)行充電。 就是因?yàn)?這個(gè)缺點(diǎn) ,在國(guó)外 除了 蓄電池需要長(zhǎng)時(shí)間小電流進(jìn)行活化充電外 ,已經(jīng) 很 少使用。 此 種充電方法 非常 適 合 由多數(shù)電池串連 的電池組 ,落后電池的容量 容易 恢復(fù) ,最好 使用在 小電流長(zhǎng)時(shí)間的充電模式。 傳統(tǒng)的充電方式 在充電 的 過程中 伴隨 電池電壓的變化 需要 調(diào)整電流使 其 恒定 ,通常使 用 1oh率或 20h 率電流充電。而負(fù)極亦因生成 PbSO4 、使極化電位降低 ,從而 使 負(fù)極不析氫 ,此時(shí) 電池在 充電 的 過程中負(fù)極生成 了 PbSO4 被 再次 還原成海綿狀鉛 ,這就是免維護(hù)電池特有的內(nèi)部氧循環(huán)反應(yīng)機(jī)理。 鉛酸蓄電池的工作原理 電池充電是通過逆向化學(xué)反應(yīng)將能量存儲(chǔ) 至 化學(xué)系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)的 ,由于使用的化學(xué)物質(zhì)不同 ,電池有自己的特性 ,設(shè)計(jì)充電器時(shí)要仔細(xì)了解這些特性以防止過度充電而損壞電池。而鉛酸電池與鎳福電池由于內(nèi)阻較小 ,可以提供較大的電流 ,則適用于放電速率要求較高的產(chǎn) 品 ,如某些由電池供電的電動(dòng)工具 : 鋤草機(jī)。關(guān)于放電速率要求不高的產(chǎn)品 ,如便攜式計(jì)算機(jī)、蜂窩電話機(jī)和手提式視頻設(shè)備 ,能采用鎳金屬氧化物電池與鋰離子電池。這 4 種蓄電池有一個(gè)共同的功能就是為最終產(chǎn)品提供可補(bǔ)充的電能 ,但不同的電池具有不同的特性 ,適用的對(duì)象與場(chǎng)合也是不同的。但開口蓄的電池不便于維護(hù) ,它要經(jīng)常添加蒸餾水與更換電解液；而密封蓄電池在這一方面具有明顯的優(yōu)勢(shì) : 密封好、無泄露、無污染、無需維 3 護(hù)、易保存等特點(diǎn) ,可以保障人體和各種設(shè)備的安全 [3]。依據(jù)蓄電池的結(jié)構(gòu)又能夠分為開口蓄電池與密封蓄電池 2 種形式。又根據(jù)蓄電池電 解質(zhì)性質(zhì)來區(qū)分 :電解質(zhì)使用稀硫酸的稱作酸性蓄電池；使用堿性電解質(zhì)的稱作堿性蓄電池。移動(dòng)型電池分為電動(dòng)機(jī)車型與啟動(dòng)型蓄電池。在電極里發(fā)生氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)的物質(zhì)被稱作活性物質(zhì)。原電池只可以使用 1 次 ,就是我們所生活里的干