蓄電池相關(guān)畢業(yè)設(shè)計最終版

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　蓄電池以其突出的優(yōu)點，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前在電動車、UPS不間斷電源等領(lǐng)域，它已經(jīng)成為最重要的關(guān)鍵部件之一。充電是蓄電池在生產(chǎn)、使用和保養(yǎng)中必不可少的內(nèi)容。本文介紹了一種用于蓄電池的大功率充電機的設(shè)計過程，主要包括對蓄電池充電方法和充電系統(tǒng)的設(shè)計。</p><p>　　在本系統(tǒng)的設(shè)計中，主電路

2、由全橋隔離型DC-DC換流器組成，功率開關(guān)管選用IGBT，控制電路以PID為核心，通過比較蓄電池的端電壓和充電電壓得到開關(guān)管的移相角，控制主電路開關(guān)管的開通時刻來實現(xiàn)充電狀態(tài)的控制，系統(tǒng)中的輔助電路對系統(tǒng)起到了很好的保護作用。</p><p>　　本文最后給出了系統(tǒng)的仿真的實驗波形，仿真和實驗結(jié)果表明:充電機輸出電壓穩(wěn)定，紋波小，滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：蓄電池；

3、 IGBT； 充電； PID控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Battery with its outstanding qualities, in all areas of a wide range of applications. Currently in electric cars, UPS and other f

4、ields, it has become one of the most important key components. Rechargeable battery in production, is using and maintenance of indispensable content. This paper introduces a kind of used for large power charging the batt

5、ery machine design process, mainly including the battery charging method and charging system design.</p><p>　　In the design of the system, the main circuit, with the whole bridge type DC-DC isolation in the

6、flow of power switch tube choose IGBT, control circuit with PID as the core, through the comparison of the battery voltage of the charge voltage and get the switch tube moving phase Angle, control the main circuit switch

7、 tube the opening of the moment to realize the control of the charging, system of auxiliary circuit of the system has played a very good protection.</p><p>　　This paper gives the system simulation experiment

8、 waveform, the simulation and experiment results show that charger output voltage stability, ripple small, meet the design of the system requirements.</p><p>　　Key words: Storage battery； IGBT； charging；

9、 PID control</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目錄III</b></p><p><b>　　1

10、緒論1</b></p><p>　　1.1 研究背景1</p><p>　　1.2 研究意義2</p><p>　　1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4 本文主要研究內(nèi)容5</p><p>　　2 蓄電池的工作原理和特性分析6</p><p>　　2.1

11、蓄電池的種類和特性6</p><p>　　2.2 蓄電池的工作原理分析7</p><p>　　2.2.1 蓄電池的放電原理分析7</p><p>　　2.2.2 蓄電池的充電原理分析7</p><p>　　2.3 蓄電池的充電過程分析9</p><p>　　2.4 充電方法和控制策略的選擇10</p&

12、gt;<p>　　2.4.1 恒流充電10</p><p>　　2.4.2 恒壓充電10</p><p>　　2.4.3 充電方法分析和控制策略的選擇11</p><p>　　3 系統(tǒng)的總體設(shè)計12</p><p>　　3.1 系統(tǒng)原理圖12</p><p>　　3.2 DC-DC降壓變換器拓撲

13、分析12</p><p>　　3.2.1 Buck變換器13</p><p>　　3.2.2 Buck-boost變換器13</p><p>　　3.2.3 Cuk變換器14</p><p>　　3.2.4 單端正激（Forward）變換器14</p><p>　　3.2.5 單端反激式（Flyback）變換

14、器15</p><p>　　3.2.6 全橋（Bridge）變換器16</p><p>　　3.3 系統(tǒng)充電主回路的選擇17</p><p>　　4 系統(tǒng)電路設(shè)計和算法設(shè)計19</p><p>　　4.1 系統(tǒng)主回路參數(shù)設(shè)計與硬件設(shè)計19</p><p>　　4.1.1 變壓器參數(shù)設(shè)計19</p>

15、;<p>　　4.1.2 濾波器設(shè)計19</p><p>　　4.1.3 系統(tǒng)主回路開關(guān)管的設(shè)計20</p><p>　　4.1.4 系統(tǒng)主回路電路圖21</p><p>　　4.2 系統(tǒng)控制回路的設(shè)計22</p><p>　　4.2.1 系統(tǒng)控制回路原理圖22</p><p>　　4.2.2

16、系統(tǒng)控制回路設(shè)計圖22</p><p>　　4.3 系統(tǒng)總電路設(shè)計圖23</p><p>　　4.4 系統(tǒng)控制算法設(shè)計25</p><p>　　4.4.1 系統(tǒng)控制算法的選擇25</p><p>　　4.4.2 系統(tǒng)PID參數(shù)的整定26</p><p>　　5 系統(tǒng)仿真及波形分析27</p>

17、<p>　　5.1 系統(tǒng)開環(huán)控制仿真27</p><p>　　5.2 不同PID參數(shù)下的仿真27</p><p>　　5.3 系統(tǒng)仿真下的電壓波形分析29</p><p>　　5.4 系統(tǒng)仿真下的電流波形分析30</p><p>　　5.5 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析31</p><p><b>　

18、　結(jié)束語32</b></p><p><b>　　參考文獻33</b></p><p><b>　　附錄34</b></p><p><b>　　致謝36</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p>&l

19、t;p><b>　　1.1 研究背景</b></p><p>　　隨著全球汽車產(chǎn)量和保有量的不斷增長，使用內(nèi)燃機作為驅(qū)動動力的汽車所帶來的嚴重的環(huán)境污染和越來越緊迫的全球石油資源危機等問題，致使世界各國不得不尋求排放低</p><p>　　及節(jié)能新型交通工具，電動車是新能源交通工具的發(fā)展方向。自1881年法國試制了使用鉛蓄電池作為動力源的電動車以來，世界各國對電

20、動車的研究不斷有新的突破。20世紀以來，尤其是第二次世界大戰(zhàn)后，世界各國開始大力倡導(dǎo)發(fā)展電動交通工具，而電動自行車以其獨特的優(yōu)點，受到極大的推廣使用[1]。把電動自行車視為交通工具更新?lián)Q代的方向，其原因在于以下幾個方面： </p><p>　　①污染小。目前，燃油交通工具的大量使用，排放的尾氣中含有的二氧化碳、氮氧化合物和其他煙霧粉塵是造成環(huán)境污染的主要元兇。采用電動自行車作為交通工具，可減少排污95%以上，甚至

21、還可以做到零排放； </p><p>　　②節(jié)約能源。電動自行車的能耗約為燃油交通工具能耗的1/30～1/20,此外，還可以利用夜用電網(wǎng)負荷下降時進行充電維護； </p><p>　?、劢Y(jié)構(gòu)和控制簡單，易于操作和維修； </p><p>　?、芸衫枚喾N形式的能源進行轉(zhuǎn)化，使用成本降低[2]； </p><p>　　隨著電動車的大力推廣使用，

22、裝備電動車的主要部件也已經(jīng)達到初步實用化的階段[2]： </p><p>　?、倮孟⊥链判圆牧现瞥啥喾N形式的永磁電機，使得電動自行車的功率加大，重量得以減輕、效率得到提高； </p><p>　?、诶矛F(xiàn)代電子技術(shù)研制成功的IC、印刷線路板以及大功率組合晶體管構(gòu)成的電子開關(guān)和保護電機線路控制，可以做到更簡便、更靈活有效的控制；</p><p>　?、垩兄瞥鍪褂糜诓?/p>

23、同蓄電池的蓄電池充電器，既有慢速自動充電，也有節(jié)能、快速自動關(guān)斷的智能充電器。當前，電動汽車、摩托車、電動三輪車、電動腳踏車等電動車輛都可以根據(jù)已有的電機、電子控制技術(shù)，設(shè)計制造出不同的車型，這些都已不再是電動車輛發(fā)展的技術(shù)難點所在[1]。唯有作為電動車輛動力源的蓄電池和相匹配的充電機成為電動車輛達到實用化和商品化的技術(shù)關(guān)鍵。相對性能較為穩(wěn)定的部件，蓄電池和充電器兩大關(guān)鍵部件在技術(shù)突破上存在一定的遲滯性，造成蓄電池的循環(huán)壽命受損，成為制

24、約電動自行車快速發(fā)展的瓶頸。由此可見，解決好電動自行車用蓄電池的充電器及充電技術(shù)問題，對電動自行車的快速發(fā)展會起到很大的推動作用。 </p><p><b>　　1.2 研究意義</b></p><p>　　蓄電池作為一種儲能設(shè)備具有電壓穩(wěn)定、供電可靠、移動方便等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)社會的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛了，而蓄電池的種類也比較多。各種不同的蓄電池有不同的應(yīng)用場合：一些能

25、量密度高的蓄電池，比如鎳氫電池、鋰離子電池主要用于便攜式電話機等移動通訊設(shè)備、筆記本電腦、攝像機中；而能量密度相對較低一點，但價格便宜的鉛酸電池則廣泛用于郵電、電力系統(tǒng)、煤礦等行業(yè)[3]。特別是技術(shù)最成熟的鉛酸蓄電池，由于具有電動勢高、能大電流放電、使用溫度范圍寬、性能穩(wěn)定、工作可靠、價格低廉、原材料來源豐富等優(yōu)點，因此在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域，尤其在電動汽車動力電源、工礦電機車動力源、汽車啟動電源等方面得到了廣泛的應(yīng)用[2]。鉛酸蓄電池的產(chǎn)

26、量和使用量均占所有二次電池的75%，相對于其它蓄電池仍然具有不可替代的地位。</p><p>　　隨著蓄電池制造技術(shù)的日漸成熟和使用上的大力推廣，蓄電池的發(fā)展前景是廣闊的，但就目前的技術(shù)水平來講，作為動力源用的蓄電池還未達到標準化生產(chǎn)。上海市曾于1997年制定DB31/202—1997地方標準，規(guī)范蓄電池的生產(chǎn)標準。蓄電池要想實現(xiàn)標準化生產(chǎn)，起碼要滿足以下標準條件[3]： </p><p>

27、;　?、俦饶芰看笥?0wh/kg； </p><p>　?、趬勖?h率條件下達1200～1500次循環(huán)； </p><p>　?、鄢潆姾竺看慰尚旭?60km以上； </p><p>　　④有足夠的功率供電動自行車在5s內(nèi)從零加速到10km/h。 </p><p>　　要想達到這一標準，目前面臨的困難主要是，蓄電池的能量、功率與循環(huán)壽命等指標

28、間的相互沖突。雖然提高蓄電池活性物質(zhì)的利用率、改進蓄電池組極板和單體電池之間的連接、加大蓄電池的放電深度等方法可以有效的提高鉛酸蓄電池的比能量和比功率，但這些方法也會導(dǎo)致不良的后果，像易造成蓄電池內(nèi)部極板上活性物質(zhì)的脫落、骨芯的腐蝕等，這將損害鉛酸蓄電池的使用壽命[4]。由此可見，提高蓄電池的質(zhì)量，延長其使用壽命是未來蓄電池發(fā)展的必然趨勢。 </p><p>　　因蓄電池使用導(dǎo)致的放電程度夏季超過50%，冬季超過

29、25%需要恢復(fù)容量而進行補充充電；為防止蓄電池硫化，正常使用的蓄電池，每隔三個月應(yīng)進行一次預(yù)防硫化的過充電；蓄電池在使用中常處于部分放電的狀態(tài)，只有少量活性物質(zhì)參加工作，長期下去，不參加化學反應(yīng)的活性物質(zhì)會收縮硬化，不能使用，使蓄電池容量降低，為迫使全部的活性物質(zhì)都參加工作，可每隔3個月進行一次充放電鍛煉；蓄電池由于制造材料、使用因素等原因，會出現(xiàn)單格電池的端電壓、電解液密度、容量等差異，對蓄電池的使用極為不利，為此需要進行均衡充電[5

30、]。及時、正確地給蓄電池充電，不僅可以恢復(fù)蓄電池的容量使其處于良好的技術(shù)狀態(tài)，而且可以有效的防止故障的發(fā)生和延長蓄電池的使用壽命。實際工作中要根據(jù)蓄電池的不同應(yīng)該選用不同的充電方法。</p><p>　　蓄電池充電技術(shù)是從二次電池誕生開始的，而且和蓄電池的發(fā)展與應(yīng)用有著極為密切的關(guān)系。最初的充電技術(shù)是法國物理學家普蘭特在1859年發(fā)明了蓄電池后首先發(fā)明的，當時他采用的是原電池充電，普蘭特蓄電池由于其特性不佳和極板

31、表面電化加工制造的困難，并沒有實際應(yīng)用上的意義[4]。1882年賽隆采用鉛銻合金制造板柵，增加了板柵的機械強度，開始應(yīng)用發(fā)動機帶動直流發(fā)電機做電源進行充電[5]。從此，蓄電池才真正具有實際應(yīng)用價值[6]。隨著變壓器技術(shù)和整流技術(shù)的發(fā)展1914年以后，才開始使用交流電源供電，交流電源經(jīng)過變壓器變壓和整流后向蓄電池充電。第二次世界大戰(zhàn)期間，世界各國對蓄電池的應(yīng)用都極為的重視，紛紛研究和總結(jié)蓄電池的充電規(guī)律，根據(jù)當時世界各國對蓄電池充電特性的

32、認識提出了總結(jié)性的充電經(jīng)驗法則，即常規(guī)充電的經(jīng)驗規(guī)律，這些經(jīng)驗法則是[6]： </p><p>　?、傩铍姵販囟葹?5℉（24℃）時，充電電壓應(yīng)為2.3V 左右，在此基礎(chǔ)上溫度每上升一度，電壓應(yīng)相應(yīng)的降低0.004V。 </p><p>　?、谛铍姵氐某潆婋娏鳎▎挝粸榘才啵┎粦?yīng)超過蓄電池待重新充入的安時數(shù)。 </p><p>　?、墼诓粶p損蓄電池循環(huán)壽命的情況下，完

33、成蓄電池滿充電的時間，不能少于5小時。 </p><p>　　國內(nèi)大容量充電設(shè)備主要采用自禍變壓器或晶閘管電路，充電模式主要沿用恒流恒壓</p><p>　　直流式充電。采用自藕變壓器或晶閘管電路時，輸出的充電電壓交流紋波分量大，易導(dǎo)致</p><p>　　電池處于“暫時過壓充電”狀態(tài)，內(nèi)部產(chǎn)生額外升溫，使電池極板產(chǎn)生應(yīng)力，加速電池的</p><

34、p>　　損壞[6]。而且隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，采用自藕變壓器或晶閘管的傳統(tǒng)大容量充電設(shè)備，已不能滿足小型、輕質(zhì)、高效和低噪音等要求[7]。</p><p>　　美日等國家對蓄電池的性能和理論研究一直走在我國的前面，有關(guān)大容量蓄電池智能</p><p>　　充電技術(shù)的研究起步也較早，有關(guān)充電電路的設(shè)計和控制技術(shù)十分成熟，主要研究重點在</p><p>　　

35、于如何減少充電電流的紋波成分，為蓄電池提供安全高效率的充電電源，以及對均衡充電</p><p>　　技術(shù)的研究。集中來說主要是力求設(shè)備簡單、安全、高效和控制方便。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　伴隨著蓄電池的產(chǎn)生和實際應(yīng)用，電池的充電技術(shù)也應(yīng)運而生了。19世紀90年代，以鉛酸蓄電池為動力能源的電動車首次投入運營，當時配備的車載充電器

36、是采用恒流輸出的方式，同時監(jiān)測電解液密度來決定電池的充電狀態(tài)[8]。這種恒流充電方式成為傳統(tǒng)充電方式之一，即充電時全程采用恒定不變的電流充電，該方式一般適用于小電流長時間的充電。另外一種傳統(tǒng)的充電方式是恒壓充電，即采用較低電壓的恒定電壓充電。還有這兩種充電方式的變形，如兩段恒流、恒壓限流方式。因為這些方式?jīng)]有準確的控制，模式單一，所以采用這樣的方式進行充電，結(jié)果會充電時間長、充電效率低、能耗高[4]。但是由于其實現(xiàn)簡單、控制量小，在有些

37、場合仍然被采用。</p><p>　　馬斯發(fā)現(xiàn)了析氣反應(yīng)在電池充電過程中的重要性，并提出了以最小析氣反應(yīng)率為前提的蓄電池可接受充電電流曲線，如圖1-1所示[6]。由該曲線可以看出，在充電的初期電池可以接受大電流的充電，但隨著充電的進行，電池可以接受的充電電流逐漸減小，并且充電時間越長，可接受的充電電流越小。馬斯定律的提出為現(xiàn)代快速充電技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　圖1-1

38、馬斯充電曲線 </p><p>　　國內(nèi)外很多學者和技術(shù)人員都針對縮短充電時間、提高充電效率和改進充電效果進行了大量工作。日本一些研究人員研究了多階段恒流充電對電動車用動力型閥控式鉛酸蓄電池充電時間和充電效果的影響，認為采用多階段恒流充電過程中第1階段電流選擇0.5C，能夠有效地縮短充電時間、延長電池工作壽命[5]。國內(nèi)也提出了變電流間歇快速充電方法，即用多階段恒流并在每恒流階段之間進行間歇，并將該方式與一段恒流

39、充電的方式進行了比較。結(jié)果認為，用多階段變電流間歇快速充電方法可有效縮短充電時間，提高充電電量[6]。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)，部分的大電流充電不僅不會減少電池使用壽命，反而還會延長，提高電池循環(huán)過程中的工作性能。在蓄電池的充電過程中，不可避免的會發(fā)生由歐姆極化、濃差極化和電化學極化構(gòu)成的極化現(xiàn)象導(dǎo)致充電電壓升高，充電效率降低[4]。為了減小充電過程產(chǎn)生的極化量，有效增大充電電量、提高充電效率，研究者對充電波形的變化進行了相應(yīng)的工作。L.T

40、Lam[4]等研究了在充電過程中脈沖電流對電池電化學性能和工作壽命的影響，并與恒流充電進行了比較。他們認為與恒流充電比較脈沖充電不僅可以有效減少充電時間而且可以延長電池的工作壽命。</p><p>　　在國內(nèi)，蓄電池充電裝置較多采用的是晶閘管硅整流設(shè)備，盡管晶閘管整流設(shè)備功率密度低，但由于其工作可靠，仍得到廣泛的應(yīng)用，其控制方案一般為模擬調(diào)節(jié)式[5]。隨著生產(chǎn)中工藝要求的提高，蓄電池的充電速率和效率越來越受到重視

41、?？焖俪潆娂夹g(shù)的研究和改造在最近幾年得到了很多科研人員的關(guān)注，而且取得了一些成果，并首先成功的應(yīng)用到電動汽車和煤礦機車牽引用蓄電池中[6]。改造過的快速充電器都實現(xiàn)了數(shù)字化控制，借助微機控制，使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大提高，使充電系統(tǒng)的調(diào)試和維護工作大大減少。針對傳統(tǒng)充電方法充電緩慢、安全性能不好等缺點，目前國內(nèi)外陸續(xù)提出了一些新型的充電方法，如分級定流充電法、脈動式充電法、Reflex充電法、變電流間歇充電法等實現(xiàn)最佳充電模式[2]。對

42、于鉛酸蓄電池來講，其中的分級定流法己得到廣泛的應(yīng)用，近幾年，也有人開始采用更加新穎的充電控制方法，例如模糊控制充電法，利用模糊控制本身適合處理非線性系統(tǒng)的優(yōu)勢，更好的處理充電過程中的時變性和干擾性等常規(guī)控制方法難以解決的問題[6]。</p><p>　　1.4 本文主要研究內(nèi)容</p><p>　　蓄電池充電設(shè)備的好壞直接影響蓄電池的容量和使用壽命,電池的性能好壞，使用壽命長短直接影響到電

43、子產(chǎn)品的使用壽命和安全，因此關(guān)于蓄電池充電器電路設(shè)計的研究顯得特別的重要。本論文以10kw蓄電池充電機為例，探討了全橋型DC-DC變換器的設(shè)計方法和控制策略，并為其設(shè)計所需要的反饋電路。最后在其硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上分析了充電機的性能，設(shè)計了電路參數(shù)，整定了系統(tǒng)控制算法的參數(shù)，最后在此基礎(chǔ)上完成了系統(tǒng)的仿真。</p><p>　　根據(jù)課題要求，本論文主要需要完成以下幾個方面的工作:</p><p

44、>　　蓄電池工作原理及特性分析</p><p>　　分別從蓄電池的充電和放電兩方面介紹蓄電池的工作原理，其中包括介紹蓄電池的一些基本概念，并在此基礎(chǔ)上對蓄電池的特性進行分析，分析蓄電池的充電過程，最后還需要完成系統(tǒng)充電機充電方法和充電策略的選擇。</p><p><b>　　完成系統(tǒng)的總體設(shè)計</b></p><p>　　設(shè)計系統(tǒng)的原理框

45、圖，并說明系統(tǒng)的工作原理。根據(jù)系統(tǒng)中的輸入、輸出電壓，充電機輸出功率、電壓紋波、電流紋波等一些性能指標要求，論證各種設(shè)計方案，然后選擇其中最適合本系統(tǒng)充電機的充電主回路-即DC-DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。</p><p>　　完成系統(tǒng)的電路設(shè)計及控制算法設(shè)計</p><p>　　首先要按照系統(tǒng)設(shè)計要求和系統(tǒng)主回路電路拓撲，計算出系統(tǒng)主回路的電路元件的參數(shù)，并完成系統(tǒng)主回路中相關(guān)電力元件的選型，

46、然后再設(shè)計出系統(tǒng)的控制回路，說明控制回路的控制原理，完成系統(tǒng)控制算法的設(shè)計并整定PID控制算法的參數(shù)。最后根據(jù)主回路和控制回路的設(shè)計，完成系統(tǒng)的總電路設(shè)計。</p><p>　　完成系統(tǒng)仿真并分析仿真結(jié)果</p><p>　　按照系統(tǒng)的總電路設(shè)計，在MATLAB軟件上完成系統(tǒng)的仿真，對比仿真結(jié)果結(jié)果說明系統(tǒng)設(shè)計是否合理，以及設(shè)計的充電機是否滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。</p><

47、;p>　　2 蓄電池的工作原理和特性分析</p><p>　　2.1 蓄電池的種類和特性</p><p>　　蓄電池是化學電池的一種，所謂化學電池是指將化學能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。一般使用的化學電池分為原電池和蓄電池兩種。原電池只能使用一次，即我們所說的干電池，蓄電池就可以多次反復(fù)使用。當蓄電池使用一段時間后，即部分放電或完全放電，用適當?shù)姆聪螂娏魍ㄈ腚姵兀葱铍姵乜梢栽俅螌㈦娔苻D(zhuǎn)化

48、為化學能儲存起來。這種反向充電補充能量的過程即是電池的充電過程，而電池將自身的能量以電能的形式供給外線路的過程即放電過程。</p><p>　　蓄電池主要由三部分組成：發(fā)生氧化反應(yīng)的陽極、發(fā)生還原反應(yīng)的陰極、將陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)統(tǒng)一在一起的介質(zhì)電解液。在電極里發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的物質(zhì)被稱為活性物質(zhì)。根據(jù)蓄電池的反應(yīng)物質(zhì)可以分為酸性蓄電池和堿性蓄電池，例如鉛酸蓄電池為酸性蓄電池，而鎳鎘電池為堿性蓄電池[4]。根

49、據(jù)蓄電池的結(jié)構(gòu)又可以分為開口蓄電池和密封蓄電池兩種形式[5]。開口蓄電池具有以下特點：可以進行大電流放電、自放電小等。但開口蓄電池不便于維護，它需要經(jīng)常的補加蒸餾水和更換電解液；而密封蓄電池在這方面具有明顯的優(yōu)勢，它具有密封好、無泄漏、無污染、無需維護、易保存等特點，能夠保障人體和各種設(shè)備的安全[3]。</p><p>　　目前主要的蓄電池有以下四種：密封鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳金屬氧化物蓄電池和鋰離子蓄電池。

50、這四種蓄電池具有共同的功能就是為最終產(chǎn)品提供可補充的電能，但不同的電池具有不同的特性，適用的對象和場合也是不同的。各種不同的電池的特性如表1所示[6]。</p><p>　　表1 各種蓄電池的特性</p><p>　　2.2 蓄電池的工作原理分析</p><p>　　蓄電池的正極板活性物質(zhì)為二氧化鉛（PbO2），負極板為海綿狀鉛（Pb），這樣的正、負極板置于稀硫酸中

51、，就會產(chǎn)生兩伏左右電壓。當蓄電池放電時，正負極板上的活性物質(zhì)都與稀硫酸發(fā)生化學反應(yīng)，兩個極板上都逐漸地變成了硫酸鉛（PbSO4）。當兩個極板上的活性物質(zhì)都變成了同樣的硫酸鉛后，蓄電池電壓就降到了終止電壓，不能再放電了。蓄電池放完電時，就應(yīng)立即對它進行充電，使正、負極板的活性物質(zhì)在恢復(fù)為原來的二氧化鉛和海綿狀鉛，這樣鉛酸蓄電池就可以繼續(xù)放電了。</p><p>　　2.2.1 蓄電池的放電原理分析</p>

52、;<p>　　當充滿電的鉛酸蓄電池接上負載放電時，外電路便有了電流通過，此過程中，負極發(fā)生的電化學反應(yīng)為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　由于化學反應(yīng)的發(fā)生，電路中有了電流，顯然電路中的電流是有效物質(zhì)鉛不斷溶解釋放電子的結(jié)果。</p><p>　　正極發(fā)生的電化學反應(yīng)為：</p>

53、<p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　由上式可見，因正極不斷地接受電子，使四價鉛離子還原成二價鉛離子，其最后結(jié)果是大量的有效物質(zhì)二氧化鉛變成硫酸鉛，這一過程同樣是化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程。</p><p>　　在放電過程中，負極反應(yīng)的（2-1）式與正極反應(yīng)的（2-2）式綜合起來，可以得到下列兩極總反應(yīng)式：</p><

54、p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　由式（2-3）說明，蓄電池放電過程是化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程。正負極的二氧化鉛與鉛都變成了硫酸鉛。電解液的濃度，特別是極板細孔內(nèi)的濃度變化很大[4]。因濃度差極化、電化學極化等極化因素的影響，使鉛酸電池端電壓逐漸下降；同時該過程中消耗硫酸生成水，電解液的比重逐漸降低。因此可根據(jù)放電過程中，蓄電池端電壓的下降及電解液的比重的降低程度來

55、判斷蓄電池的放電程度或是否放電終了，這是有理論依據(jù)的[6]。</p><p>　　2.2.2 蓄電池的充電原理分析</p><p>　　蓄電池在放電以后，正、負兩極板上的終了物質(zhì)都是硫酸鉛。要使正、負極板上的硫酸鉛在恢復(fù)為原來的二氧化鉛和海綿狀鉛，使用直流電源進行充電。充電的過程中，正、負極板發(fā)生的反應(yīng)正好與放電過程相反。在負極上，由于直流電源的作用，電子不斷的由正極運送到負極，使負極還原

56、速度大大地大于氧化反應(yīng)速度。因此PbSO4不斷地被還原為 Pb，其反應(yīng)式如下：</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　由于電源的作用，負極積累了一定的負電荷。由于溶液中電場的作用，使電解液中的離子向負極板遷移與電極上解離下來的離子結(jié)合，即：</p><p><b>　　（2-5）</b><

57、;/p><p>　　在充電過程中，負極PbSO4不斷地恢復(fù)為Pb,是外電源作用的結(jié)果。因此,充電是電能不斷的轉(zhuǎn)化為化學能的結(jié)果。</p><p>　　在正極上，PbSO4在直流電源的作用下，使電子不斷地從鉛酸蓄電池的正極板輸出，因遷移作用，電解液中的離子不斷地從正極周圍移向負極，離子則不斷地移到正極來，反應(yīng)過程如下：</p><p><b>　?。?-6）&l

58、t;/b></p><p>　　由上式可見，鉛的化合價由正二價變成正四價，這一過程是氧化反應(yīng)，使有效物質(zhì)PbSO4不斷地變?yōu)镻bO2，這同樣是在外電源的作用下得到的結(jié)果，因此也是電能轉(zhuǎn)化為化學能的過程。</p><p>　　把式（2-4）與式（2-6）合并起來，整個充電過程的反應(yīng)式如下：</p><p><b>　?。?-7）</b>&l

59、t;/p><p>　　式（2-7）說明，在充電過程中，由于正、負極的有效物質(zhì)分別恢復(fù)為PbO2與Pb ，電解液中消耗的水生成硫酸，電解液的比重逐漸升高，到充電終期，電解液比重升到最大值并保持不變。</p><p>　　蓄電池到了充電終期，正、負極板上的硫酸鉛絕大部分變?yōu)槎趸U和海綿狀鉛。這時若在繼續(xù)充電就要引起水的分解，正、負極上均有氣泡劇烈的冒出[4]。正極冒出氧氣，負極冒出氫氣。充電電流

60、越大，則氣泡越甚。因此在充電末期電流不宜過大，這樣對蓄電池的使用壽命也是有益的，反應(yīng)式如下：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　綜上所述，在整個充電過程中，由于正、負極上的PbSO4分別逐漸恢復(fù)為PbO2與Pb ，特別是各種極化因素的影響，使鉛酸蓄電池端電壓逐漸上升，到充電終期上升到最大值；在充電過程中，消耗水生成硫酸，電解液比重則逐

61、漸上升，到充電終期，上升到最大值，保持不變；同時水開始大量分解，有大量氣泡冒出，使電解液出現(xiàn)沸騰狀。因此，在蓄電池充電過程中，可根據(jù)端電壓、電解液比重、氣泡生成情況三方面來判斷鉛酸蓄電池的充電程度或充電是否終了的標志[6]。</p><p>　　2.3 蓄電池的充電過程分析</p><p>　　鉛酸電池的電壓在充電過程中會不斷地變化，以恒流對鉛酸電池充電，其端電壓隨時間變化的規(guī)律即充電特性

62、曲線，如圖2-1所示[6]。</p><p>　　從圖2-1中可以看出，充電初期電池的端電壓上升很快，如圖中曲線oa段。這是因為充電開始時，電池兩極的硫酸鉛分別轉(zhuǎn)化為二氧化鉛，同時生成硫酸，極板表面和活性物質(zhì)微孔內(nèi)的硫酸濃度驟增，又來不急向極板外擴散，電池的電動勢迅速升高，所以電池端電壓急劇上升。充電中期，如圖中曲線ab段，由于電解液的相互擴散，極板表面和微孔內(nèi)的電解液濃度不再急劇上升，所以端電壓比較緩慢地上升。

63、這樣，隨著充電的進行，活性物質(zhì)逐步轉(zhuǎn)化為二氧化鉛和鉛，孔隙逐漸擴大，孔率增加。至曲線的b點（此時端電壓約2.3V左右）時，活性物質(zhì)已大部分轉(zhuǎn)化為二氧化鉛和鉛，極板上所余硫酸鉛不多，如果繼續(xù)充電，則會使水大量分解，開始析出氣體。由于部分氣體吸附在極板表面來不及</p><p>　　釋出，增加了內(nèi)阻并造成正極電極電位升高，因此電池端電壓又迅速上升，如曲線bc段。當充電達到cd段時，因為活性物質(zhì)已全部還原為充電時的狀態(tài)

64、，水的分解也逐漸趨于飽和，電解液劇烈沸騰，而電壓則穩(wěn)定在2.7V左右，所以充電至d點即應(yīng)結(jié)束。以后無論怎樣延長充電時間，端電壓也不再升高，只是無謂地消耗電能進行水的分解。如果在d點停止充電，端電壓迅速降低至2.3V。隨后，由于活性物質(zhì)微孔內(nèi)的硫酸逐漸擴散，微孔內(nèi)外的電解液濃度趨于相同，端電壓亦緩慢地下降，最后穩(wěn)定在2.06V左右，如圖中曲線的虛線部分。</p><p>　　圖2-1 蓄電池充電時端電壓的變化曲線&

65、lt;/p><p>　　實驗表明，充電末期的終了電壓和充電電流的大小有關(guān)[4]。如果降低充電電流，電池內(nèi)電壓降低，水的分解減少，吸附在極板表面周圍的氣體相應(yīng)減少，充電末期的終了電壓也略低。相反，如果充電末期電流過大，不僅要毫無意義地消耗大量的電能，而且由于冒氣過多，會強烈的沖刷活性物質(zhì)使之脫落，而影響電池的性能，所以在充電末期采用較小的充電電流是有益的[5]。同時由于充電末期電流的大小會使充電終了電壓發(fā)生變化，所以不

66、能通過硬性規(guī)定一個固定的終了電壓值來判斷蓄電池是否完全充電，而是要根據(jù)蓄電池已充入的電量、冒氣狀況以及極板的顏色等情況綜合判斷，才能得出正確的結(jié)論。</p><p>　　2.4 充電方法和控制策略的選擇</p><p>　　傳統(tǒng)的充電方法主要有恒流充電、恒壓充電、分階段充電。使用傳統(tǒng)充電方法的充電控制電路比較簡單，充電功率一般比較小。</p><p>　　2.4.1

67、 恒流充電</p><p>　　恒流充電就是蓄電池在充電過程中，始終以恒定不變的電流來充電的充電方法，實現(xiàn)起來簡單，易于處理。它包括單一恒流充電和分階段恒流充電，其充電電壓、電流波形如圖2-2所示[6]。</p><p>　　圖2-2 恒流充電的電壓、電流波形</p><p>　　兩種充電方式的區(qū)別在于：分段恒流充電的充電電流在一個充電周期中是變化的，而單一恒流充

68、電則保持充電電流恒定不變直到充電結(jié)束。單一恒流充電為了避免后期過大的充電電流對電池造成損壞，恒流值設(shè)定較低，因此充電時間一般較長。分段恒流充電雖然可以根據(jù)充電狀態(tài)調(diào)整，先以較大電流充電，并逐步減小，有效減小析氣和極化現(xiàn)象，但是轉(zhuǎn)換電流時機需要合理選擇。</p><p>　　2.4.2 恒壓充電</p><p>　　恒壓充電是保持電池端電壓恒定值的充電方法，其充電電壓、電流波形如圖2-3所示

69、。恒壓充電的時候，充電初始電流很大。隨著充電的進行，蓄電池電勢和電解液密度逐漸上升，在充電末期，充電電流較小。</p><p>　　恒壓充電較為容易實現(xiàn)，且控制簡單，但是由于電池等效串聯(lián)內(nèi)阻一般較小，初始電流很大，嚴重時可能引起極板彎曲、活性物質(zhì)脫落以及蓄電池溫度過高，從而損壞電池；如果降低恒壓值，雖然可以減小初始電流大小，但是充電時間過長且易造成充電不足，同樣縮短電池的使用壽命。</p><

70、p>　　圖2-3 恒壓充電的電壓、電流波形</p><p>　　2.4.3 充電方法分析和控制策略的選擇</p><p>　　由上述分析可知，恒流充電就是蓄電池在充電過程中始終以恒定不變的電流來充電的充電方法，實現(xiàn)起來簡單，易于處理，恒流充電的缺點是:充電電流在初始階段電流過小，中后期又偏大，整個充電時間一般在15h以上，析氣嚴重，對蓄電池危害較大，能耗高[6]。因此人們在恒流充電

71、方式的基礎(chǔ)上加以改進，即采用恒流限壓的充電方式。為避免過充電，在充電后期采用限壓措施，減小充電電流，避免損壞電池。恒壓充電就是在整個充電過程中保持蓄電池充電電壓不變的充電方法。與恒流充電法相比，其在充電過程中更接近蓄電池的最佳充電曲線[5]。其缺點是:在充電初期，其充電電流會很大，對蓄電池的壽命造成很大影響。另外，大電流充電會造成蓄電池極板彎曲，造成電池報廢。人們?yōu)榱丝朔銐撼潆姷娜秉c，在其基礎(chǔ)上進行改進，即在充電初始階段采取限制充電電

72、壓的辦法，以緩解剛開始電流過大的問題，這就是恒壓限流的方式。由以上幾種方法相比較可知，恒流充電對蓄電池的危害最小且具有較大的適應(yīng)性，可以隨意調(diào)整充電電流。在允許的情況下，可以采用大電流充電，減少蓄電池的充電時間。但是，由其缺點可知，恒流充電后期，在充電后期，充電電流基本用在水解電解液上了，不但消耗電能</p><p>　　基于以上分析，本系統(tǒng)采用恒流－恒壓－浮充三階段充電策略，在整個充電期間內(nèi)，始終適時地采取了消

73、除蓄電池極化的措施，避免了蓄電池在充電過程中產(chǎn)生大量氣體和溫升過高的問題;充電后期采用的充電方法可使蓄電池恢復(fù)至完全充電態(tài)，達到額定容量。這種三階段充電法大大縮短了充電時間，提高了充電效率。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)的總體設(shè)計</b></p><p>　　本系統(tǒng)充電機的設(shè)計要以符合系統(tǒng)的設(shè)計要求為目標，本論文的充電機設(shè)計有以下性能指標要求：</p&g

74、t;<p>　　①充電機功率為10kw，充電機輸入端為450-500V的直流電壓；</p><p>　?、诔潆姍C可以控制輸出充電電壓為300-430V，電壓紋波<1%；或控制充電電流變化范圍1-29A，紋波電流<1%；</p><p>　?、鄢潆姍C采用全橋DC-DC隔離架構(gòu)，并使用PID控制。</p><p><b>　　3.1

75、系統(tǒng)原理圖</b></p><p>　　從系統(tǒng)設(shè)計要求中，我們可以看出充電機系統(tǒng)的輸入端為經(jīng)220V市電整流、濾波后的較高的直流電壓，輸出端為DC-DC變換器轉(zhuǎn)換后的較低的直流電壓，所以我們應(yīng)該選擇降壓型DC-DC變換器作為系統(tǒng)充電主回路。而DC-DC變換器中需要用控制回路控制它的輸出電壓、電流值，在此我們可以先設(shè)定DC-DC變換器的輸出值，通過CAN總線采集蓄電池的狀態(tài)信息，然后把蓄電池的電壓、電流

76、值等反饋到系統(tǒng)控制回路，將設(shè)定值與輸出值比較。通過控制回路得到相應(yīng)的控制參數(shù)-延遲時間，從而控制系統(tǒng)的占空比，控制了系統(tǒng)的輸出電壓、電流。由此我們便可以實現(xiàn)充電機系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示。</p><p>　　整流濾波 直流輸出 </p><p>　　延遲時間 電壓、電流值 </p><p>　　圖3

77、-1 系統(tǒng)原理圖</p><p>　　3.2 DC-DC降壓變換器拓撲分析</p><p>　　要完成本課題中充電機的設(shè)計，首先要選擇合適的主電路拓撲結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)主回路要完成直流-直流電壓的轉(zhuǎn)換，而且由上述分析可知，我們應(yīng)該選擇降壓型DC-DC變換器作為系統(tǒng)充電主回路。DC-DC變換器分為非隔離型和隔離型變換器。其中降壓型DC-DC變換器主要包括非隔離型變換器中的降壓（Buck）變換器、

78、升降壓（Buck-boost）變換器和（Cuk）變換器等；隔離型變換器中的正激式（Forward）變換器、反激式（Flyback）變換器和橋式（Bridge）變換器等[7]。</p><p>　　3.2.1 Buck變換器</p><p>　　Buck變換器是DC-DC變換器最基本的兩種拓撲之一。它的電路圖如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 Buck變

79、換器電路圖</p><p>　　Buck變換器的主電路由開關(guān)管T、二極管D、輸出濾波電感L和輸出濾波電容C構(gòu)成。這種電路，電源是電壓源性質(zhì)、負載為電流源性質(zhì)。根據(jù)電感電流是否連續(xù)，Buck變換器有3種工作模式-連續(xù)導(dǎo)電模式、不連續(xù)導(dǎo)電模式和臨界模式。電感電流連續(xù)是指輸出濾波電感L的電流總是大于零，電感電流斷續(xù)是指在開關(guān)管關(guān)斷期間有一段時間流過電感的電流為零。在這兩種工作方式之間有一個工作邊界，稱為電感電流臨界連續(xù)

80、狀態(tài)，即在開關(guān)管關(guān)斷期末，濾波電感的電流剛好降為零。Buck電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等，電路完成把直流電壓Us轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓Uo的功能。</p><p>　　3.2.2 Buck-boost變換器</p><p>　　Buck-boost變換器的原理圖[8]如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 Buck-bo

81、ost變換器原理圖</p><p>　　當可控開關(guān)T處于通態(tài)時，電源Us經(jīng)T向電感L供電使其儲存能量，同時電容C維持輸出電壓基本恒定并向負載R供電。此后，使T關(guān)斷，電感L中存儲的能量向負載釋放?？梢娯撦d電壓極性為上負下正，與電源極性相反，與前面介紹的降壓斬波電路和升壓斬波電路的情況正好相反，因此升降壓斬波電路也稱作反極性斬波電路。升降壓斬波電路的占空比0<a<1/2時為降壓，1/2<a<1

82、時為升壓。若將開關(guān)管T、二極管D看做沒有損耗的理想開關(guān)時，Buck-boost轉(zhuǎn)換器的輸出功率和輸入功率相等。</p><p>　　3.2.3 Cuk變換器</p><p>　　Cuk變換器的原理圖如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 Cuk變換器電路原理圖</p><p>　　Cuk變換器的工作狀態(tài)也分為三種：連續(xù)導(dǎo)電狀態(tài)、不連

83、續(xù)導(dǎo)電狀態(tài)及臨界狀態(tài)。Buck-boost變換器輸入電流和輸出電流都是脈動的，而Cuk變換器在輸入和輸出端均有電感，增加電感L和L1的值，就可使交流紋波電流的值為任意的小，當然這在現(xiàn)實中難以實現(xiàn)。這兩個電感之間可以沒有耦合，也可以耦合，耦合電感可進一步減小電流脈動量，理論上實現(xiàn)“零紋波”。這是Cuk變換器的主要特性。Cuk變換器的輸出電壓可以高于、等于或低于輸入電壓，其大小主要取決于開關(guān)管K的占空比，這和Buck-boost變換器是一樣

84、的。Cuk變換器在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時都進行著能量的儲存與傳遞，從輸入向輸出傳遞功率。Cuk變換器與Buck-boost變換器相比的優(yōu)點是輸入電流和輸出電流都是無紋波的，從而降低了對外部濾波器的要求；缺點是要有足夠大的儲能電容C。</p><p>　　3.2.4 單端正激（Forward）變換器 </p><p>　　單端正激變換器由Buck變換器派生而來，它的電路原理圖[9]如圖3-5所示

85、。</p><p>　　圖3-5 單端正激變換器電路原理圖</p><p>　　前面介紹的三種基本非隔離型的DC-DC變換器結(jié)構(gòu)，他們有一個共同點就是輸入輸出存在直接的電氣連接。然而在實際應(yīng)用中，由于電壓等級變換、安全、串聯(lián)等原因，開關(guān)電源的輸入和輸出往往需要電氣隔離。單端正激變換器的變壓器屬于高頻變壓器，工作原理與其他類型的隔離變壓器不同，變壓器鐵芯必須加氣隙，它的主要作用是隔離，一定

86、情況下也能起到變壓的作用。正激式變換器的缺點也是非常明顯的。其中一個是電路比反激式變換器多用一個大儲能濾波電感，以及一個續(xù)流二極管。此外，正激式變換器輸出電壓受占空比的調(diào)制幅度，相對于反激式變換器來說要低很多。因此，正激式變換器要求調(diào)控占空比的誤差信號幅度比較高，誤差信號放大器的增益和動態(tài)范圍也比較大。正激式變換器還有一個更大的缺點是在控制開關(guān)關(guān)斷時，變壓器初級線圈產(chǎn)生的反電動勢電壓要比反激式變換器產(chǎn)生的反電動勢電壓高[9]。因為一般

87、正激式變換器工作時，控制開關(guān)的占空比都取在0.5左右，而反激式變換器控制開關(guān)的占空比都取得比較小。正激式變換器在控制開關(guān)關(guān)斷時，變壓器初級線圈兩端產(chǎn)生的反電動勢電壓是由流過變壓器初級線圈的勵磁電流產(chǎn)生的。因此，為了提高工作效率和降低反電動勢電壓的幅度</p><p>　　3.2.5 單端反激式（Flyback）變換器</p><p>　　單端反激變換器由Buck-boost變換器派生而來，

88、它的電路原理圖如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 單端反激變換器電路原理圖</p><p>　　單端反激變換器中的變壓器起著儲能元件的作用，可以看作是在一對相互耦合的電感。反激變換器開關(guān)管導(dǎo)通時電源將電能轉(zhuǎn)化為磁能儲存在變壓器中，當開關(guān)管關(guān)斷時再將磁能轉(zhuǎn)化為電能傳送到負載。反激變換器具有以下幾個特點[10]：①電路簡單，效率高；②輸出電壓紋波較大；③處理功率一般在150w以下

89、，常用于如控制系統(tǒng)所需的輔助電源；④非常適合于小功率多組輸出場合應(yīng)用。</p><p>　　同樣，反激變換器也有電流連續(xù)、電流斷續(xù)和電流臨界三種工作方式。這里的電流指</p><p>　　的是變壓器原邊或副邊的電流，稱作磁化電流。反激式變換器的缺點是[7]：由于反激式變換器僅在控制開關(guān)關(guān)斷期間才向負載提供能量輸出，當負載電流出現(xiàn)變化時，變換器不能立刻對輸出電壓或電流產(chǎn)生反應(yīng)，而需要等到下個

90、工作周期時，通過輸出電壓取樣和調(diào)寬控制電路的作用，變換器才開始對已經(jīng)過去了的事件進行反應(yīng)(即改變占空比)，因此，反激式變換器輸出電壓的瞬態(tài)控制特性相對來說比較差。有時，當負載電流變化的頻率或相位正好與取樣、調(diào)寬控制電路輸出電壓的延時特性在相位保持一致的時候，反激式變換器輸出電壓可能會產(chǎn)生抖動。同時反激式開關(guān)變壓器初、次級線圈的漏感都比較大，從而會降低開關(guān)變壓器的工作效率，并且漏感還會產(chǎn)生反電動勢，容易把開關(guān)器件擊穿。</p>

91、<p>　　3.2.6 全橋（Bridge）變換器</p><p>　　在隔離型變換器電路中，正激電路和反激電路屬于單端電路，半橋、全橋等則屬于雙端電路。下面以全橋電路為例，介紹橋式變換器。全橋變換器電路原理圖如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 全橋變換器電路原理圖</p><p>　　四個開關(guān)管VT1～VT4組成全橋PWM逆變器，高頻P

92、WM脈沖輪流控制開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，在一個開關(guān)周期內(nèi)上半周期VT1、VT4導(dǎo)通，VT2、VT3關(guān)斷；下半周期VT2、VT3導(dǎo)通VT1、VT4關(guān)斷。將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成高頻交流方波電壓，加在變壓器一次側(cè)，實現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換。交流方波電壓的頻率由PWM頻率決定，改變開關(guān)的占空比，就可以改變右側(cè)整流電壓的平均值，也就改變了輸出電壓。高頻方波電壓經(jīng)過高頻變壓器升降后，再經(jīng)過全波整流器和LC低通濾波器電路，得到直流輸出電壓，實現(xiàn)AC/DC 轉(zhuǎn)換。當

93、VT1與VT4開通后，右測對應(yīng)的二極管VD1和VD4處于通態(tài)，電感L2的電流逐漸上升；VT2與VT3開通后，二極管VD2和VD3處于通態(tài)，電感L2的電流也上升。當四個開關(guān)都關(guān)斷時，四個二極管都處于通態(tài)，各分擔一半的電感電流，電感L2的電流逐漸下降。VT1和VT2段態(tài)時承受的峰值電壓均為電源電壓。這里需要指出的是，如果VT1與VT4、VT2與VT3的導(dǎo)通時間不對稱，則變壓器一次側(cè)交流電壓中含有很大的直流分量，并可能造成磁路飽和。為了防止直

94、流偏磁現(xiàn)象，最簡單的辦法是在變壓器初級繞組中串接一個隔直電容。電容承</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　全橋式變換器由于兩組開關(guān)管輪流交替工作，相當于兩個開關(guān)電源同時輸出功率，其輸出功率約等于單一開關(guān)電源輸出功率的兩倍。因此，全橋式變換器輸出功率很大，工作效率很高，經(jīng)橋式整流或全波整流后，其輸出電壓的電壓脈動系數(shù)和電流脈動系數(shù)都很小，

95、僅需要一個很小值的儲能濾波電容或儲能濾波電感，就可以得到一個電壓紋波和電流紋波都很小的輸出電壓[11]。</p><p>　　3.3 系統(tǒng)充電主回路的選擇</p><p>　　按照系統(tǒng)設(shè)計要求，本系統(tǒng)充電機功率為10kw，電路電流、電壓值均較大，屬于大功率電路，考慮到系統(tǒng)電力元件的安全和系統(tǒng)的正常工作，充電主電路可選取帶變壓器的隔離型DC-DC變換器。而在隔離型DC-DC變換器中，正激電路

96、的優(yōu)點是電路較簡單，成本低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單，但變壓器單向勵磁，功率范圍為幾百瓦-幾千瓦，適合于各種中小功率電路，不符合系統(tǒng)設(shè)計要求；反激電路具有與正激電路相同的優(yōu)點，但它也有與正激一樣的缺點，功率范圍為幾瓦-幾百瓦，適用于小功率電子設(shè)備、計算機設(shè)備、消費電子設(shè)備電源等，難以達到較大的功率，故也不符合系統(tǒng)的設(shè)計要求；在橋式電路中半橋電路變壓器雙向勵磁，沒有變壓器偏磁問題，開關(guān)較少，成本低，但它的功率范圍也比較低，適用于各種工業(yè)電源

97、，計算機電源等，也不符合系統(tǒng)設(shè)計要求；推挽電路變壓器也是雙向勵磁，它的兩個控制開關(guān)輪流交替工作，其輸出電壓波形非常對稱，并且推挽式變換器在整個工作周期之內(nèi)都向負載提供功率輸出，其輸出電流瞬間響應(yīng)速度很高，電壓輸出特性很好，且它的一次電流回路中只有一個開關(guān)，通態(tài)損耗較低，驅(qū)動簡單，但有偏磁問題，同時兩個開關(guān)器件需要很高的耐壓，其耐壓必須大于工作</p><p>　　相比于前面各種變換器電路，全橋式變換器最大的優(yōu)點是

98、[10]：對4個開關(guān)器件的耐壓要求比推挽式變換器對兩個開關(guān)器件的耐壓要求可以降低一半。因為，全橋式變換器4個開關(guān)器件分成兩組，工作時2個開關(guān)器件互相串聯(lián)，關(guān)斷時，每個開關(guān)器件所承受的電壓，只有單個開關(guān)器件所承受電壓的一半。其最高耐壓等于工作電壓與反電動勢之和的一半，這個結(jié)果正好是推挽式變換器兩個開關(guān)器件耐壓的一半。全橋式變換器主要用于輸入電壓比較高的場合，在輸入電壓很高的情況下，采用全橋式變換器，其輸出功率要比推挽式變換器的輸出功率大很

99、多。因此，一般大功率工業(yè)用電源、焊接電源和電解電源等都使用全橋式變換器，與其它電路相比，全橋電路更適合作為本系統(tǒng)充電機主回路。</p><p>　　綜上所述，本系統(tǒng)充電機屬于大功率電路，并且DC-DC變換器要完成降壓任務(wù)，所以首先選擇帶變壓器的隔離型降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。而在隔離型降壓DC-DC變換器中，正激變換器、反激變換器這兩類單端變換器電路適用功率都比較小，不適合本系統(tǒng)充電機主回路的設(shè)計要求；半橋變換器、推

100、挽變換器這兩種雙端變換器都屬于雙向勵磁，適用功率也比較低，也不能承受較高電壓，亦不適合系統(tǒng)主電路設(shè)計要求；全橋電路這種雙向勵磁變換器適用功率比較大，功率范圍為幾百瓦-幾百千瓦，開關(guān)管可以承受高壓輸入，適合系統(tǒng)設(shè)計要求。故本系統(tǒng)選取如圖3-7所示的全橋DC-DC變換器作為系統(tǒng)充電機主回路。</p><p>　　4 系統(tǒng)電路設(shè)計和算法設(shè)計</p><p>　　在本章里，主要包含主回路參數(shù)設(shè)計與

101、硬件電路設(shè)計，控制回路的電路與算法設(shè)計，最后完成系統(tǒng)的硬件電路總體設(shè)計。</p><p>　　4.1 系統(tǒng)主回路參數(shù)設(shè)計與硬件設(shè)計</p><p>　　4.1.1 變壓器參數(shù)設(shè)計</p><p>　　本系統(tǒng)主回路選擇的變壓器屬于高頻變壓器，充電機變壓器的功率為10KW，充電機輸入電壓Us范圍為450V-500V，輸出電壓Uo范圍為300V-430V。</p&g

102、t;<p>　　本系統(tǒng)開關(guān)頻率取為20kHZ，考慮全橋電路每個橋臂上的開關(guān)管導(dǎo)通壓降為1V，輸出的整流二級管的導(dǎo)通壓降為0.5V，設(shè)N1為全橋DC/DC變換器原邊繞組匝數(shù)，N2為全橋DC/DC變換器副邊繞組匝數(shù)，則有公式[12]：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　當Us最小為450V，Ton為最大值時，變壓器副邊繞組的

103、輸出電壓Uo必須保持設(shè)定值不變。設(shè)定本逆變電源系統(tǒng)功率的傳遞效率為e=0.9，所以2Ton/T=0.9，代入數(shù)值計算得變壓器變比K：</p><p>　　（4-2） </p><p>　　考慮DC-DC變換器1.2倍的過載系數(shù)和變壓器后端90%的效率，可得變壓器傳輸?shù)淖畲蠊β蕿椋?lt;/p><p><b>　　（4-3） </b><

104、;/p><p>　　變壓器原邊電流為： （4-4）</p><p>　　變壓器副邊電流為： （4-5）</p><p>　　4.1.2 濾波器設(shè)計</p><p>　　由系統(tǒng)主回路電路原理圖可知，本系統(tǒng)采用全橋濾波。在本系統(tǒng)全橋濾波電路中，需要計算的

105、參數(shù)有濾波電感的電感值及濾波電容的電容值。</p><p>　　（1） 濾波電感的設(shè)計</p><p>　　額定電流： （4-6）</p><p>　　由公式[10]： （4-7）</p><p>　　可以推

106、導(dǎo)出： （4-8）</p><p>　　其中；；電流紋波，代入本逆變電源系統(tǒng)的參數(shù)，計算得出:</p><p>　　濾波電感 （4-9）</p><p>　　（2） 濾波電容的設(shè)計 </p><p>　　本系統(tǒng)全橋濾波電路電容可選擇耐壓值為800V的鋁電解電容

107、。輸出電壓紋波電壓[11]：，其中：為濾波電容等效串聯(lián)電阻；為所選電感電流紋波（根據(jù)濾波電感設(shè)計中的公式：）。</p><p>　　在本系統(tǒng)充電機中，對于鋁電解電容來說，在很大的容值及額定電壓范圍內(nèi)，鋁電解電容的的乘積基本不變，的范圍為[12]：，此時則有：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　充電機設(shè)計要求輸