汽車蓄電池智能充電系統(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 法的優點,通過有規律的間歇停充來消除電池在充電過程中所產生的極化現象。在整個充電時期內,一直適時地采取去極化措施,以避免了蓄電池在充電過程中產生大量氣體和溫升過高的問題,從而達到大大縮短充電時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行充電。 系統的結構原理框圖本充電系統電路設計圖如附錄二系統電路的設計圖所示。本充電系統電路的結構原理框圖如圖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。在系統設計中,充電電源采用開關電源。通常把采用“交流一直流一交流一直流”這種電路的裝置稱為開關電源。從輸入輸出關系來看,開關電源是一種“交流一直流”的變流裝置,然而由于開關電源采用了工作頻率較高的交流環節,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遠小于傳統的相控電源。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CPUI/O設備圖1 系統的結構原理框圖 控制電路部分是一個實時監測與控制系統,包括了對電池溫度、電池兩端電壓、充電電流等參數的監測,對收集信息的分析與計算處理,對充電機工作參數的設置與顯示等。它的控制過程是通過采集蓄電池的相關參數,送入80C196KB單片機進行預定的分析與計算,得出相應的控制數據,從而控制輸出電壓、電流,完成對蓄電池的智能充電。其中控制電路的核心采用80C196KB單片機芯片,具有高度的集成度。 充放電方法的控制與實現在充電方法的實現上,我設計了以80C196KB單片機控制為主的控制方法,將采集到的電池溫度、電池端電壓、充電電流等狀態信息,送入CPU后再進行處理和判斷,以此來變換充電方式,實現智能充電。其優點是結構簡單、便于操作、維修方便、成本低。在放電方法的實現上,采用大功率IGBT管進行PWM控制,以控制放電電流大小,保持其高穩定性。 單片機充電終止條件控制方法利用單片機對蓄電池充足電后,電池的溫度與內壓都會迅速上升,同時電池的端電壓也會開始下降,出現電壓負增量。假如此時繼續進行快速大電流充電,會對蓄電池造成很大損害。所以,為了保證電池能充足電又不過充電,須使用單片機采取一定的方法來控制充電的停充等問題。目前采用的控制方法很多,通常采取的有定時控制、電壓控制、溫度控制和最小終止電流等方法進行充電終止控制[6]。 最高電壓控制當電池電壓達到最大值時,電池則充足電。充電過程中,當電池電壓達到規定值后,單片機應馬上對蓄電池停止充電。該控制方法的缺點是: 電池充電最高電壓會隨著環境溫度、充電速率而改變,所以,最高檢測電壓必須使用一定的溫度補償,并且還要根據充電速率加以正確的修正。假如最高檢測電壓不會隨溫度變化而自動調整的話,當低溫時,電池會充不足電；高溫時,電池充足電后仍會繼續大電流過充。這樣,會導致電池壽命減小,也會使電池受到損壞。蓄電池組中各單體電池的最高充電電壓也會有差別,所以采用這種方法不可能非常準確地判斷電池已充足電。 定時控制通常用在單片機控制的恒流充電模式中。例如,對于20Ah的蓄電池,電池5h可充足: ,需要10h才可充足電,所有依據電池的容量與充電電流,能夠容易地確定所需求的充電時間。充電過程中,達到預定的充電時間后,定時器會發出信號,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時間大電流過充電。該控制方法較簡單,但由于電池的起始充電狀態不會完全一樣,有的電池充不足,有的電池過充電,又由于充電時間是固定的,因此不能依據電池充電前的狀態來自動調整。所以,。 溫度控制為了不損壞電池,電池溫度過低時不能馬上開始快速充電；電池充足電后,充入的電量都消耗在電池中,電池的溫度會很快上升。電池溫度上升到規定數值后,單片機必須馬上停止對蓄電池充電的過程。電池的溫度可以通過與電池在一起的溫度傳感器件來檢測,再反饋給單片機。當電池溫度大于規定值時,單片機控制自動轉入浮充電模式。當環境溫度較低時,規定的最高溫度值就要偏大一點,這樣會造成過充電,損傷電池。為了不損傷電池,經常采用溫升控制法,即當溫升達到一定值時,充電器便自動轉入浮充電模式。上述各種控制方法各有乾坤,為了使單片機在任何情況下,均能準確可靠地控制電池的充電狀態,目前快速充電器中通常采用的是包括了時間控制、電壓控制和溫度控制的綜合控制法。4 系統硬件介紹及設計 充電電源采用開關電源,開關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撲結構。控制回路是實現電源各種性能要求的核心,其控制機理有調頻調幅調寬諧振等。高頻開關電源的原理框圖如圖2所示[112]。交流電網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電路市電輸出直流圖2 高頻開關電源系統結構圖 從圖2中可以看到,高頻開關電源主要由交流電網濾波電路、輸入整流濾波電路、高頻變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護電路幾部分組成。其基本原理是:交流輸入電壓經電網濾波、整流濾波得到一定的直流電壓,再通過高頻變換器將直流電壓變換成高頻交流電壓,最后經過輸出整流濾波電路,將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的高質量、高品質的直流電壓。 充電系統的主電路原理與設計 全橋變換電路的設計 該充電系統采用的是全橋移相控制的零電壓PWM變換電路。它是當前運用最為廣泛的軟開關電路之一,其特點是電路非常簡單,易于操作,但有一個缺點: 滯后臂開關管在輕載下難以實現零電壓開關,這使它不適用于負載范圍變化大的場合。當電路不能實現零電壓開關時,將會產生以下幾個后果。 ,需要增大散熱器的體積。 ,將會造成較大的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生電壓過沖和震蕩,因此在實際應用中需在副邊二極管上增設RC吸收網絡。針對上述問題,常見的解決方法是在變壓器原邊串接一個飽和電感,擴大變壓器的零電壓開關范圍。但,采用這方法后,電路仍不能達到全工作范圍的零電壓開關。 飽和電感在實際應用中不可能具有理想的飽和特性,這將會導致以下幾個后果: ,從而增加變換器的導通損耗； ,從而增大原邊電流和副邊二極管的電壓應力； 、負飽和值之間轉換,磁心的損耗會很大,發熱嚴重砰s1。改進型全橋移相控制的零電壓PWM變換電路是針對上述缺點所提出的一種電路拓撲。它通過在電路中增加輔助支路,可使開關管在全負載范圍內實現零電壓開關,它在小功率(3kw)電路中具有明顯的優勢。圖3所示是一種改進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由電感Lrx和電容C。兩個元件組成的支路。改進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關元件的選用典型的全控型開關器件有電力晶體管GTR、門極可關斷晶體管GTO、場效應晶體管MOSFET和絕緣柵極雙極型晶體管IGBT等。圖3 改進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是雙極型電流驅動器件,因為具有電導調制效應,所以其通流能力很強,但開關速度低,所需求的驅動功率大,驅動電路復雜。電力MOSFETMOS(Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體),FET(Field Effect Transistor場效應晶體管)是單極型電壓驅動器件,開關速度快,輸入阻抗高,熱穩定性也好,所需驅動功率小而且驅動電路簡單。它的導通電阻遠遠小于雙極型晶體管BJT的導通電阻,這使得它能夠代替BJT成為高頻開關電源的主流開關器件。正是由于導通電阻小的MoSFET的出現,高頻開關電源得以迅速發展[114]。IGBT(Insulated Gate Bipolar Tranister,絕緣柵極雙極型晶體管)是MOS結構的雙極型器件,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的應用范圍經常在耐壓是600V以上、電流為10A以上、頻率為1kH么以上的區域,多應用于工業用電機、民用小容量電機、變換器、照相機的頻閃觀測器以及感應加熱電飯鍋等產品上。IGBT的工作原理和靜態特性IGBT是三端器件,具有柵極G,集電極C和發射極E。它是一種場控器件,驅動原理與MOSFET基本一致,其開通與關斷是由柵極與發射極間的電壓UGE決定的。當U 為正且大于開啟電壓UGE間時,IGBT導通。因為具有電導調制效應,高耐壓的IGBT也會具有很小的通態壓降。當柵極與發射極間施加反向電壓或不加信號時,IGBT關斷。IGBT的驅動電路的設計IGBT是電壓驅動型器件,使IGBT開通的柵射極間驅動電壓一般取1520V。同樣,關斷時施加一定幅值的負驅動電壓(一般取5—15V)有利于減小關斷時間和關斷損耗。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,此電阻阻值會隨被驅動器件電流額定值的增大而減小。IGBT的驅動多采用專用的混合集成驅動器。同一系列的不同型號其引腳與接線基本相同,只是適用被驅動器件的容量與開關頻率和輸入電流幅值等參數有所不同。本系統采用的EXB841是大容量高速型驅動器(最大40kHz運行)。在IGBT出現過流時,過流信號由引腳6輸入到內部的過流保護電路,在其輸出端(引腳5)出現低電平,光耦SOI有輸出,對PWM提供一個封鎖信號,使PWM的驅動脈沖輸出轉變為一系列窄脈沖,實現EXB840I/EXB841軟關斷功能。圖4為EXB841驅動電路圖。 圖4 EXB841驅動電路圖 能量反饋電路的設計 因為該充電系統使用的是由恒壓限流充電與脈沖充電相結合的充電方法,在整個充電期間,一直適時地使用了經過負脈沖瞬間放電消除極化的方法,所以硬件設計中需要提供蓄電池放電的通路。通常充電系統使用的是當蓄電池達到一定的極化程度后,經過附加的負載進行放電,從而消除極化。但這樣會產生多余的能量消耗,同時增大充電器的體積。該充電系統使用圖5所示的結構框圖,蓄電池的放電通路由開關元件Q與濾波電感L所組成,稱為能量反饋電路。在正脈沖充電末期,DC/DC變換電路中的開關元件全部都斷開,存儲在濾波電感L,中的能量將全部轉移到蓄電池組中。在負脈沖放電期間,能量反饋電路開始工作,它將電池的能量送到濾波電容六中去,從而實現了蓄電池在充電過程中適時的放電,即可消除電池的極化現象。和傳統的放電回路相比,該能量反饋電路能避免多余的能量消耗,同時也能夠大大減小充電系統體積。圖5 能量反饋電路圖 主回路濾波與抗干擾電路的設計主回路濾波電路的設計整流濾波電路對減少電源中的噪聲干擾起到了非常大的作用。當使用高頻開關電源供電時,其整流和變換的工作電路更加復雜,而且開關電源工作在較高頻率,外界和本機元器件無法避免的產生電磁感應相互干擾,而電源的噪聲也會更加影響其它設備的正常工作。所有,在高頻開關電源中,怎樣降低與消除噪聲干擾是一個非常重要的部分。在開關電源中,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減小噪聲的傳遞和影響[15]。輸入濾波是指接在交流電網和開關電源之間的濾波設備,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關電源其身對交流電網的反干擾同時也能抑制交流電網中的高頻干擾串入開關電源。 工頻濾波器又稱平滑濾波器,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電流變為平滑直流。另外,因為是工頻濾波,頻率較低,電容量和電感量應用很大,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, 對整流后的脈動電流起平滑作用,使其成為紋波很小的直流電流。 該充電系統只設計了輸出濾波電路。 電路如圖6所示, 其中圖6 輸出