1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化直流充电电源设计一、 课题研究意义及现状在上世纪九十年代之前大部分使用的还是无控制、无保护的工频变压器降压加整流这样简简单单所谓的充电器，使用时往往需人员值守，人工调节充电参数，否则大有充坏电池的可能。到了九十年代，随着电子技术的迅猛发展，特别是电动车行业的发展，结合成本等因素用开关电源及电子自动控制的充电器也迅速普及于民用，相继推出了恒流、限压的二段式和恒流、限压、涓流（保压）的三段式充电器。现在普遍使用的也就这三段式了。经过这些年的使用，普通三段式所存在的不足越来越被行业人员所察觉，它虽然有所说的智能控制，只是对于充电时的电压、电流的控制而忽略了对
2、电池充电无比重要的脉动成分和温度特征，对付电动车电池的特征参数离散、串联格数多、温度影响大等特殊性，其“智能控制”也成为了“呆板作为” 。在它控制下的蓄电池或多或少的存在过充、欠充、失水、硫化、失衡、热失控等结症。那么，有无更好的充电模式呢？目前呼声最高的莫过于脉冲充电技术。随着电力电子技术、电机技术、蓄电池技术的快速发展，以电力驱动的电动车越来越普及，因其无污染、能耗少、噪音低、易驾驶等特点，有着取代传统内燃机车的趋势，成为国内外大力推广和发展的交通工具。目前，电动车核心部件中的电动机、控制器和车体三大部件在理论和技术上已较为成熟，而另两大部件蓄电池、充电器的发展还不能满足电动车的发展要求，
3、有一些理论和技术问题还有待解决，现已成为影响电动交通工具发展的瓶颈。目前，我国的电动车用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池，这主要是由于铅酸蓄电池具有技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点。铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，因此广泛应用于国防、通信、铁路、交通、工农业生产部门。近年来全密封免维护铅酸蓄电池其密封好、无泄漏、无污染等优点，能够保证人体和各种用电设备的安全，而且在整个寿命期间，无需任何维护。然而，由于充电方法不正确，充电技术不能适应免维护电池的特殊需求，造成电池很难达到规定的循环寿命。虽然近年来蓄电池自身的技术有了不小的进步，但作为其能量再次补充
4、的充电器的发展非常缓慢，传统的常规充电时间过长，快速充电技术至今仍未能完全解决，严重地制约着电动车的发展。二、课题研究的主要内容和预期目标本课题要求学生根据已经学习的知识设计出一种开关电源式蓄电池充电器。蓄电池充电器可分为两大类。货运三轮充电器一般使用带工频变压器的充电机，体积大、重量大，费电，但是可靠，便宜；电动自行车则使用所谓开关电源式充电器，省电，效率高，但是易坏。常用的开关电源式充电器又分半桥式和单激式两大类，单激类又分为正激式和反激式两类。半桥式成本高，性能好，常用于带负脉冲的充电器；单激式成本低，市场占有率高。电池充电通常要完成两个任务，首先是尽可能快地使电池恢复额定容量，另一是使
5、用小电流充电，补充电池因自放电而损失的能量，以维持电池的额定容量。一个理想的充电器也就应该同时具备： 1、减少失水：a 降低恒压值；b 负脉冲去极化以降低恒压值。 2、去硫化：a 高压大电流正脉冲去硫化；b 高压小电流过充电去硫化。 3、防充鼓：a 降低恒压值；b 升高转折电流值；c 提前降低恒流值，以减少发热量；d定时关机。 4、均衡：a 高压小电流过充电；b 高压大电流正脉冲补充电。初步的目标：通过模拟仿真，设计出比较理想的开关电源式蓄电池充电器，并且能完成电池充电的两个基本任务。最终目标：希望结合老师的指导，完成充电器的优化设计，使其能在减少失水、去硫化、防充鼓、均衡等方面有比较明显的优
6、势。三、课题研究的方法及措施通过学过的理论知识和实验经历对蓄电池充电进行进一步的研究，在研究的过程中巩固和系统整理自己学习的知识，并在此基础上进行创新研究。先搜集有关该课题的各方面资料，同时加以认真阅读研究，再在理解认识的基础上和指导老师的指导下设计可行性的方案，最后论证和完善设计方案。1. 了解开关电源的工作原理，条件，及分类；2. 针对对蓄电池的特点，学习和研究蓄电池蓄电池充放电过程中的极化现象；3.理解常见的几种充电方法，如恒流充电法 、阶段充电法 、恒压充电法 ；4.学习掌握快速充电技术（脉冲式充电法 、REFLEXTM 快速充电法 、变电流间歇充电法 、变电压间歇充电法 、变电压变电
7、流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法 ） ；5.学习掌握开关电源控制技术 ，撰写论文。四、课题研究进度计划毕业设计期限：自2010年10月15至2011年4月20日。第一阶段（4 周）：2010 年 10 月 15 日至 2010 年 10 月 17 日分析任务。2010 年 10 月 18 日至 2010 年 10 月 25 日分析收集资料。2010 年 10 月 26 日至 2010 年 10 月 31 日分析完成开题报告。2010 年 11 月 1 日至 2010 年 11 月 6 日分析文献综述。2010 年 11 月 7 日至 2010 年 11 月 12 日外文翻译。第二阶段（6 周）
8、：2011 年 2 月 18 日至 2011 年 2 月 25 日学习掌握蓄电池充电基础。 ，2011 年 2 月 26 日至 2011 年 3 月 5 日充电器总体方案设计。2011 年 3 月 6 日方案一用 PWM 信号发生器实现。2011 年 3 月 7 日方案二用单片机实现。2011 年 3 月 8 日方案三用 SOPC 设计实现。2011 年 3 月 9 日至 2011 年 3 月 12 日比较三种方案选择第三方案。2011 年 3 月 13 日至 2011 年 3 月 20 日硬件设计。2011 年 3 月 21 日至 2011 年 3 月 28 日软件设计。2011 年 3 月
9、 29 日至 2011 年 4 月 5 日撰写论文。第三阶段（2 周）：2011 年 4 月 6 日至 2011 年 4 月 20 日论文修改、准备答辩材料。五、参考文献1 王兆安，黄俊.电力电子技术（第 4 版）M. 电力电子技术.北京：机械工业出版社，20022 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计M 北京：电子工业出版社， 1999 年3 沙占友 等编著新型单片开关电源设计与应用技术M 北京：电子工业出版社，20044 周志敏，周纪海,纪爱华 .开关电源使用设计（第 2 版）M. 北京：人民邮电出版社，20075 Understanding Boost Power stages in S
10、witch Mode Power Supplies. TI Application ReportM.Boston:kluwer Academic Press,1998 年.6 刘凤君. 现在逆变技术应用M. 北京: 电子工业出版社, 2006.87 沈锦飞, 吴雷等. 电源变换应用技术M. 北京: 机械工业出版社, 2007.8 陈伯时.电力拖动自动控制系统- 运动控制系统M.北京：机械工业出版社.2006，5.9 林瑞光.电机与拖动基础M. 杭州：浙江大学出版社.2005 ，8.10 麻友良.汽车电器与电子控制系统M.第 2 版.北京:机械工业出版社，2008,4：1824.11 胡超，张华
11、等.电动汽车直流充电系统研究J.华东电力，2009,10,37(10).12 朱松然.铅酸蓄电池技术M.第 2 版.北京.机械工业出版社，2004.13 Marty Brown.Power Supply CookbookM.Second Edition.UK:Boston Oxford Johannesburg Melbourne New Delhi,2001.30-40.14 王云艳，姜久春等.电动汽车充电站管理系统J.微机发展，2005,15（11）.毕业论文文献综述电气工程及自动化直流充电电源概述摘要：文章对直流充电系统的构成做了较为全面的介绍，阐述了电动车用电池的现状和发展趋势，并介绍
12、了常见的直流充电电源。关键词：直流充电；充电电源；蓄电池充电；充电方法1.引言电动汽车能源供给系统对于电动车产业而言是不可缺少的子系统,当电动车动力电池电能消耗到一定程度,就必须使用充电系统对其动力电池进行电能补充,为电动汽车运行提供能量补给,从而满足电动汽车的循环使用。同时, 要在较大范围内推广普及电动汽车,就必须配套建设能源供给系统,以增强公众对使用电动汽车的兴趣和信心。因此,电动汽车充电系统是电动汽车的重要基础支撑系统,是实现电动汽车产业化和推广普及的关键条件,对电动汽车的产业发展具有重大影响。2. 直流充电系统构成直流充电系统由PWM 整流装置、直流输入控制装置、直流输出控制装置和直流
13、充电管理装置组成。其系统框图如图1所示。图1 直流充电系统系统框图各装置功能说明如下:(1) PWM 整流装置: 对输入的三相交流电进行整流 , 经滤波后, 形成稳定的直流母线电压( 650V ), 以提供给后级输出控制装置, 为输出控制装置提供动力电源。(2) 直流输入控制装置( DCM ): 主要用于直流电能计量, 直流供电控制、安全防护等。(3) 直流输出控制装置( PUM ): 主要用于与车载 BMS (能量管理系统) 通信, 进行 DC /DC 功率变换, 输出动力电池所需电压、电流。(4) 直流充电管理装置: 用于人机交互和界面显示, 实现身份识别、费用收取、票据打印、数据管理、控
14、制输入控制装置供电等。 23.电动车用电池的现状和发展趋势电池作为电动车动力来源，目前应用于电动车的可充式二次电池主要有:铅酸(Lead Acid)电池、镍福(Nickel Cadmium)电池、镍氢(Nickel Metal Hydride)电池和锂(Lithium)电池。（1）镍一氢电池(Ni-MH )此类蓄电池的比能量高，寿命长，有较高的比功率，污染轻等优点，被认为是较好的电动车用蓄电池。但是由于 Ni-MH 蓄电池的技术未臻成熟，价格贵，单体电池电压低，使用时串联电池个数多，而且均匀一致性较差，限制了蓄电池组实际可使用的寿命。尤其是镍氢电池在高温时自放电率会增高，造成电容量下降的缺点。
15、因此认为 Ni-MH 蓄电池在电动车上应用的地位是暂短的、过渡性的，将来的市场份额是有限的。（2）锂离子蓄电池和聚合物铿离子蓄电池锂离子蓄电池和聚合物锂离子蓄电的比能量更高，有较高的比功率，寿命长，污染轻等优点，被认为是有希望的电动车用电池。但因内含锂活性物质，易产生化学作用，遇火、氮、酸或氧化剂时，可能会有爆炸或着火危险等安全性问题成为影响锂离子蓄电池和聚合物锂离子蓄电池在电动自行车上应用的主要制约因素。它们将成为用于高端电动车的电池，将是继铅酸蓄电池之后所占比例较大的电池。但受价格限制，暂时所占比例不会很大。（3）锌空电池锌空电池是金属一空气电池的一种，属于半燃料电池范畴。它有比能量高，原
16、材料丰富，价格不高，污染轻等优点，被认为是电动车用电池的有竞争力的候选者。但目前还没能真正投入使用。（4）其他电池(如 Ni-Zn 蓄电池、锌镍蓄电池和燃料电池 )虽然它们各有特点，但都几乎没有在商业化的轻型电动车上使用。这主要是由于价格贵、综合性能不理想、或技术不成熟、或受资源、服务配套系统制约因素影响。氢氧燃料电池虽然在大力发展中，可望成为最理想的电动车电池之一，但在电动车上的应用可能还要等待很长时间(至少 15 年)。（5）铅酸蓄电池 铅酸蓄电池在 100 多年的历史中一直不断地在改进提高，有的是革命性的提高，生产技术最为成熟。特别是密封免维护铅酸蓄电池因其有着成本低、价格便宜、材料来源
17、丰富、适用性宽、可逆性好、单体电池电压高、技术和制造工艺较成熟、安全可靠、具有瞬间放电力强、大电流放电性能良好、使用温度范围广等综合因素，已成为商业化轻型电动车主要采用的电池，目前所占市场份额在 95%以上。 34.常见的直流充电电源目前，直流充电电源主要有两种：线性稳压电源和开关电源。线性电源和开关电源的根本区别在于稳压控制方式和输出电路的不同。线性电源的稳压特性是由稳压电路中的调整管来实现的，调整管也是输出管，电路工作在调整管的线性区，因此称为线性直流稳压电源。开关电源的稳压电路由电子开关组成，用开关的工作状态来实现稳定输出电压，因此称为开关电源。其核心是 DC-DC 电路。DC-DC 电
18、路可以分为转换型和隔离型，隔离型比较好，输出和输入之间没有直接的电连接关系。和线性电源相比较，开关型稳压电源有以下的特点：（1） 效率高。开关型稳压电源采用非线性的 DC-AC-DC 电压调整电路，不使用调整管，调压电路的功率开关管上的电压降很小，相应损耗小，所以效率和线性电源相比较可以得到很大的提高，一般可达 65-90%。（2） 重量轻。开关型稳压电源可以采用对电网输入的交流电压直接整流的方法，替代笨重的工频变压器，使电源的重量下降到 1/50。（3）稳压范围宽。在输入交流电压有效值变化时，可以利用反馈电路来保持输出电压的稳定。（4）所需要的滤波电容小，由于稳压电路的功率开关管工作在几十千
19、 Hz 以上，远远大于工频，因此滤波电容的容量可以大大减小。（5）控制电路相对线性电源比较复杂，并且瞬态响应不如线性稳压电源。储能单元和脉冲形成回路，具有储存能量和将能量转换成陡脉冲的功能。储能方式大致有两类：电容储能和电感储能。电感储能技术在现代科学技术领域中，诸如等离子体物理、受控核聚变、电磁推进、重复脉冲的大功率激光器、高功率雷达、强流带电粒子束的产生以及强脉冲电磁辐射等领域，都有着极为重要的应用。电感储能的储能密度高和传输功率大，从而使得储能装置体积小、成本低。而电容储能简单、所需充电功率小，技术成熟，容易操作，工作时不影响环境，经济合理。55.充电方法的研究理论和实践证明，蓄电池的充
20、放电是一个复杂的电化学过程。一般地说,充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降,不可能自动按恒流或恒压充电。充电过程中影响充电的因素很多,诸如电解液的浓度、极板活性物的浓度、环境温度等的不同,都会使充电产生很大的差异。随着放电状态、使用和保存期的不同,即使是相同型号、相同容量的同类蓄电池的充电也大不一样。 上世纪 60 年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图 3-1 所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定
21、了快速充电方法的研究方向。图 3-1 最佳充电曲线由图 1 可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气） ，使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。蓄电池是可逆的。其放电及充电的化学反应式如下：PbO 2Pb2H 2SO42PbSO 42H 2O (3-1)1很显然，充电过程和放电过程互为逆反应4。可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条
22、件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行,而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。51 常规充电法常规充电制度是依据 1940 年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是“安培小时规则”：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安培时数。实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。一般来说，常规充电有以下 3 种。511 恒流充电法恒流充电法5是用调整充电
23、装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图 3-1 所示。控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。图 3-2 恒流充电曲线5.1.2 阶段充电法此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图 3-3 所示。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。图 3-3 二阶段法曲线三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当
24、电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。5.1.3 恒压充电法充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电，如图 3-4 所示。由于充电初期蓄电池电动势较低充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易的控制系统。图 3-4 恒压充电法曲线这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。52 快速充电方法1972 年，美国科学家马斯在第二届世界电动汽车年会上提出了著名的马斯三定律，即
