1、武汉理工大学 毕业设计（论文） I 摘要 蓄电池以其突出的优点，在各个领域得到了广泛的应用。目前在电动车、 UPS 不间断电源等领域，它已经成为最重要的关键部件之一。充电是蓄电池在生产、使用和保养中必不可少的内容。本文介绍了一种用于蓄电池的大功率充电机的设计过程，主要包括对蓄电池充电方法和充电系统的设计。 在本系统的设计中，主电路由全桥隔离型 DC-DC 换流器组成，功率开关管选用 IGBT，控制电路以 PID 为核心，通过比较蓄电池的端电压和充电电压得到开关管的移相角，控制主电路开关管的开通时刻来实现充电状态的控制，系统中的辅助电路对系统起到了很 好的保护作用。 本文最后给出了系统的仿真的实
2、验波形，仿真和实验结果表明 :充电机输出电压稳定，纹波小，满足系统的设计要求。 关 键词 ： 蓄电池 ； IGBT； 充电 ； PID 控制 武汉理工大学 毕业设计（论文） II Abstract Battery with its outstanding qualities, in all areas of a wide range of applications. Currently in electric cars, UPS and other fields, it has become one of the most important key components. Rechargea
3、ble battery in production, is using and maintenance of indispensable content. This paper introduces a kind of used for large power charging the battery machine design process, mainly including the battery charging method and charging system design. In the design of the system, the main circuit, with
4、 the whole bridge type DC-DC isolation in the 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 tube the opening of the moment to
5、 realize the control of the charging, system of auxiliary circuit of the system has played a very good protection. This paper gives the system simulation experiment waveform, the simulation and experiment results show that charger output voltage stability, ripple small, meet the design of the system
6、 requirements. Key words: Storage battery； IGBT； charging； PID control 武汉理工大学 毕业设计（论文） III 目录 摘要 . I Abstract . II 目录 . III 1 绪论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 研究意义 . 1 1.3 国内外发展现状 . 3 1.4 本文主要研究内容 . 5 2 蓄电池的工作原理和特性分析 . 6 2.1 蓄电池的种类和特性 . 6 2.2 蓄电池的工作原理分析 . 7 2.2.1 蓄电池的放电原理分析 . 7 2.2.2 蓄电池的充电原理分析 . 7 2.3 蓄电池的充
7、电过程分析 . 9 2.4 充电方法和控制策略的选择 . 10 2.4.1 恒流充电 . 10 2.4.2 恒压充电 . 10 2.4.3 充电方法分析和控制策略的选择 . 11 3 系统的总体设计 . 11 3.1 系统原理图 . 12 3.2 DC-DC 降压变换器拓扑分析 . 12 3.2.1 Buck 变换器 . 13 3.2.2 Buck-boost 变换器 . 13 3.2.3 Cuk 变换器 . 14 3.2.4 单端正激（ Forward）变换器 . 14 3.2.5 单端反激式（ Flyback）变换器 . 15 3.2.6 全桥（ Bridge）变换器 . 16 武汉理工大
8、学 毕业设计（论文） IV 3.3 系统充电主回路的选择 . 17 4 系统电路设计和算法设计 . 18 4.1 系统主回路参数设计与硬件设计 . 19 4.1.1 变压器参数设计 . 19 4.1.2 滤波器设计 . 19 4.1.3 系统主回路开关管的设计 . 20 4.1.4 系统主回路电路图 . 21 4.2 系统控制回路的设计 . 21 4.2.1 系统控制回路原理图 . 22 4.2.2 系统控制回路设计图 . 22 4.3 系统总电路设计图 . 23 4.4 系 统控制算法设计 . 25 4.4.1 系统控制算法的选择 . 25 4.4.2 系统 PID 参数的整定 . 26 5
9、 系统仿真及波形分析 . 27 5.1 系统开环控制仿真 . 27 5.2 不同 PID 参数下的仿真 . 27 5.3 系统仿真下的电压波形分析 . 29 5.4 系统仿真下的电流波形分析 . 30 5.5 系统仿真结果分析 . 31 结束语 . 32 参考文献 . 33 附录 . 33 致谢 . 36 武汉理工大学 毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 研究背景 随着全球汽车产量和保有量的不断增长，使用内燃机作为驱动动力的汽车所带来的严重的环境污染和越来越紧迫的全球石油资源危机等问题，致使世界各国不得不寻求排放低 及节能新型交通工具，电动车是新能源交通工具的发展方向。自 1881 年法国
10、试制了使用铅蓄电池作为动力源的电动车以来，世界各国对电动车的研究不断有新的突破。 20 世纪以来，尤其是第二次世界大战后，世界各国开始大力倡导发展电动交通工具，而电动自行车以其独特的优点，受到极大的推广使用 1。把电动 自行车视为交通工具更新换代的方向，其原因在于以下几个方面： 污染小。目前，燃油交通工具的大量使用，排放的尾气中含有的二氧化碳、氮氧化合物和其他烟雾粉尘是造成环境污染的主要元凶。采用电动自行车作为交通工具，可减少排污 95%以上，甚至还可以做到零排放 ； 节约能源。电动自行车的能耗约为燃油交通工具能耗的 1/30 1/20,此外，还可以利用夜用电网负荷下降时进行充电维护 ； 结构
11、和控制简单，易于操作和维修 ； 可利用多种形式的能源进行转化，使用成本降低 2； 随着电动 车的大力推广使用，装备电动车的主要部件也已经达到初步实用化的阶段 2： 利用稀土磁性材料制成多种形式的永磁电机，使得电动自行车的功率加大，重量得以减轻、效率得到提高 ； 利用现代电子技术研制成功的 IC、印刷线路板以及大功率组合晶体管构成的电子开关和保护电机线路控制，可以做到更简便、更灵活有效的控制 ； 研制出使用于不同蓄电池的蓄电池充电器，既有慢速自动充电，也有节能、快速自动关断的智能充电器。当前，电动汽车、摩托车、电动三轮车、电动脚踏车等电动车辆都可以根据已有的电机、电子控 制技术，设计制造出不同的
12、车型，这些都已不再是电动车辆发展的技术难点所在 1。唯有作为电动车辆动力源的蓄电池和相匹配的充电机成为电动车辆达到实用化和商品化的技术关键。相对性能较为稳定的部件，蓄电池和充电器两大关键部件在技术突破上存在一定的迟滞性，造成蓄电池的循环寿命受损，成为制约电动自行车快速发展的瓶颈 。 由此可见，解决好电动自行车用蓄电池的充电器及充电技术问题，对电动自行车的快速发展会起到很大的推动作用。 1.2 研究意义 武汉理工大学 毕业设计（论文） 2 蓄电池作为一种储能设备具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，在现代工业社会的应用已经非常广泛了，而蓄电池的种类也比较多。各种不同的蓄电池有不同的应用场合：一
13、些能量密度高的蓄电池，比如镍氢电池、锂离子电池主要用于便携式电话机等移动通讯设备、笔记本电脑、摄像机中；而能量密度相对较低一点，但价格便宜的铅酸电池则广泛用于邮电、电力系统、煤矿等行业 3。特别是技术最成熟的铅酸蓄电池，由于具有电动势高、能大电流放电、使用温度范围宽、性能稳定、工作可靠、价格低廉、原材料来源丰富等优点，因此在国民经济各个领域，尤其在电动汽车动力电源、工矿电机车动力源、汽车启动电源等方面得到了广泛的应用 2。铅酸蓄电池的产量和使用量均占所有二次电池的 75%，相对于其它蓄电池仍然具有不可替代的地位。 随着蓄电池制造技术的日渐成熟和使用上的大力推广，蓄电池的发展前景是广阔的，但就目
14、前的技术水平来讲，作为动力源用的蓄电池还未达到标准化生产。上海市曾于 1997年制定 DB31/202 1997 地方标准，规范蓄电池的生产标准。蓄电池要想实现标准化生产，起码要满足以下标准条件 3： 比能量大于 50wh/kg； 寿命在 5h 率条件下达 1200 1500 次循环； 充电后每次可行驶 160km 以 上； 有足够的功率供电动自行车在 5s内从零加速到 10km/h。 要想达到这一标准，目前面临的困难主要是，蓄电池的能量、功率与循环寿命等指标间的相互冲突。虽然提高蓄电池活性物质的利用率、改进蓄电池组极板和单体电池之间的连接、加大蓄电池的放电深度等方法可以有效的提高铅酸蓄电池的
15、比能量和比功率，但这些方法也会导致不良的后果，像易造成蓄电池内部极板上活性物质的脱落、骨芯的腐蚀等，这将损害铅酸蓄电池的使用寿命 4。由此可见，提高蓄电池的质量，延长其使用寿命是未来蓄电池发展的必然趋势。 因蓄电池使用导 致的放电程度夏季超过 50%，冬季超过 25%需要恢复容量而进行补充充电；为防止蓄电池硫化，正常使用的蓄电池，每隔三个月应进行一次预防硫化的过充电；蓄电池在使用中常处于部分放电的状态，只有少量活性物质参加工作，长期下去，不参加化学反应的活性物质会收缩硬化，不能使用，使蓄电池容量降低，为迫使全部的活性物质都参加工作，可每隔 3 个月进行一次充放电锻炼；蓄电池由于制造材料、使用因
16、素等原因，会出现单格电池的端电压、电解液密度、容量等差异，对蓄电池的使用极为不利，为此需要进行均衡充电 5。及时、正确地给蓄电池充电，不仅可 以恢复蓄电池的容量使其处于良好的技术状态，而且可以有效的防止故障的发生和延长蓄电池的使用寿命。实际工作中要根据蓄电池的不同应该选用不同的充电方法。 蓄电池充电技术是从二次电池诞生开始的，而且和蓄电池的发展与应用有着极为密切的关系。最初的充电技术是法国物理学家普兰特在 1859 年发明了蓄电池后首先发明的，当时他采用的是原电池充电，普兰特蓄电池由于其特性不佳和极板表面电化加工制造的困难，并没有实际应用上的意义 4。 1882 年赛隆采用铅锑合金制造板栅，增
17、加了板栅的机械武汉理工大学 毕业设计（论文） 3 强度，开始应用发动机带动直流发电机做电源进行充 电 5。 从此，蓄电池才真正具有实际应用价值 6。随着变压器技术和整流技术的发展 1914 年以后，才开始使用交流电源供电，交流电源经过变压器变压和整流后向蓄电池充电。第二次世界大战期间，世界各国对蓄电池的应用都极为的重视，纷纷研究和总结蓄电池的充电规律，根据当时世界各国对蓄电池充电特性的认识提出了总结性的充电经验法则，即常规充电的经验规律，这些经验法则是6： 蓄电池温度为 75（ 24）时，充电电压应为 2.3V 左右，在此基础上温度每上升一度，电压应相应的降低 0.004V。 蓄电 池的充电电
18、流（单位为安培）不应超过蓄电池待重新充入的安时数。 在不减损蓄电池循环寿命的情况下，完成蓄电池满充电的时间，不能少于 5 小时。 国内大容量充电设备主要采用自祸变压器或晶闸管电路，充电模式主要沿用恒流恒压 直流式充电。采用自藕变压器或晶闸管电路时，输出的充电电压交流纹波分量大，易导致 电池处于“暂时过压充电”状态，内部产生额外升温，使电池极板产生应力，加速电池的 损坏 6。而且随着电力电子技术的不断发展，采用自藕变压器或晶闸管的传统大容量充电设备，已不能满足小型、轻质、高效和低噪音等要 求 7。 美日等国家对蓄电池的性能和理论研究一直走在我国的前面，有关大容量蓄电池智能 充电技术的研究起步也较
19、早，有关充电电路的设计和控制技术十分成熟，主要研究重点在 于如何减少充电电流的纹波成分，为蓄电池提供安全高效率的充电电源，以及对均衡充电 技术的研究。集中来说主要是力求设备简单、安全、高效和控制方便。 1.3 国内外发展现状 伴随着蓄电池的产生和实际应用，电池的充电技术也应运而生了。 19 世纪 90 年代，以铅酸蓄电池为动力能源的电动车首次投入运营，当时配备的车载充电器是采用恒流输出的方式，同时监测电解液 密度来决定电池的充电状态 8。这种恒流充电方式成为传统充电方式之一，即充电时全程采用恒定不变的电流充电，该方式一般适用于小电流长时间的充电。另外一种传统的充电方式是恒压充电，即采用较低电压
20、的恒定电压充电。还有这两种充电方式的变形，如两段恒流、恒压限流方式。因为这些方式没有准确的控制，模式单一，所以采用这样的方式进行充电，结果会充电时间长、充电效率低、能耗高 4。但是由于其实现简单、控制量小，在有些场合仍然被采用。 马斯发现了析气反应在电池充电过程中的重要性，并提出了以最小析气反应率为前提的蓄电池 可接受充电电流曲线，如图 1-1所示 6。由该曲线可以看出，在充电的初期电池可以接受大电流的充电，但随着充电的进行，电池可以接受的充电电流逐渐减小，并且充电时间越长，可接受的充电电流越小。马斯定律的提出为现代快速充电技术的发展奠定了基础。 武汉理工大学 毕业设计（论文） 4 图 1-1
21、 马斯充电曲线 国内外很多学者和技术人员都针对缩短充电时间、提高充电效率和改进充电效果进行了大量工作。日本 一些研究人员 研究了多阶段恒流充电对电动车用动力型阀控式铅酸蓄电池充电时间和充电效果的影响 ， 认为采用 多阶段恒流充电过程中第 1阶段电流选择 0.5C，能够有效地缩短充电时间、延长电池工作寿命 5。国内也提出了变电流间歇快速充电方法，即用多阶段恒流并在每恒流阶段之间进行间歇，并将该方式与一段恒流充电的方式进行了比较。结果认为，用多阶段变电流间歇快速充电方法可有效缩短充电时间，提高充电电量6。另外，也有研究发现，部分的大电流充电不仅不会减少电池使用寿命，反而还会延长，提高电池循环过程中
22、的工作性能。在蓄电池的充电过程中，不可避免的会发生由欧姆极化、浓差极化和电化学极化构成的极化现象导致充电电压升高，充电效率降 低 4。为了减小充电过程产生的极化量，有效增大充电电量、提高充电效率，研究者对充电波形的变化进行了相应的工作。 L.T Lam4等研究了在充电过程中脉冲电流对电池电化学性能和工作寿命的影响，并与恒流充电进行了比较。他们认为与恒流充电比较脉冲充电不仅可以有效减少充电时间而且可以延长电池的工作寿命。另外，国内外很多的研究者也认为，利用脉冲电流和去极化脉冲的方式可以改善电池的充电效果。但是，对于放电负脉冲对充电效果的影响，一些人 提出了不同的见解 6。他们认为放电不会提高电池
23、的充电效率，而且还会对电池有害。 在国内，蓄电池充电装置较多采用的是晶闸管硅整流设备，尽管晶闸管整流设备功率密度低，但由于其工作可靠，仍得到广泛的应用，其控制方案一般为模拟调节式 5。随着生产中工艺要求的提高，蓄电池的充电速率和效率越来越受到重视。快速充电技术的研究和改造在最近几年得到了很多科研人员的关注，而且取得了一些成果，并首先成功的应用到电动汽车和煤矿机车牵引用蓄电池中 6。改造过的快速充电器都实现了数字化控制，借助微机控制，使整个系统的稳定性有很大提高，使充电系统的调试和维护工作大大减少。针对传统充电方法充电缓慢、安全性 能不好等缺点，目前国内外陆续提出了一些新型的充电方法，如分级定流
24、充电法、脉动式充电法、 Reflex充电法、变电流间歇充电法等实现最佳充电模式 2。对于铅酸蓄电池来讲，其中的分级定流法己得到广泛的应用，近几年，也有人开始采用更加新颖的充电控制方法，例如模糊控制充电法，利用模糊控制本身适合处理非线性系统的优势，更好的处理充电过程中的时变性和干扰性等常规控制方法难以解决的问题 6。 武汉理工大学 毕业设计（论文） 5 1.4 本文主要研究内容 蓄电池充电设备的好坏直接影响蓄电池的容量和使用寿命 ,电池的性能好坏，使用寿命长短直接影响到电子 产品的使用寿命和安全，因此关于蓄电池充电器电路设计的研究显得特别的重要。本论文以 10kw 蓄电池充电 机 为例， 探讨了
25、全桥型 DC-DC 变换器 的设计方法和控制策略， 并为其设计所需要的反馈电路 。最后在其硬件电路设计的基础上分析了充电机的性能，设计了电路参数，整定了系统控制算法的参数，最后在此基础上完成了系统的仿真。 根据课题要求，本论文主要需要完成以下几个方面的工作 : （ 1） 蓄电池工作原理及特性分析 分别从蓄电池的充电和放电两方面介绍蓄电池的工作原理，其中包括介绍蓄电池的一些基本概念，并在此基础上对蓄电池的特性进行分析，分 析蓄电池的充电过程，最后还需要完成系统充电机充电方法和充电策略的选择。 （ 2） 完成系统的总体设计 设计系统的原理框图，并说明系统的工作原理。根据系统中的输入、输出电压，充电
26、机输出功率、电压纹波、电流纹波等一些性能指标要求，论证各种设计方案，然后选择其中最适合本系统充电机的充电主回路 -即 DC-DC 变换器的拓扑结构。 （ 3） 完成系统的电路设计及控制算法设计 首先要按照系统设计要求和系统主回路电路拓扑，计算出系统主回路的电路元件的参数，并完成系统主回路中相关电力元件的选型，然后再设计出系统的控制回路，说明控制回路的控制原理， 完成系统控制算法的设计并整定 PID 控制算法的参数。最后根据主回路和控制回路的设计，完成系统的总电路设计。 （ 4） 完成系统仿真并分析仿真结果 按照系统的总电路设计，在 MATLAB 软件上完成系统的仿真，对比仿真结果结果说明系统设
27、计是否合理，以及设计的充电机是否满足系统的设计要求。 武汉理工大学 毕业设计（论文） 6 2 蓄电池的工作原理和特性 分析 2.1 蓄电池的种类和特性 蓄电池是化学电池的一种，所谓化学电池是指将化学能直接转换为电能的装置。一般使用的化学电池分为原电池和蓄电池两种。原电池只能使用一次，即我们所说的干电池，蓄电池就可以多次 反复使用。当蓄电池使用一段时间后，即部分放电或完全放电，用适当的反向电流通入电池，即蓄电池可以再次将电能转化为化学能储存起来。这种反向充电补充能量的过程即是电池的充电过程，而电池将自身的能量以电能的形式供给外线路的过程即放电过程。 蓄电池主要由三部分组成：发生氧化反应的阳极、发
28、生还原反应的阴极、将阳极反应和阴极反应统一在一起的介质电解液。在电极里发生氧化反应和还原反应的物质被称为活性物质。根据蓄电池的反应物质可以分为酸性蓄电池和碱性蓄电池，例如铅酸蓄电池为酸性蓄电池，而镍镉电池为碱性蓄电池 4。根据蓄电池 的结构又可以分为开口蓄电池和密封蓄电池两种形式 5。开口蓄电池具有以下特点：可以进行大电流放电、自放电小等。但开口蓄电池不便于维护，它需要经常的补加蒸馏水和更换电解液；而密封蓄电池在这方面具有明显的优势，它具有密封好、无泄漏、无污染、无需维护、易保存等特点，能够保障人体和各种设备的安全 3。 目前主要的蓄电池有以下四种：密封铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍金属氧化物蓄电
29、池和锂离子蓄电池。这四种蓄电池具有共同的功能就是为最终产品提供可补充的电能，但不同的电池具有不同的特性，适用的对象和场合也是不同的。各种不同的 电池的特性如表 1所示 6。 表 1 各种蓄电池的特性 特性 铅酸蓄电池 镍镉蓄电池 镍金属蓄电池 锂离子蓄电池 能量密度 Wh/Kg 30 40 60 90 能量密度 Wh/L 60 100 140 210 单电池电压（ V） 2.0 1.2 1.2 3.6（平均） 放电曲线 缓慢倾斜 平直 平直 倾斜 充放电循环次数 500 1000 800 1000 自放电 30 /月 15 /月 20 /月 6 /月 内阻 低 最低 中 最高 放电速率 10C 3C 2C
