48V铅酸储电池充电器设计方案.docx

1、48V铅酸储电池充电器设计方案48V铅酸储电池充电器设计方案第一章 总体设计方案1 系统设计根据课题的要求,系统采用开关电源,通过脉冲电流的方式来实现充电的目的。由市电送来的220V交流电经变压器降压、桥式整流、可控硅调频后送给蓄电池进行充电。2 方案策略 用单结晶体管触发电路实现触发信号频率的调制方案。蓄电池充电时,先通过变压器将220V市电降压为56V交流电,然后通过桥式整流得到全波直流电、最后通过可控硅调频后的脉冲电流为蓄电池供电。脉冲电流的频率主要取决于单节晶体管触发电路发出的触发信号的频率,通过调节RC电路的R值,使电容器的充电时间发生改变,单节晶体管的关断时间发生改变,从而改变了输

2、出触发信号的占空比,这个触发信号送给可控硅,从而便调节可控硅在一个周期关断和导通的时间,从而实现控制可控硅输出脉冲电流大小。这种方法技术简单、成熟、有多年的实用经验、所需的元器件少、成本低,安全可靠,适应市电输入围宽都是其主要的优点。如下图1.1方框图AC15V AC56V图1.1 总体方框图第二章 蓄电池的选择蓄电池是电瓶式扫地车上主要能源装置,其作用包括:向驱动系统、滚扫系统和仪表供电。1 蓄电池的种类、特点蓄电池的种类一般可分为铅酸电池、铅酸免维护电池及镍镉电池等,它们各自的特点如下:铅酸电池:也称为汽车用电池,充放电时会产生氢气,安置地点必须设置在通风处以免造成危险;电解液呈酸性,会腐

3、蚀金属;价格低廉。铅酸免维护电池:密封式充电不会产生任何有害气体,摆设容易,不需考虑安置地点通风问题,免保养,免维护;放电率高,特性稳定,价格较高。镍镉电池:用于特殊场合及特殊设备上,水为介质,充放电不会产生.有害气体;失水率低,但需要固定时间加水及保养;放电特性最佳;可放置于任何恶劣环境。2 蓄电池的选择电机是电瓶式扫地车主要消耗源,其次是继电器和仪表车,根据驱动组和电器控制组提供的资料,电机总功率为1600W,额定电压为48V;继电器和仪表总功率为5W,额定电压为48V。所以蓄电池需提供的工作电流为式中P电机功率； U电瓶电压。选60AH的电瓶,则可续行3.3小时。这是电瓶式扫地车用最高速

4、行驶时的情况,如果降低车速续行时间有望达到或超过5小时。综上所述,本设计选择48V 60AH的铅酸免维护电池,如图2.1所示：第三章 充电器原理1 铅酸蓄电池的充电以及放电特性 所谓蓄电池即是储存化学能量,必要时放出电能的一种电气化学设备。而铅酸蓄电池是通过阳极的Pb O2以及阴极的Pb浸到电解液稀硫酸中发生化学反应来进行充电和放电的。当铅酸蓄电池连接外部电路放电时,稀硫酸即会与阴,阳极板上的活性物质产生反应,生成新化合物硫酸铅,在此过程中会产生自由电子,从而产生电流。而由于放电时在阳极板,阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸,铅及过氧化铅,因此电池电解液的浓度逐渐增加,亦即电解液

5、之比重上升,并逐渐回复到放电前的浓度,这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态,当两级的硫酸铅被还原成原来的活性物质时,即等于充电结束。铅酸蓄电池的典型放电曲线特性是以一个单体蓄电池为例,采用1/20放电进行分析的,蓄电池端电压根据各极板间硫酸密度的变化规律分为三个阶段：开始放电阶段,相对稳定阶段和迅速下降阶段,其放电曲线如图2.1所示。铅酸蓄电池的典型充电特性曲线如图2.2所示,通常是以恒流充电进行分析。其充电特性仍然可以归纳为三个阶段来阐述：开始充电阶段,相对稳定阶段以及迅速上升阶段。2 充电器的工作原理电动车充电器常用的充电方式一般分为二段式充电模式和三段式充电模式两种

6、。其中的二段式充电是指先恒压充电,充电电流随蓄电池电压的上升逐渐减小,等蓄电池的电量补充到一定程度以后,电压会上升到充电器的设定值,随后进入涓流的浮充状态。而对于三段式将在后面具体介绍。2.1 恒流充电恒流充电,又叫定电流充电法,在整个充电过程中,始终保持充电电流恒定不变。在充电过程中,由于蓄电池的段电压逐渐升高,为了保持充电电流的恒定,必须相应提高充电电压。采用恒流充电法,可以将不同容量的蓄电池串联在一起进行充电。但是各个蓄电池的容量应当尽可能相同,否则应当以容量最小的蓄电池计算充电电流,当小蓄电池充足之后,应当及时摘除,再继续给大容量蓄电池充电。恒流充电法的优点是可以任意选择充电电流,有益

7、于延长蓄电池的使用寿命。缺点是充电时间长,并且需要经常调整充电电流。2.2 恒压充电恒压充电又叫定电压充电法,在充电过程中,始终保持一个恒定的充电电压,绝大多数汽车都采用这种充电方法对车载蓄电池进行充电。充电初期,由于蓄电池的端电压较低,充电器与蓄电池的电压差较大,所以充电电流也大。随着充电的进行,蓄电池端电压逐渐上升,充电器与蓄电池的电压差也减小,所以充电电流减小。如果充电器输出电压不足,则充电很短时间就导致充电电流下降为零,过早地结束了充电,长期如此,势必导致蓄电池长期充电不足,容量下降,寿命缩短。如果充电器输出电压过高,充电电流将显著增大,即使蓄电池已经充足电,但端电压仍然低于充电器的输

8、出电压,充电电流仍然纯在,充电始终在进行,势必导致蓄电池过充电,加快电解液的消耗,使用寿命缩短。2.3 三段式充电三段式充电与二段式充电的不同之处在于其第一个阶段为恒流充电阶段,充电器先以恒流对蓄电池快速充电,随着蓄电池存储能量的升高,充电电流减小,被充电控制电路检测后充电器自动转入第二个阶段恒压充电,继续为蓄电池补充能量,电压上升的幅度较小并且速度放慢,直到电压稳定。当充电电流小于300mA的转折电流后自动转为涓流充电,以补偿蓄电池的自放电电流,并起到保养蓄电池的作用。本设计主要是针对48V的充电器,对于三段式充电器的三个主要参数的要求是相当严格的：涓流阶段的参考电压值：涓流阶段的参考电压值

9、一般为58V左右,不能大于或小于该参考值。该值高容易导致电池失水,会引起蓄电池发热变形；该值低不仅充电速度慢,而且不利于蓄电池充足电。因此,这个参数极为重要,只有满足这个参数要求才能延长蓄电池的使用寿命。恒压阶段的参考电压值：恒压阶段的参考电压值为59.5V左右,此值高有利于快速充足电,但容易造成蓄电池失水,充电后期不能使电流降下来,容易导致蓄电池发热变形；此值低则蓄电池快速充电的时间短,延长了蓄电池充足电的时间,但有利于向涓流阶段转换。因此,这个也是个重要参数,不能偏离过多。1转换电流：转换电流的参考值为500mA左右。通常该参考值围是450550 mA,若此值过高,虽然有利于延长蓄电池的使

10、用寿命,但增加了充电时间,但不能低于400mA。若此值低,虽有利于充足电并缩短充电时间,但会导致恒压充电时间过长,容易引起蓄电池失水,降低蓄电池的使用寿命。当个别蓄电池出现问题,使充电电流不能降为转折电流时,会损坏同组其他蓄电池。2充电方式3.充电时注意事项：充电时要注意的事项：一是在通风良好的环境下进行,以免温度过高给充电器和蓄电池带来危害,影响三段式充电过程；二是充电过程中如果闻到异味或充电器外壳温度过高,应立即停止充电,对充电器进行检修或更换；三是不要让金属和水等导电物质进入充电器部,以免充电器部的电子元器件被短路损坏。第四章 硬件电路设计1 电路总体设计 电路总体分为主电路和触发电路。

11、其中主电路由整流电路,可控硅调频电路,电流、电压显示电路构成；触发电路由整流电路,滤波电路、稳压电路、触发电路和隔离、过载保护电路构成。电路总体方框图如下图。AC15V AC56V图4.1 电路方框图2 主电路设计2.1 整流电路在本设计中整流电路采用集成化、大功率的桥堆,桥堆是一种电子元件,部由多个二极管组成。 图4.2 简化画法 图4.2 桥堆原理图主要作用是整流,调整电流方向。用桥堆整流是比较好的,首先是很方便,而且它部的四个管子一般是挑选配对的,所以其性能较接近,还有就是大功率的整流时,桥堆上都可以装散热块,使工作时性能更稳定,当然使用场合不同也要选择不同的桥堆,不能只看耐压是否够,比

12、如高频特性等。 整流桥堆产品是由四只整流硅芯片作桥式连接,外用绝缘朔料封装而成,大功率整流桥在绝缘层外添加锌金属壳包封,增强散热。整流桥品种多：有扁形、圆形、方形、板凳形分直插与贴片等,有GPP与O/J结构之分。最大整流电流从0.5A到100A,最高反向峰值电压从50V到1600V。半桥是将两个二极管桥式整流的一半封在一起,用两个半桥可组成一个桥式整流电路,一个半桥也可以组成变压器带中心抽头的全波整流电路,选择整流桥要考虑整流电路和工作电压.优质的厂家有国信电子科技文斯特电子的G系列整流桥堆,进口品牌有ST、IR,台系的SEP、GD等。整流桥堆一般用在全波整流电路中,它又分为全桥与半桥。全桥是

13、由4只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的,图是其外形。 全桥的正向电流有0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A、35A、50A等多种规格,耐压值最高反向电压有25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V等多种规格。 整流桥命名规则一般整流桥命名中有3个数字,第一个数字代表额定电流,A;后两个数字代表额电压,V如:KBL407即4A,1000VKBPC5010即50A,1000V1234567,005、01、02、04、06、08、10分别代表电压档的50V,100V,200V,400V,60

14、0V,800V,1000V。 结合蓄电池充电时参数以及对充电器的要求,本设计采用全桥、10A、600V型桥堆。图4.3 10A、600V全桥实物图2.2 可控硅触发电路1可控硅的介绍可控硅又称晶闸管。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族,它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶 闸管、快速晶闸管,等等。可控硅整流器件是一种非常重要的功率器件,可用来做高电压和高电流的控制。可控硅器件主要用在开关方面,使器件从关闭或是阻断的状态转换为开启或是导通的状态,反之亦然。可控硅器件与双极型晶体管有密切的关系,二者的传导过程皆牵涉到电子和空穴,但可控硅的开关机制

15、和双极晶体管是不同的,且因为器件结构不同,可控硅器件有较宽广围的电流、电压控制能力。现今的可控硅器件的额定电流可以从几毫安到5000A以上,额定电压可以超过10000V。下面将讨论基本可控硅器件的工作原理,然后给出一些高功率和高频率的可控硅器件。 在性能上,可控硅不仅具有单向导电性,而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性.它只有导通和关断两种状态。可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备,如果超过此频率,因元件开关损耗显着增加,允许通过的平均电流相降低,此时,标称电流应降级使用。可控硅的优点：以小功率控制大功率,功率放大倍数高达几十万倍;反应极快,在微秒级开通、关断;无触点运行,无火花、无噪音

16、;效率高,成本低等等。可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。可控硅从外形上分类主要有:螺栓形、平板形和平底形。可控硅元件的结构不管可控硅的外形如何,它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构.见图1.它有三个PN结,从J1结构的P1层引出阳极A,从N2层引出阴级K,从P2层引出控制极G,所以它是一种四层三端的半导体器件。图4.4 可控硅结构示意图和符号图2可控硅元器件的工作原理可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件,共有三个PN结,分析原理时,可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成,其等效图解如右图所示 图4.5 可控硅等效图解图1晶闸管的主要

17、工作特性为了能够直观地认识晶闸管的工作特性,大家先看这块示教板。晶闸管VS与小灯泡EL串联起来,通过开关S接在直流电源上。注意阳极A是接电源的正极,阴极K接电源的负极,控制极G通过按钮开关SB接在1.5V直流电源的正极。晶闸管与电源的这种连接方式叫做正向连接,也就是说,给晶闸管阳极和控制极所加的都是正向电压。现在我们合上电源开关S,小灯泡不亮,说明晶闸管没有导通；再按一下按钮开关SB,给控制极输入一个触发电压,小灯泡亮了,说明晶闸管导通了。这个演示实验给了我们什么启发呢? 这个实验告诉我们,要使晶闸管导通,一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压,二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发

18、电压。晶闸管导通后,松开按钮开关,去掉触发电压,仍然维持导通状态。 2晶闸管的特点一触即发,但是,如果阳极或控制极外加的是反向电压,晶闸管就不能导通。控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使晶闸管导通,却不能使它关断。那么,用什么方法才能使导通的晶闸管关断呢?使导通的晶闸管关断,可以断开阳极电源或使阳极电流小于维持导通的最小值。如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压,那么,在电压过零时,晶闸管会自行关断。 3测试晶闸管的好坏方法用万用表可以区分晶闸管的三个电极吗?怎样测试晶闸管的好坏呢? 普通晶闸管的三个电极可以用万用表欧姆挡R100挡位来测。大家知道,晶闸管G、K之间是一个PN结

19、图2,相当于一个二极管,G为正极、K为负极,所以,按照测试二极管的方法,找出三个极中的两个极,测它的正、反向电阻,电阻小时,万用表红表笔接的是控制极G,黑表笔接的是阴极K,剩下的一个就是阳极A了。测试晶闸管的好坏,可以用刚才演示用的示教板电路。接通电源开关S,按一下按钮开关SB,灯泡发光就是好的,不发光就是坏的。 4晶闸管触发电路的形式常用的有阻容移相桥触发电路、单结晶体管触发电路、晶体三极管触发电路、利用小晶闸管触发大晶闸管的触发电路,等等。 1电压平均值 额定通态平均电流IT在一定条件下,阳极-阴极间可以连续通过的50赫兹正弦半波电流的平均值。 2峰值电压a.正向阻断峰值电压VPF 在控制

20、极开路未加触发信号,阳极正向电压还未超过导能电压时,可以重复加在可控硅两端的正向峰值电压。可控硅承受的正向电压峰值,不能超过手册给出的这个参数值。b. 反向阻断峰值电压VPR当可控硅加反向电压,处于反向关断状态时,可以重复加在可控硅两端的反向峰值电压。使用时,不能超过手册给出的这个参数值。c. 控制极触发电流Ig1 、触发电压VGT在规定的环境温度下,阳极-阴极间加有一定电压时,可控硅从关断状态转为导通状态所需要的最小控制极电流和电压。 d. 维持电流IH在规定温度下,控制极断路,维持可控硅导通所必需的最小阳极正向电流。近年来,许多新型可控硅元件相继问世,如适于高频应用的快速可控硅,可以用正或

21、负的触发信号控制两个方向导通的双向可控硅,可以用正触发信号使其导通,用负触发信号使其关断的可控硅等等。 5可控硅的主要参数1电流a. 额定通态电流IT即最大稳定工作电流,俗称电流。常用可控硅的IT一般为一安到几十安。 耐压b. 反向重复峰值电压VRRM或断态重复峰值电压VDRM,俗称耐压。常用可控硅的VRRM/VDRM一般为几百伏到一千伏。 触发电流c. 控制极触发电流IGT,俗称触发电流。常用可控硅的IGT一般为几微安到几十毫安。 6结构与鉴别可控硅从外形上分主要有螺旋式、平板式和平底式三种,螺旋式的应用较多。可控硅有三个电极-阳极A阴极C和控制极G。它有管芯是P型导体和N型导体交迭组成的四

22、层结构,共有三个PN结。可控硅和只有一个PN结的硅整流二极度管在结构上迥然不同。可控硅的四层结构和控制极的引用,为其发挥以小控大的优异控制特性奠定了基础。在应用可控硅时,只要在控制极加上很小的电流或电压,就能控制很大的阳极电流或电压。目前已能制造出电流容量达几百安培以至上千安培的可控硅元件。一般把5安培以下的可控硅叫小功率可控硅,50安培以上的可控硅叫大功率可控硅。 鉴别可控硅三个极的方法很简单,根据P-N结的原理,只要用万用表测量一下三个极之间的电阻值就可以。阳极与阴极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上,阳极和控制极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上。控制极与阴极之间是一个P-N结,因此它的

23、正向电阻大约在几欧-几百欧的围,反向电阻比正向电阻要大。另外,在测量控制极正反向电阻时,万用表应放在R*10或R*1挡,防止电压过高控制极反向击穿。若测得元件阴阳极正反向已短路,或阳极与控制极短路,或控制极与阴极反向短路,或控制极与阴极断路,说明元件已损坏。 结合蓄电池充电时参数以及对充电器的要求,本设计采用TYN1225可控硅。以下为可控硅参数即原理图如下：表4.1 TYN1225参数型号TYN1225封装TO-220极限电压1200V极限电流25A用途电工电气图4.6 可控硅原理图2.3 电流、电压显示电路电流表是实时显示所串接电路的电流的一种仪表,为便于查看,一般采用外接的方法。电流表的

24、选择主要参考的为在正常工作下显示的最大电流即所能承受的最大电流和耐电压值。在本设计中最大的充电电流为10A,充电电压为48V。故选择10A/2000V。电压表是实时显示所并接电路的电压的一种仪表,为便于查看,一般采用外接的方法。电压表的选择主要参考的为在正常工作下显示的最大电压值即所能承受的最大电压。在本设计中最大的充电电压为48V。故选择75V。图4.7 电流表、电压表安装图3 触发电路设计3.1 整流电路设计整流电路rectifying circuit是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域

25、得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间,用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。1整流电路分类及工作原理 1半波整流电路半波整流电路是一种最简单的整流电路。它由电源变压器B 、整流二极管D 和负载电阻Rfz 组成。变压器把市电电压多为220伏变换为所需要的交变电压e2,D 再把交流电变换为脉动直流电。 变压器砍级电压e2,是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压,它的波形如图4.6a所示。在0K时间,e2

26、为正半周即变压器上端为正下端为负。此时二极管承受正向电压面导通,e2通过它加在负载电阻Rfz上,在2 时间,e2为负半周,变压器次级下端为正,上端为负。这时D承受反向电压,不导通,Rfz,上无电压。在2时间,重复0 时间的过程,而在34时间,又重复2时间的过程这样反复下去,交流电的负半周就被削掉了,只有正半周通过Rfz,在Rfz上获得了一个单一右向上正下负的电压,如图4.6b所示,达到了整流的目的,但是,负载电压Usc。以及负载电流的大小还随时间而变化,因此,通常称它为脉动直流。这种除去半周、图下半周的整流方法,叫半波整流。不难看出,半波整说是以牺牲一半交流为代价而换取整流效果的,电流利用率很

27、低计算表明,整流得出的半波电压在整个周期的平均值,即负载上的直流电压Usc =0.45e2 因此常用在高电压、小电流的场合。 图4.8 半波整流原理和波形图 2全波整流电路如果把整流电路的结构作一些调整,可以得到一种能充分利用电能的全波整流电路。图3.7是全波整流电路的电原理图。 全波整流电路,可以看作是由两个半波整流电路组合成的。变压器次级 图4.9 全波整流原理图 线圈中间需要引出一个抽头,把次组线圈分成两个对称的绕组,从而引出大小相等但极性相反的两个电压e2a 、e2b ,构成e2a 、D1、Rfz与e2b 、D2、Rfz ,两个通电回路。 全波整流电路的工作原理,可用图4.6 所示的波

28、形图说明。在0间,e2a 对Dl为正向电压,D1 导通,在Rfz 上得到上正下负的电压；e2b 对D2为反向电压,D2 不导通。在-2时间,e2b 对D2为正向电压,D2导通,在Rfz 上得到的仍然是上正下负的电压；e2a 对D1为反向电压,D1 不通。 图4.10 带平衡电抗器的双反星型可控整流电路 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路是将整流变压器的两组二次绕组都接成星形,但两组接到晶闸管的同名端相反；两组二次绕组的中性点通过平衡电控器LB连接在一起。 3桥式整流电路桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路,只要增加两只二极管口连接成桥式结构,便具有全波整流电路的优点,而同时在一定程度

29、上克服了它的缺点。 图4.11 桥式整流原理图桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时,对D1、D3和方向电压,Dl,D3导通；对D2、D4加反向电压,D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz 、D3通电回路,在Rfz ,上形成上正下负的半波整洗电压,e2为负半周时,对D2、D4加正向电压,D2、D4导通；对D1、D3加反向电压,D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz 、D4通电回路,同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。 如此重复下去,结果在Rfz ,上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图4.8中还不难看出,桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变

30、压器次级电压的最大值,比全波整流电路小一半。在本设计中,触发电路要求波形平滑、电压稳定的直流电,所以采用桥式整流电路。下图为桥式整流原理图。图4.12 桥式整流原理图3.2 滤波电路 信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的,组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率围的信号成分正常通过,而阻止另一部分频率成分通过的电路,叫做经典滤波器或滤波电路。12 当流过电感的电流变化时,电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时,电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反,阻止电流的增加,同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流

31、减小时,自感电动势与电流方向相同,阻止电流的减小,同时释放出存储的能量,以补偿电流的减小。因此经电感滤波后,不但负载电流及电压的脉动减小,波形变得平滑,而且整流二极管的导通角增大。在电感线圈不变的情况下,负载电阻愈小,输出电压的交流分量愈小。只有在RLL时才能获得较好的滤波效果。L愈大,滤波效果愈好。 另外,由于滤波电感电动势的作用,可以使二极管的导通角接近,减小了二极管的冲击电流,平滑了流过二极管的电流,从而延长了整流二极管的寿命。 滤波系数3.3 三端稳压电路集成稳压器是指将功率调整管、取样电阻、基准电压、误差放大、启动及保护电路等全部集成在一块芯片上,具有特定输出电压的稳压集成电路。三端是指电压输入端、电压输出端、和公共接地端。三端IC稳压器按性能与用途可分为固定电压输出正稳压器、固定输出负稳压器、可调输出正稳压器和可调输出负稳压器四类。三