大容量航空蓄電池充電器的研制

　　1 引言

　　該航空蓄電池充電器為飛機(jī)某型號(hào)蓄電池專門(mén)設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)兩階段充電功能，即恒流充電狀態(tài)（以20A的大電流充電）和涓流充電狀態(tài)（以3A的小電流充電）。蓄電池充電器使用的工作電源為115V/400Hz的航空電源，充電器能在1小時(shí)內(nèi)完成恒流充電，隨后以涓流狀態(tài)對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電直至充電結(jié)束，每個(gè)充電過(guò)程在2個(gè)小時(shí)內(nèi)完成。

　　2　充電器總體設(shè)計(jì)方案

圖1 充電器主電路結(jié)構(gòu)框圖

　　航空蓄電池充電器的主電路如圖1所示，電源變換器采用了由半橋變換器、高頻變壓器和輸出整流濾波電路組成的半橋變換器[1]，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，功率管為場(chǎng)效應(yīng)管，而且開(kāi)關(guān)管承受的電壓為電源電壓，故可在電源電壓較高的場(chǎng)合應(yīng)用。通常高頻大功率變換器開(kāi)關(guān)頻率一般都大于15kHz，為了使功率電路小型化、減小失真并保持高的變換效率，該充電器采用了20kHz的開(kāi)關(guān)頻率。

　　3 SG3525芯片介紹

圖2　SG3525芯片的結(jié)構(gòu)圖

　　SG3525是美國(guó)通用公司的產(chǎn)品，如圖2所示，內(nèi)部電路主要由基準(zhǔn)電源、振蕩器、誤差放大器、PWM比較器與鎖存器、分相器、欠電壓鎖定、輸出級(jí)、軟啟動(dòng)以及關(guān)斷電路等組成?；鶞?zhǔn)電源是一個(gè)典型的三端穩(wěn)壓器，精度可達(dá)，采用了溫度補(bǔ)償。作為內(nèi)部電路的供電電源，并可向外輸出40mA電流。振蕩器由一個(gè)雙門(mén)限比較器，一個(gè)恒流源及電容充放電電路組成，在芯片外部由5腳對(duì)地接一電容器，6腳對(duì)地接一電阻，5腳和7腳之間外接電阻即可構(gòu)成該振蕩器。

　　SG3525芯片各點(diǎn)的工作波形如圖3所示，由誤差放大器輸出的電壓Ve與鋸齒波的交點(diǎn)可得一負(fù)的PWM信號(hào)。由PWM信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)及分相器輸出的Q (或 )信號(hào)，根據(jù)或非門(mén)的邏輯可得兩個(gè)或非門(mén)的輸出信號(hào)Va和Vb。由波形圖可以看出，PWM比較器的反相輸入端電平越高，輸出脈沖Va和Vb的占空比越大；反之越小。根據(jù)這一規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)該控制器的調(diào)壓、軟啟動(dòng)及保護(hù)功能。另外，可以通過(guò)改變5腳和7腳之間的外接電阻的大小，使時(shí)鐘脈沖寬度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)死區(qū)大小的調(diào)節(jié)[2]。

　　4 充電器的控制與保護(hù)策略

　　航空蓄電池充電器的控制原理框圖如圖4所示。芯片SG3525產(chǎn)生的兩路 PWM波經(jīng)過(guò)光耦隔離以后，被送入IR2130從而驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管工作，由于充電器的負(fù)載為電壓時(shí)刻變化的航空蓄電池，因此在控制電路中還采用了電壓電流雙閉環(huán)控制、過(guò)流及過(guò)溫保護(hù)電路，從而能保證充電器高效、可靠的完成整個(gè)充電過(guò)程。

圖4 充電器控制原理框圖

　　該充電器的工作過(guò)程可以簡(jiǎn)單的描述為：當(dāng)充電器檢測(cè)到蓄電池兩端的電壓低于某一定值電壓（第一定值）時(shí)，充電器開(kāi)始工作并進(jìn)入恒流充電狀態(tài)，此時(shí)由外部的電壓傳感器和電流傳感器采集來(lái)的電壓、電流信號(hào)傳送到控制電路進(jìn)行電壓、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，保持充電電流恒定；當(dāng)充電電壓達(dá)到另一定值（第二定值）電壓時(shí)，蓄電池充電器進(jìn)入涓流充電狀態(tài)，當(dāng)蓄電池充電器檢測(cè)到蓄電池兩端電壓不再發(fā)生明顯變化時(shí)，充電過(guò)程結(jié)束。

　　5 軟件設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)系統(tǒng)以AD公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片ADuC812為核心，采用單片機(jī)C語(yǔ)言進(jìn)行編程，該芯片以8951為內(nèi)核，集成了高精度的多通道ADC和 DAC，具有在線可編程功能，該系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)人機(jī)接口（按鍵，LED顯示）來(lái)設(shè)置對(duì)蓄電池的充電電流的大小，用采集到的電流和電壓值與設(shè)定值進(jìn)行數(shù)字式PID調(diào)節(jié)，以控制D/A輸出，并在充電的過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示蓄電池電壓、電流值和充電時(shí)間。
　　軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖5所示，在恒流充電階段，電壓傳感器產(chǎn)生的電壓信號(hào)、電流傳感器產(chǎn)生的電壓信號(hào)傳送到單片機(jī)以后，單片機(jī)產(chǎn)生2V的D/A信號(hào)給調(diào)理電路，在檢測(cè)到蓄電池兩端電壓達(dá)到第二定值時(shí)，充電器進(jìn)入涓流充電階段，單片機(jī)電路產(chǎn)生較小的D/A值，使蓄電池以較小的電流充電(涓流充電)，當(dāng)檢測(cè)到蓄電池電壓不再上升（或者發(fā)生明顯的變化）時(shí)，單片機(jī)電路給出關(guān)斷充電器信號(hào)，蓄電池充電過(guò)程結(jié)束。

圖5 充電器的軟件流程圖

　　6 試驗(yàn)結(jié)果

圖6 蓄電池充電過(guò)程示意圖

　　使用該蓄電池充電器對(duì)某型號(hào)航空蓄電池進(jìn)行了充電試驗(yàn)，最大充電電流限制為30A，溫度限制值定為350C。蓄電池的初始電壓為20V，充電開(kāi)始時(shí)，充電器以20A的電流對(duì)蓄電池持續(xù)充電約58分鐘，然后以較小的電流3A對(duì)蓄電池進(jìn)行涓流充電，直至蓄電池電壓上升到32.45V時(shí)，蓄電池兩端的電壓不再發(fā)生明顯的上升現(xiàn)象，此時(shí)充電器停止充電，歷時(shí)150分鐘，充電過(guò)程曲線示意圖如圖6所示。

　　7 結(jié)論

　　本文提出了一種鎘鎳航空蓄電池充電器的設(shè)計(jì)方案和控制原理，精確實(shí)現(xiàn)了恒流充電和涓流充電功能，該充電器實(shí)現(xiàn)了輸出與電網(wǎng)的高頻電氣隔離，充電效率高，使用方便，工作穩(wěn)定，有效地縮短了充電時(shí)間，提高了充電質(zhì)量，便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，滿足航空蓄電池的使用要求，現(xiàn)已經(jīng)裝備使用，效果良好。

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