充电器

一种通用型航空蓄电池充电器研制 Development of a General Charger for the Aircraft Batteries 南 京 航 空 航 天 大 学自动化学院 谢少军 陈勇 (Automation Controlling College, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics) 摘要：研制了一种通用型的航空蓄电池充电器，可作为铅酸、镉镍航空蓄电池的地面保障设备。该充电器 为电源变换器与电流可逆双象限变换器的组合。本文阐述了系统的电路、参数设计方法和控制电路构 成。研制成功可用于恒流充电和放电的充电器样机，样机实验明了该充电器具有输出与电网高频电气隔 离、结构简单、体积小、重量轻等优点。 Abstract: This paper introduces a general charger for the aircraft batteries. The charger can be used as the maintain equipment for the Acid and Cadmium-Nickel batteries. The circuit scheme, parameter design and control principle are also introduced in details .The experimental results of the charger show that the charger has the advantages of electric separation , bi-directional current flow and simple frame . 关键词：充电器 电流可逆 蓄电池 Keywords: charger; current reversibility; batteries 中图分类号: TM352 1 引言 目前我军装备的航空蓄电池主要有铅 酸和镉镍两种类型。铅酸蓄电池一般采用恒 压限流充电方式，镉镍蓄电池由于存在记忆 现象，在充电前应充分放电[1]。传统的蓄电 池充电器采用可控硅整流器，利用其可逆运 行特性实现电池的充放电，但其体积重量 大，动态响应特性差[2]。现在一般采用高频 开关型整流器为蓄电池充电[3]，但由于其不 能可逆运行，需要另外的放电器。 为满足各型飞机的蓄电池地面维护要 求，我们研制了一种通用型的航空蓄电池充 电器。该充电器将充电和放电结合由一套功 率和控制电路实现，简化了系统结构，使用 方便。 2 充电器功率电路方案和参数设计 2．1 功率电路方案 为满足二类蓄电池的使用维护要求，该 充电器应具备充电和放电两种功能，兼顾地 勤保障惯例，为铅酸蓄电池充电时采用恒压 限流方式，为碱性电池充电时先自动恒流放 电，然后恒流定时充电，结合我军装备的蓄 电池状态，该充电器的输出电流最大为 50A， 充电器的输入既可为单相交流电，也可为三 相交流电。 图 1 所示为本文提出的通用型充电器 的功率电路结构图。由电源变换器和电流可 逆双象限变换器二部分组成。根据不同的要 求，控制三个开关管 Q1、Q2、Q3的开通和关 断，可使变换器工作于充电和放电两种工作 方式。 图 1 充电器功率电路方案 电源变换器如图 1 中虚线框所示，采用 半桥电路，功率管为场效应管，在充电时输 入接触器 Ki 闭合，交流电整流后再经半桥 逆变、高频隔离和整流，转换为直流电供给 后级电路。放电时 Ki断开，电源变换器不工 作。 图1中实线框内为电流可逆双象限变换 器。充电时，Q1断开，电源变换器输出的直 流电由降压斩波器调整为恒定电流给电池 充电。如图 2a 所示。 图 2a 充电工作示意图 放电时，Q1闭合，升压变换器将电池能 量以恒流放电方式消耗在放电电阻上。如图 2b 所示。 图 2b 放电工作示意图 另外设一个输出开关 KO用于输出控制。 可以起到以下作用：①只有 CO上电压高于一 定值时 KO 才导通，当电池接入时，经 RO 给 CO充电，可防止电池的瞬时短路和接线时的 拉弧现象。②起电池保护作用。③充/放电 器故障时，KO断开。 功率电路上设二个电流点和三个 电压检测点，CT1 用于输入过流保护，CT2 用于电流控制和充放电过流保护，VT1 用于 输入过欠压保护，VT2 用于输出过欠压保护， VT3 用于电池短路、开路和反接保护。 2．2 参数设计 通用型蓄电池充电器的技术要求是： 输入电压 220±20%或 380±20%，输出电流 2～50A，最大输出电压 40V。根据上述要求 设计功率电路参数。 2．2．1 电源变换电路参数设计 电源变换电路主要考虑变压器、功率 管、输入电容、整流二极管、滤波电感及输 出电容的设计。根据最大充电电压要求设计 电源变换器的额定输出电压为 80V，为减小 损耗，变换器开关频率取为 20KHZ。 变压器：根据输入电压、输出电压、副 边电流峰值算出变压器两侧的电压、电流 值，从而确定变压器参数，通过计算选取 C-N-84 超微晶铁芯，原边绕组匝数取为 54 匝，副边绕组匝数取为 24 匝，原副边导线 均采用 1.25mm×5mm 扁铜线。 功率管：根据功率管峰值电流和最大反 压，选用 36A/1000V 场效应晶体管。 输入电容：由△U= CD TI ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ⋅⋅ 22 1 ， 取△ U=1%×Ui/2，选用 470μF/450V 的电容。 整流二极管：由整流二极管电流有效值 及反压，选用 2×60A/200V 二极管模块。 滤波电感：按 2A 输出电流时，电流连 续计算得到 L≥75μH。 输出电容：按输出最大脉动电压不超过 1V计算，根据 ( ) fU DI C ⋅Δ −⋅≥ max 2 1 选用470μF/250V 电解电容。 2．2．2 电流可逆双象限变换器参数设计 电流可逆双象限变换器参数设计从两 种工况下设计：放电工况设计和充电工况设 计。 放电时主要考虑放电电阻、功率管、及 输入电感的参数设计。由放电最小输入功 率、升压变换器最低输出电压计算放电电阻 R= min 2 min o o p u ，设计为取 6 只 100Ω/200W 电阻并 联。由放电最大输入功率、放电时最高输出 电压为 RpU OMAXo ⋅=max ，选取功率管 Q2 为 100A/250V MOSFET。按最小放电电流（3A） 时电感电流连续计算 H I DTDUL o i μ23 2 )1( min =−≥ 。 充电时主要考虑滤波电容、滤波电感、 及功率管的参数设计。由最低充电电压计算 出最小占空比，按最小充电电流时电感电流 连续计算 H I DTDU L o i μ60 2 )1( min =−≥ 。根据最大电 流 Q3选取 100A/250V MOSFET。输出电容取 为 1000μF/50V 电解电容。 综合充放电工况，电路中 LO 按 60μ H/50A 设计，采用 C-N-84 超微晶铁芯，N=30， 用 60×0.3 紫铜皮绕制 3 控制电路构成 充电器的控制电路主要由充放电电压 电流控制和保护二部分构成，框图如图 3 所 示。电源变换器为固定占空比开环控制。电 流可逆双象限变换器的控制方式为闭环控 制，控制芯片选用 SG1525A。当变换器的工 作方式不同时，其控制是不同的。 3．1 充电工作方式 当变换器工作在充电方式时，如果为恒 压充电，则整个控制为双闭环控制，外环为 输出电压环，保证输出直流电压恒定。内环 为输出电流环，其给定为电压调节器的输 出，同时具有限流的功能；如果为恒流充电 方式，则使电压环饱和退出控制，整个控制 电路中仅电流环起作用，目的是保证输出电 流恒定。 图 3 控制电路框图 3．2 放电工作方式 当充电器工作在放电工作方式时，电压 调节器总是处于饱和状态，此时仅电流环在 工作，其实质为电流控制环。电流调节器工 作，使电感电流等于设定值，由于放电时电 感电流方向与充电时相反，所以电流检测信 号必须经绝对值电路进行极性变换。 4 研制结果 采用上述功率电路和控制方法，研制出 一台样机，内部由二套充电器构成，其体积 为 mmmmmm 600240420 ×× ，可满足二 组蓄电池同时充放电使用。 表 1 是二组充放电器一组接模拟负载 （电阻），一组接某型 25Ah 航空蓄电池时测 得的数据，其中接模拟负载的一组试验过程 中通过电流调节旋钮改变工作电流。图 4a 是充电器功率管 Q2 上的驱动波形和电感 Li 上的电流波形，图 4b 是后级斩波器的输入 电压、输出电流波形。 图 5 是放电运行时充电器功率管 Q3 上 的驱动波形和电感 Lo 上的电流波形。表 2 是测试数据。 表 1 充电测试数据 Ⅰ组 Ⅱ组 计时 (min) 输 入 电 压 (Ｖ) 电 压 (Ｖ) 电 流 (Ａ) 电 压 (Ｖ) 电 流 (Ａ) 0 17.5 0 382 35.9 13.9 17.5 12.5 3 382 35.9 19.6 28.1 12.5 5 382 36.0 27.3 28.4 12.5 30 382 28.9 27.3 28.5 12.5 50 382 36.1 34.0 28.7 12.5 60 382 32.3 40.0 28.8 12.5 电池静置１０分钟继续充电 1 348 35.9 14.0 28.3 12.5 3 348 36.1 21.2 28.8 12.5 15 349 36.2 34.0 29.0 12.5 30 349 32.8 40.2 29.1 12.5 50 419 35.8 14.0 29.3 12.5 60 419 35.8 19.8 29.5 12.5 70 419 28.8 27.3 27.8 12.5 73 419 36.0 33.9 30.1 12.5 75 419 32.4 40.0 30.4 12.5 76 30.6 12.5 图 4a 充电时的功率管驱动、电感电流波形 图 4b 充电时斩波器的输入电压、电感电流波形 表 2 放电测试数据 图 5 放电时功率管驱动、电感电流波形 综合表 1 和表 2 的数据可见，以 0 .5C 恒流充电，2 小时 20 分钟蓄电池由完全放电 状态充电至充满状态，以 1C 放电，约 1 小 时可将蓄电池完全放电。 5 小结 本文提出了一种通用型航空蓄电池充 电器的电路方案和控制原理，给出了参数设 计方法。该充电器将充电和放电结合由一套 功率和控制电路实现，实现了输出与电网的 高频电气隔离，结构简单，体积重量小。研 制的设备工作可靠，已装备部队，满足航空 蓄电池的使用要求。 参考文献 1 王鸿麟.智能快速充电器设计与制作.北京:科 学出版社.1998 年 5 月. 2 李建飞 . 具有恒压限流和恒流限压功能的 DC/DC 变换器. 电力电子技术,1999,NO.1,pp42-44. 3 崔明.一种新型大容量充电器的设计与实现. 电力电子技术,1995,NO.3,pp27-29. 4 王兆安.高功率电流可逆变换器研究. 电力电 子技术,2000,NO.6,pp5-7.