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1、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验波形，仿真和实验结果表明:充电机输出电压稳定，纹波小，
2、满足系统的设计要求。关键词：蓄电池； IGBT； 充电； PID控制AbstractBattery 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. Rechargeable battery in production, is using and maintenance of in
3、dispensable 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 the whole bridge type DC-DC isolation in the flow of powe
4、r 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 realize the control of the charging, system of auxiliary
5、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 requirements.Key words: Storage battery； IGBT； charging； P
6、ID control目录摘要IAbstractII目录III1 绪论11.1 研究背景11.2 研究意义21.3 国内外发展现状31.4 本文主要研究内容52 蓄电池的工作原理和特性分析62.1 蓄电池的种类和特性62.2 蓄电池的工作原理分析72.2.1 蓄电池的放电原理分析72.2.2 蓄电池的充电原理分析72.3 蓄电池的充电过程分析92.4 充电方法和控制策略的选择102.4.1 恒流充电102.4.2 恒压充电102.4.3 充电方法分析和控制策略的选择113 系统的总体设计123.1 系统原理图123.2 DC-DC降压变换器拓扑分析123.2.1 Buck变换器133.2.2 B
7、uck-boost变换器133.2.3 Cuk变换器143.2.4 单端正激（Forward）变换器143.2.5 单端反激式（Flyback）变换器153.2.6 全桥（Bridge）变换器163.3 系统充电主回路的选择174 系统电路设计和算法设计194.1 系统主回路参数设计与硬件设计194.1.1 变压器参数设计194.1.2 滤波器设计194.1.3 系统主回路开关管的设计204.1.4 系统主回路电路图214.2 系统控制回路的设计224.2.1 系统控制回路原理图224.2.2 系统控制回路设计图224.3 系统总电路设计图234.4 系统控制算法设计254.4.1 系统控制算
8、法的选择254.4.2 系统PID参数的整定265 系统仿真及波形分析275.1 系统开环控制仿真275.2 不同PID参数下的仿真275.3 系统仿真下的电压波形分析295.4 系统仿真下的电流波形分析305.5 系统仿真结果分析31结束语32参考文献33附录34致谢361 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。
9、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1/301/20,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
10、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
11、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 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
12、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DB31/2021997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，
13、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12001500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
14、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
15、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，增加了板栅的机械强度，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
