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某型號蓄電池專(zhuān)門(mén)設計，主要實(shí)現兩階段充電功能，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)內完成恒流充電，隨后以涓流狀態(tài)對蓄電池組進(jìn)行充電直至充電結束，每個(gè)充電過(guò)程在2個(gè)小時(shí)內完成。

　　2　充電器總體設計方案

圖1 充電器主電路結構框圖

　　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]，該電路結構簡(jiǎn)單，工作可靠，功率管為場(chǎng)效應管，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芯片的結構圖

　　SG3525是美國通用公司的產(chǎn)品，如圖2所示，內部電路主要由基準電源、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、軟啟動(dòng)以及關(guān)斷電路等組成?；鶞孰娫词且粋€(gè)典型的三端穩壓器，精度可達，采用了溫度補償。作為內部電路的供電電源，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腳對地接一電容器，6腳對地接一電阻，5腳和7腳之間外接電阻即可構成該振蕩器。

　　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)可得一負的PWM信號。由PWM信號、時(shí)鐘信號及分相器輸出的Q (或 )信號，根據或非門(mén)的邏輯可得兩個(gè)或非門(mén)的輸出信號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。根據這一規律來(lái)實(shí)現該控制器的調壓、軟啟動(dòng)及保護功能。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)現死區大小的調節[2]。

　　4 充電器的控制與保護策略

　　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從而驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管工作，由于充電器的負載為電壓時(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：當充電器檢測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、電流信號傳送到控制電路進(jìn)行電壓、電流雙閉環(huán)調節，保持充電電流恒定；當充電電壓達到另一定值（第二定值）電壓時(shí)，蓄電池充電器進(jìn)入涓流充電狀態(tài)，當蓄電池充電器檢測到蓄電池兩端電壓不再發(fā)生明顯變化時(shí)，充電過(guò)程結束。

　　5 軟件設計

　　單片機系統以AD公司的數據采集系統芯片ADuC812為核心，采用單片機C語(yǔ)言進(jìn)行編程，該芯片以8951為內核，集成了高精度的多通道ADC和 DAC，具有在線(xiàn)可編程功能，該系統的主要功能是通過(guò)人機接口（按鍵，LED顯示）來(lái)設置對蓄電池的充電電流的大小，用采集到的電流和電壓值與設定值進(jìn)行數字式PID調節，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。
　　軟件設計的流程圖如圖5所示，在恒流充電階段，電壓傳感器產(chǎn)生的電壓信號、電流傳感器產(chǎn)生的電壓信號傳送到單片機以后，單片機產(chǎn)生2V的D/A信號給調理電路，在檢測到蓄電池兩端電壓達到第二定值時(shí)，充電器進(jìn)入涓流充電階段，單片機電路產(chǎn)生較小的D/A值，使蓄電池以較小的電流充電(涓流充電)，當檢測到蓄電池電壓不再上升（或者發(fā)生明顯的變化）時(shí)，單片機電路給出關(guān)斷充電器信號，蓄電池充電過(guò)程結束。

圖5 充電器的軟件流程圖

　　6 試驗結果

圖6 蓄電池充電過(guò)程示意圖

　　使用該蓄電池充電器對某型號航空蓄電池進(jìn)行了充電試驗，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的電流對蓄電池持續充電約58分鐘，然后以較小的電流3A對蓄電池進(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)生明顯的上升現象，此時(shí)充電器停止充電，歷時(shí)150分鐘，充電過(guò)程曲線(xiàn)示意圖如圖6所示。

　　7 結論

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

　　參考文獻

[1] 阮新波，嚴仰光，直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，科學(xué)出版社，2000.
[2] 李序葆，趙永健，電力電子器件及其應用，機械工業(yè)出版社，2001.
[3] 謝少軍，陳　勇，一種通用型航空蓄電池充電器研制，南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2003年，第1期.
[4] 20GNC系列鎘鎳航空蓄電池技術(shù)手冊, 國營(yíng)七五五廠(chǎng).