大容量航空蓄电池充电器的研制

中心议题：

• 蓄电池充电器总体设计方案
• 蓄电池充电器的控制与保护策略

解决方案：

• 采用了由半桥变换器、高频变压器和输出整流滤波电路组成的半桥变换器
• 采用恒流充电和涓流充电

该航空蓄电池充电器为飞机某型号蓄电池专门设计，主要实现两阶段充电功能，即恒流充电状态（以20A的大电流充电）和涓流充电状态（以3A的小电流充电）。蓄电池充电器使用的工作电源为115V/400Hz的航空电源，充电器能在1小时内完成恒流充电，随后以涓流状态对蓄电池组进行充电直至充电结束，每个充电过程在2个小时内完成。

充电器总体设计方案


图1充电器主电路结构框图

航空蓄电池充电器的主电路如图1所示，电源变换器采用了由半桥变换器、高频变压器和输出整流滤波电路组成的半桥变换器，该电路结构简单，工作可靠，功率管为场效应管，而且开关管承受的电压为电源电压，故可在电源电压较高的场合应用。通常高频大功率变换器开关频率一般都大于15kHz，为了使功率电路小型化、减小失真并保持高的变换效率，该充电器采用了20kHz的开关频率。

3SG3525芯片介绍


图2　SG3525芯片的结构图

SG3525是美国通用公司的产品，如图2所示，内部电路主要由基准电源、振荡器、误差放大器、PWM比较器与锁存器、分相器、欠电压锁定、输出级、软启动以及关断电路等组成。基准电源是一个典型的三端稳压器，精度可达，采用了温度补偿。作为内部电路的供电电源，并可向外输出40mA电流。振荡器由一个双门限比较器，一个恒流源及电容充放电电路组成，在芯片外部由5脚对地接一电容器，6脚对地接一电阻，5脚和7脚之间外接电阻即可构成该振荡器。


图3SG3525芯片各点的工作波形

SG3525芯片各点的工作波形如图3所示，由误差放大器输出的电压Ve与锯齿波的交点可得一负的PWM信号。由PWM信号、时钟信号及分相器输出的Q(或)信号，根据或非门的逻辑可得两个或非门的输出信号Va和 Vb。由波形图可以看出，PWM比较器的反相输入端电平越高，输出脉冲Va和Vb的占空比越大；反之越小。根据这一规律来实现该控制器的调压、软启动及保护功能。另外，可以通过改变5脚和7脚之间的外接电阻的大小，使时钟脉冲宽度变化来实现死区大小的调节。

充电器的控制与保护策略

航空蓄电池充电器的控制原理框图如图4所示。芯片SG3525产生的两路PWM波经过光耦隔离以后，被送入IR2130从而驱动开关管工作，由于充电器的负载为电压时刻变化的航空蓄电池，因此在控制电路中还采用了电压电流双闭环控制、过流及过温保护电路，从而能保证充电器高效、可靠的完成整个充电过程。


图4充电器控制原理框图

该充电器的工作过程可以简单的描述为：当充电器检测到蓄电池两端的电压低于某一定值电压（第一定值）时，充电器开始工作并进入恒流充电状态，此时由外部的电压传感器和电流传感器采集来的电压、电流信号传送到控制电路进行电压、电流双闭环调节，保持充电电流恒定；当充电电压达到另一定值（第二定值）电压时，蓄电池充电器进入涓流充电状态，当蓄电池充电器检测到蓄电池两端电压不再发生明显变化时，充电过程结束。

软件设计

单片机系统以AD公司的数据采集系统芯片ADuC812为核心，采用单片机C语言进行编程，该芯片以8951为内核，集成了高精度的多通道ADC和DAC，具有在线可编程功能，该系统的主要功能是通过人机接口（按键，LED显示）来设置对蓄电池的充电电流的大小，用采集到的电流和电压值与设定值进行数字式PID调节，以控制D/A输出，并在充电的过程中实时显示蓄电池电压、电流值和充电时间。

软件设计的流程图如图5所示，在恒流充电阶段，电压传感器产生的电压信号、电流传感器产生的电压信号传送到单片机以后，单片机产生2V的D/A信号给调理电路，在检测到蓄电池两端电压达到第二定值时，充电器进入涓流充电阶段，单片机电路产生较小的D/A值，使蓄电池以较小的电流充电(涓流充电)，当检测到蓄电池电压不再上升（或者发生明显的变化）时，单片机电路给出关断充电器信号，蓄电池充电过程结束。


图5充电器的软件流程图

试验结果


图6蓄电池充电过程示意图

使用该蓄电池充电器对某型号航空蓄电池进行了充电试验，最大充电电流限制为30A，温度限制值定为350C。蓄电池的初始电压为20V，充电开始时，充电器以20A的电流对蓄电池持续充电约58分钟，然后以较小的电流3A对蓄电池进行涓流充电，直至蓄电池电压上升到32.45V时，蓄电池两端的电压不再发生明显的上升现象，此时充电器停止充电，历时150分钟，充电过程曲线示意图如图6所示。

本文提出了一种镉镍航空蓄电池充电器的设计方案和控制原理，精确实现了恒流充电和涓流充电功能，该充电器实现了输出与电网的高频电气隔离，充电效率高，使用方便，工作稳定，有效地缩短了充电时间，提高了充电质量，便于现场应用，满足航空蓄电池的使用要求，现已经装备使用，效果良好。