充电器设计文献综述

燕山大学

本科毕业设计（论文）文献综述

课题名称：UPS电源中蓄电池充电设计

学院（系）：电气工程学院

年级专业：电气工程及其自动化

学生姓名：穆书军

指导教师：张纯江

完成日期： 2012年3月18日

一、课题国内外现状

自从1859年法国科学家普朗特以铅为电极制成铅酸蓄电池以来，铅酸蓄电池经过一百多年的发展与完善，已经成为世界上广泛使用的一种化学电池，铅酸蓄电池由于其成本低、容量大、安全可靠等特点，在通讯、铁路、军事、电动汽车、光伏发电等各个领域都有广泛的应用，逐渐发展成为社会生产和人类生活中不可缺少的设备。

蓄电池在实际应用中遇到的最大问题是其使用寿命远远达不到设计寿命。设计寿命在10--15年的蓄电池，在实际使用时大都在3～5年便损坏，有些甚至不到一年便失效了，这不但影响了电力系统的可靠性，而且还造成了重大的经济损失。蓄电池的使用寿命由多方面的因素决定，包括蓄电池本身的物理性能、使用环境、监控管理方式和充放电制度等。通过对过早失效的蓄电池进行统计及分析发现，大部分都是由于充放电控制不合理而造成的。因此，要提高蓄电池的寿命，最重要的是使用合理的充电方法对蓄电池进行充电。如何高效、快速、安全地对蓄电池进行充电控制，一直是人们关心的问题。虽然蓄电池问世至今已有100多年的历史，但是由于技术条件的限制，目前很多的充电器仍然采用传统的充电方式，在使用这些传统充电方法的充电过程中，铅酸蓄电池大多存在着的过量充电和析气等现象。在一定程度上缩短了蓄电池的使用寿命，给使用者造成了一定的经济损失。

传统的蓄电池充电器结构简单，充电控制由模拟控制的方式实现，因而充电方法单一，无法根据蓄电池的荷电状态调整充电方法，而且也没有对蓄电池充电过程的监测和保护等功能，无法满足在无人监控场合的蓄电池充电。近年来，随着数字信号处理技术的日益完善、成熟，微控制器的性价比不断提高，蓄电池的充电控制也由模拟控制向数字化控制转变，数字控制的蓄电池充电系统可以实现各种复杂的充电控制方法，能够对蓄电池的充电过程进行监控和显示，提高系统的灵活性，缩小系统的体积，在更加高效充电的同时延长蓄电池的充电使用寿命。随着铅酸蓄电池在新能源开发中的广泛应用，对蓄电池的充电方法和充电装置都提出了新的要求：研究并设计一种快速、高效、安全的蓄电池充电系统成为一项很重要的任务。对蓄电池充电的改进可以从两个方面考虑，一是蓄电池的充电方法，二是蓄电池的充电装置。随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术以及自动控制技术的发展，蓄电池的充电控制方法和充电装置的研究也越来越广泛，这两个方面的研究设计对光伏发电、电动汽车等新兴绿色环保产业的发展具有非常重要的意义。

二、研究主要成果

对于铅酸蓄电池来讲，传统的充电方法主要有恒流充电、恒压充电和先恒流后恒压充电等。这些充电方法，一方面控制电路简单，实现起来比较容易：另一方面充电时间比较长，充电方法过于单一，控制不当会对蓄电池本身造成损害，以至影响蓄电池本身的使用寿命。针对传统的充电方法充电缓

慢、安全性能不好等缺点，目前国内外陆续提出了一些新型的充电方法，如分级恒电流充电法、脉冲式充电法、定化学反应状态法、变电流间歇／定电压充电法、变电压间歇充电法等。对铅酸蓄电池来讲，其中的分级恒电流充电法已经得到了广泛的应用。这些充电方法的原理绝大多数都是在传统方法的基础上加以改进，以便使其充电电流能够更好逼近蓄电池的可接受充电电流曲线。近几年开始有人采用一些更加新颖的充电方法，例如模糊控制充电法。这种充电方法开始摆脱传统充电方法的束缚，将模糊控制技术引入充电方法，利用模糊控制本身适合处理多输入多输出非线性系统的优势，能够更好的处理蓄电池充电过程中的时变性和抗干扰等常规控制方法所难以解决的问题。

蓄电池充电本质上是一个能量转换的过程，蓄电池充电装置实际上是一

个充电电源，该充电电源通过一定的控制算法使得输出电压和输出电流与蓄

电池充电曲线相吻合。目前，常用的充电电源主要有以下三种：相控电源、

线性电源和开关电源。

(1)相控电源是比较传统的电源，它将市电直接经过整流滤波后输出直

流，通过改变可控硅整流器的导通相位角，来控制电源的输出电压。相控电

源所使用的变压器是工频电源变压器，它的体积庞大，由此造成相控电源本

身体积庞大、效率低下。而且该类电源动态响应差、可靠性低。目前相控电

源已经有逐步被淘汰的趋势。

(2)线性电源是另一种常见的电源，它是通过串联调整管，可以连续控

制的电源。线性电源的功率调整管工作在放大区，通过的电流是连续的。由

于调整管上的损耗功率较大，所以需要采用大功率调整管并需要装配体积很

大的散热器。

(3)开关电源的研究发展历史比较短，在20世纪60年代中期开始了相

关的研究，并于当时研制出了201d-Iz的DC／DC变换器，这为开关电源的

发展奠定了基础。七十年代，出现了使用高频变换技术的整流器，它使交流

电不经过50I-Iz的工频变换器，而是直接整流再逆变为高频交流，再整流

滤波变为所需的直流。

随着电力电子技术和自动控制技术发展，尤其是大功率高压场效应管等

新型高频开关器件的出现，使得功率变换器的开关频率得到很大的提高，减

小了功率变换器中的变压器体积和重量，从而大大减小了开关电源的体积和

重量。

开关电源由最初的低频开关电源发展到高频开关电源(20kHz以上)，其开关频率越来越高，控制技术也越来越完善，在蓄电池充电装置的设计中，正是由于开关电源的性能越来越完善，已逐步成为充电功率主电路设计的首选。

目前，国内外研究者对于铅酸蓄电池的研究重点大部分在蓄电池的充电方法上，而对于蓄电池充电装置研究的相对较少。蓄电池充电系统的功率主电路仍然采用一些基本的开关电源拓扑结构上，一些充电系统的功率和输入电压等要求比较低，因而选用的开关电源拓扑相对简单。目前用于蓄电池充电的功率主电路主要有Buck变换器、Boost变换器等。这几种结构都是由功率开关管、二极管、电感和电容组成的DC／DC变换电路。

三、发展趋势：

以快速智能充电系统充电的蓄电池是未来的发展趋势，目前国内对快速智能充电技术的研究还处于初始阶段，提出的智能充电机应该具有以下基本特征：

1）应用检测技术，组成充电器和蓄电池闭环系统，能自动根据蓄电池的技术状态计算充电工艺参数，实现动态跟踪，并闭环控制充电电流和充电电压，无需人工控制；

2）能对充电状态不同的蓄电池有良好的适应性，并都能在微量析气的临界状态下进行充电；

3)具有完善的系统自诊断、故障定位和适时处理功能；

4)具有较好的人机对话窗口，结构简单、操作简单、技术指标先进；

5)有便于功能扩充、技术升级和性能可靠的硬件平台。

四、存在问题

但是市场上真正满足智能充电标准的大容量充电器还比较少，一些所谓的智能充电器多采用恒流递减式的改进型充电方式来弥补传统恒流恒压充电方式的不足，未能真正实现充电电压对电池可接受电流曲线的跟踪技术。

五、主要参考文献

[1] 邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社，2000

[2] Marty Browm.开关电源设计指南[M]. 北京：机械工业出版社，2004.1

[3] 王兆安,黄俊主编.电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，2000