创新论文车用电源充电设备的研制.doc

车用电源充电设备的研制项目组成员及指导老师基本情况该项目负责人刘昌伟和顾慧，另外还有成员刘静，邓靖璇，王勇。其中刘昌伟和刘静是05级计算机及信息学院学生，专业电子信息工程，现已就读河海大学硕士研究生；顾慧，邓靖璇，王勇是计算机及信息学院07级通信教改班的学生，他们三个人自从大二以来就在实验室从事高频，模电等方面的研究，并在09年全国大学生电子设计竞赛中获得江苏省二等奖。指导老师朱昌平，男，1956年生，教授，硕士生导师，主要研究方向为通信电子电路与声学技术，系IEEE 会员、中国电子学会高级会员、江苏省声学学会理事。单鸣雷老师是学院的骨干教师，指导项目的具体实施。在国家大力提倡节能减排，低碳经济的社会背景下，本项目源于巨泰电子有限公司的委托课题，并与其联合研发。该团队成员在熟悉项目，明确任务后发扬实验室惯有的“梯队”学习精神，进行了密切的分工与合作。研究生负责统筹整个项目的分工、进展控制、系统设计，引导大三同学进入角色。大三同学综合运用刚学的电子电路知识，并自学单片机的相关控制理论知识，在研究生的带动下完成相关功能模块的设计。同时，我们还充分利用校外资源，在实际研究中，保持与巨泰公司密切沟通，共同解决技术难题。课题组已经初步研发出了一种既能高效充电又能保护电池，尽量减少极化的充电器。我们的作品还在进一步的完善中，争取在不提高成本的情况下，最大限度地提高充电效率，减少充电时间，修复部分老化的电池。通过大家的努力，目前已经完成了EMI滤波器设计，反激变换器变压器参数的设置，模拟测试电池的制作，电压反馈电路的调试，正负脉冲充电电路的制作，单片机电压采集和液晶显示部分已经基本完成。经过长时间的研究，我们发现变压器参数的设计是难点，并且绕制变压器的精度要求非常高，考虑到电压利用率和电池充电时间，我们的作品还在不断的完善中。一、项目选题的背景充电器是一种能量再次补给装置，它直接决定着电池能量补充的有效程度以及循环使用时间的长短。因此，从节能减排的角度看，发展一种既能高效充电又能保护电池，尽量减少电池极化的充电器，对我国电动工业的发展有重要意义，符合当今社会提倡的“节能减排”方向。通过该项目的实施，同学们不仅为国家的节能减排工作贡献了一份微薄的力量，而且也切实体会到“理论联系实际”的重要性。大家在学习理论知识后，有针对性地将其运用到项目的各个模块研发中，及时发现问题和解决问题，将书本知识真正转化为自己的知识，并在此基础上加以创新，为以后的深入学习和工作奠定了良好的基础。二、项目成员的组成、特长、分工及成员间相互协调配合的情况，导师指导情况本项目涉及到物理，化学等多个学科的知识，所以我们团队的成员各有所长，在认真研究项目的各个分支包含的知识点和创新领域后，作出了详细的安排和合理的分工。另外，315实验室有优秀的导师梯队，他们及时帮助我们攻克难关，指明方向，有力地加快了项目的进程。团队成员是这样分工的： EMI滤波器设计、反激变换电路设计由对高频电子和模拟电子有过许多设计经验的顾慧同学负责；功率放大模块、反馈环节由对数字电路熟知的邓靖璇同学负责设计和调试；正负脉冲充放电电路，AVR单片机控制部分由对硬件电路设计熟悉并且有一定的软件编程能力的王勇同学负责；研究生刘昌伟和刘靖负责前期的系统设计，规划各个模块之间的连接并及时解决本科生在实际操作中遇到的困难。学生方面的联络、组织、沟通工作主要由顾慧同学负责，整个项目的协调管理工作由朱昌平教授和单鸣雷老师总负责。 三、项目的创新点与特色创新点：（1）本设计最大的优点是采用正负脉冲充电方式，即在充电的同时，还能修复部分电池。脉冲快速充电器设计是以单片机为基础的，并根据允许的充电电流进行实时调整，可以调整宽度和振幅等等。（2）以反馈控制理论为基础的脉冲快速充电器，可以初步获得理想的动态或静态控制参数与良好抗干扰性能。（3）采用反激变换器，与普通开关电源相比，特别适用于高压输入场合，起着变压和电感的双重作用，大大提高了电源利用率。（4）保障性能高，风机随时工作，以保障整个电路系统的安全工作。此外还设有反接保护，过流保护，短路保护电路。（5）如长时间充电，忘记拔插头也不必担心过充，因为它会在充满后自动转小电流形式进行补充。这样可以克服电池因为过充而导致的电池失水、发热现象。特色：(1)一旦上电后，充电器的电源、充电状态指示两个绿灯亮起。进入正常充电状态时，充电状态指示灯红绿交替闪烁。(2)采用正负脉冲充电模式，实现边充电便修复电池，防止电池因为极化而降低充电效率；充满后自动转为小电流脉冲形式补充，充电过程中电池不升温，不容易失水，有效的保护电池。(3)智能化程度高，具有反接保护，过流保护，短路保护，多重保护，安全可靠。（4）只要电压一致，不同的电池容量可以在一定的范围内通用，解决了因改换不同容量电池还要换充电器的烦恼。试验证明，在对蓄电池充电的过程中适时地暂停充电，并且加入适当的放电脉冲，就可迅速有效地消除各种极化电压，从而提高充电速度。同时，由于电池“极化”现象也大大减弱。因此，不仅缩短了充电时间，提高了能源利用率，而且减少了废旧电池的污染排放，符合“节能减排”的要求。四、项目实施的进展情况及初步取得的创新成果 在河海大学生创新训练计划的资助下，项目组成员积极开展研究工作，目前在指导教师的带领下，项目进展顺利，初步取得的创新成果如下：（一）对充电器的理论学习和研究由于项目的特殊性，对模电和高频的要求非常高，2009年7月至2009年9月为理论学习阶段。在此期间，我们主要调查了当前市场上充电器的发展状况，充电器的主要设计模块和难点：问题主要集中在变压器参数的设计。顾慧仔细研究了电源设计时PCB布线的关键点和注意点并初步设计出正负脉冲充电电路和模拟电池电路图。王勇和邓靖璇研究了AVR单片机C语言的编写及如何将控制部分与硬件模块整合。该项目组已撰写论文三篇，申请专利1项：【1】朱昌平 葛蕤 刘静 刘昌伟.通过“校企合作”提高IT大学生就业能力的探索【J】. 实验室研究与探索，已录用。【2】朱昌平 刘昌伟 黄波 张秀平.通过“团队建设”促进IT大学生实践创新能力的提高【J】.实验技术与管理，已录用。【3】朱昌平 刘静 刘昌伟 李建 单鸣雷.通过“团队指导”提高IT大学生毕业设计质量【J】. 实验室研究与探索，已录用。【4】朱昌平 单鸣雷 高远 顾慧 邓靖璇 王智 陈国超 蒋红华. 门帘式智能安全检测装置，发明专利（二） 硬件部分的各功能模块的设计：EMI滤波器设计EMI滤波器的主要技术参数有：额定电压、额定电流、漏电流、插入损耗AdB等。上述参数中最重要的是插入损耗（亦称插入衰减），它是评价电磁干扰滤波器性能优劣的主要指标。插入损耗用分贝（dB）表示，分贝值愈大，说明抑制噪声干扰的能力愈强。系统中设计如下图（1）：图（1）EMI滤波器 负脉冲充电电路正负脉冲充电电路是充电器设计的核心部分。目前的线性充电电路常采用三段充电法，即:预处理(涓流充电)、恒流充电(快速充电)、恒压充电(充满)。直流恒压恒流蓄电池充电设备不仅容易造成电池过充或充电不足，而且充电时间较长。脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。硬件实现图如下图（2）：图（2）正负脉冲充电电路正反面 激变换器和防漏感部分反激变换器是实现变压和电感储能的重要部分，其基本设计结构采用SEPIC拓扑结构，其允许输出电压介于输入电压的最大值和最小值之间3。另外，在反激变换电路前端，需要加上防漏感保护电路。该模块主要是为了防止反激变换器漏感产生的高电压击穿MOSFET.硬件具体实现如下图（3）图（3）反激变换和漏感保护电路 模拟电池设计传统的铅蓄电池充电时间长，这对研发一个铅蓄电池充电器是永远致命的伤，为了加快研发的进度，我们需要用一种新的东西来代替铅蓄电池，它既能模仿铅蓄电池可以充电的性质，又能模仿铅蓄电池可以对外放电的性质，而且，它还必须可以通过调节少量器件方便快速地模仿铅蓄电池的各个充电阶段。主要工作原理：通过电压比较器比较外部充电电压，当外部充电电压高于当前设置充电阈值电压时，相应的比较器会发生动作控制电路的电源部分断开，外接充电器通过一个电阻（相当于电池的内阻）导通，此时相当于电池在在充电；当充电电压低于设定的基准值时，电路切换到电池放电状态。用此电路可以基本模仿电池在充电时的各种充电状态，并且对诸如脉冲充电等特殊充电方式也适用。硬件实现如下图（4）模拟电池硬件图（4）（三） 软件部分的各功能模块的设计：一旦系统通电以后，液晶开始自动计时，直到充电结束时，计时停止，以显示充电时间。此外，单片机的AD口采集到的电压通过液晶显示出来，根据需要延时5秒后关闭显示，隔10秒后在显示当前采集的电压值，时间的间歇控制在5S内，可以降低功耗。通过单片机PWM波选择电路脉冲电路中的MOSFET管，来选择相应的阻抗网络电路，根据采集的电压小于与预定值比较，通过控制干簧管进入相应的充电模式选择。五、项目实施过程中的收获与体会项目将近一年的时间，根据初期制定的项目计划，我们一直在努力朝着它靠近。由于项目对模电，高频的要求比较高，我们在充分利用实验室现有的学习资源的同时，带动了部分大二的擅长模电数电的同学。此外，我们还和本学院的其他导师团队进行了联合研究，积极吸收陈秉岩老师的丰富经验，不断学习和提高。我们的项目成员全部来自河海大学通信与声学实验室（“315室”），我们有“梯队导师制度”和“定期汇报制度”等优良作风，这些制度在项目实施过程中发挥着巨大的作用。下面简单谈下作为大三的学生，我们的学习体会：1.顾慧同学的收获和体会在项目中我主要完成了这几个方面的工作：正负脉冲充电电路的设计和反激动变换器参数的设计。这两个模块的难度非常大，它们对参数的要求非常高，尤其是对MOSFET管的选择，变压器的绕制，输入电容输出电容参数的计算。我感触最深的是如下两点：（1）通过多次测试和实验，我们发现制作充电器的关键在于如何获得稳定的电源，仅仅使用开关电源是远远不够的。因为开关电源的使用效率极低，而且纹波干扰十分严重，所以我们需要用“反激变换器”代替。它的关键参数的确定不但需要理论等式的计算，还需要实践经验的分析假定，当然也需要结合实际电路的波形对参数进行恰当的调整，只有这样，才能充分发挥反激式变换器的高效率、低EMI噪声、小体积以及低成本的优势。（2）完善整个电路的测试过程，使用更精准的测试方法，可以将实时的采集到的电压信号存储到片机中，利用串行口将实时数据发送到PC上。这样可以 获得原始的AD数据另外项目实施过程中，我也深刻体会到一个人的能力是有限的，我们应该及时地吸取其他人的经验，不能总是停留在理论研究上，再简单的东西都需要自己亲手去实践，多多尝试，因为实践才能出真知。2.邓靖璇同学的收获和体会我在项目中主要完成了模拟电池和EMI滤波器的设计工作。项目进行初期，我觉得项目实施的难度不大，但在后来实验的过程中，才发现有很多问题是值得深思和探究的。比如：PCB制板过程中将SG3525封装画错；预留电源不足等问题，最终通过多方面寻求帮助解决了问题。学然后知不足，通过认真思考，认为还有很多值得提高的地方：（1）模拟电池电路可以使用单片机控制，这样可以省去大量的原件，并且避免来自模拟电子器件的许多不确定的因素，改进后可以使系统占用的空间大幅度减少。（2）EMI滤波器的设计对参数要求较高。在设计时，虽然在MATLAB上仿真，理论上是可以实现的，但是在实际制作时发现总是事与愿违。通过不断地测试，才发现我们有时候“顾此失彼”，在考虑振荡频率，选择元件参数的同时，忘记了原件本身所支持的频率。另外，市场上部分元件，尤其是电容的参数达标的不是很多，所以，对于电源类的设计，务必选用高品质的电容。通过项目我学习了各种芯片和相应的理论知识，最重要的是形成了一种知难行亦难的认识。正是由于认识到了自己的不足，我才更加严格要求自己，努力建立科学的思维方法和谨慎的学习态度。3.王勇同学的收获和体会 本项目中，我主要完成的是单片机的智能化设计部分，其系统框图具体如下图（A）软件系统框图（A）作为电源类的题目，软件的编写虽然不是项目的重心，可是因为本项目的控制部分不是简单的液晶显示，难点在于检测电压来控制导通和关闭的MOSFET管，并产生相应的智能化控制功能。因为本实验的工作电压在48V，如何采集相当困难，我们暂时是考虑在模拟电池一端采集，取得了初步的成效。另外，在编写程序时，我体会到以下几个方面：（1） 函数的编写要规范化，模块化，便于调试和纠错；（2） 硬件芯片要透彻认识，可以充分利用示波器看时序；（3） 问题的研究要深刻，不能仅仅停留在事情的表面。这主要体现在软件和硬件怎样合理衔接，以降低功率因素损耗。 虽然本项目还没有全部完成，但在这一年多的日子里，我们项目组的每一个成员