电动公交车充电电源设计VIP

摘 要 I 摘 要 随着能源的日渐紧缺和大气污染的日益加剧，石油资源的战略位置越来越 重要，与此同时世界各国都在寻找可替代能源。汽车业的发展给环境带来了不 小的危害，新能源领域受到广泛的关注，尤其是电动汽车业已经成为崭新的方 向。 如何选择充电方法和对充电过程进行有效控制，提高充电效率，保证充电 过程快速安全是本文研究的内容。本文的研究主要包括以下几个方面1： 电池充电主要采用三个阶段充电模式：多段恒流充电模式、脉冲充电模式、 定电压补足充电模式。在充电电池电量的监测方面，采用监测电池电压负增量 的方法，同时监测温度和电压信号。用 PID 控制保证恒流恒压充电。用 IGBT 器件实现充电开关控制。 本系统实现大功率恒流恒压快速充电，采用现代高频开关技术。主电路由 三部分组成：三相整流电路、直流-直流变换电路、能量回馈电路。通过采集电 压电流等信号，实时送入 DSP 中进行处理，通过控制 IGBT 的通断，实现充电 控制。采集各重要器件的温度等信号，做到实时监测，保证系统稳定运行。 关键词关键词：镍氢蓄电池，DSP，智能充电，软开关 Abstract II Abstract With the shortage of sources and more worsening air pollution, we pay more attention about the researching of EV (electric vehicle) a new means of transportation, we use more and more Lead-acid batteries in EV, because of its no remember effect, good performance in overcharge or discharge. The process of batteries charge and discharge Influent the reliability of the system. So design a reliably charging system is important for EV In order to make EV charger have good performance, we must to find the best charging model. How to choose the method of charging process and how to control the charging process, improve the efficiency, and ensure the process rapidly and safety is the content of this paper. The study of this paper includes the following aspects： Based on the analysis of the charging theory brought and the investigation of many charging methods, a two-stage charging strategy was brought forward. At the former stage of charging, the fast charging method was used which is the combination of mufti-section constant-current charging method with pulsant charging method. Based on the analysis of mane charge-termination control methods, an integrated control method was adopted to judge whether batteries was full-charge or not. And an improved PID control algorithm was used to realize the constant-current charging and the constant-voltage charging. Ground on the HF SPS (High-Frequency Switching Power Supply), the charging system was designed which was composed of a three-phase rectifying cell, a phase- shifted zero-voltage-switching PWM DC/DC full-bridge cell and an energy recovery cell. In the DC/DC cell, IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) was selected as the switch that was driven by EXB841 module. And the charging control system was based on TMS320F2812 chip, which can produce controllable PWM signal with dead time. Using this construction of power supply, switching loss was much reduced and higher frequency could be gained. Keywords: Lead-acid battery, DSP, intelligent-charging, soft-switching 目 录 III 目 录 摘 要I ABSTRACT .II 目 录 .III 第一章 绪 论.- 1 - 1.1 课题的研究背景.- 1 - 1.2 充电器的发展现状及趋势.- 1 - 1.3 论文的研究内容.- 1 - 第二章 镍氢蓄电池的研究.- 3 - 2.1 镍氢蓄电池的充电特性- 3 - 2.2 常用充电方法的研究.- 3 - 2.2.1 蓄电池的充电理论.- 3 - 2.2.2 常规充电方法.- 4 - 2.2.3 快速充电方法.- 5 - 第三章 系统的总体设计.- 8 - 3.1 系统的设计要求- 8 - 3.1.1 系统的基本功能.- 8 - 3.1.2 系统的理想技术指标.- 8 - 3.2 充电方法的选择.- 8 - 3.3 充电结束控制方法的确定.- 9 - 3.4 系统的结构原理框图.- 10 - 3.5 充电方法的实现.- 11 - 第四章 充电器的硬件设计.- 12 - 4.1 充电系统的主回路原理与设计.- 12 - 4.1.1 DC/DC 全桥变换电路的设计.- 12 - 4.1.2 能量回馈电路的设计.- 18 - 4.1.3 主回路中滤波电路的设计.- 19 - 目 录 IV 4.2 充电系统的控制回路原理与设计.- 20 - 4.2.1 DSP 控制器.- 21 - 4.2.2 充电系统移相控制电路的设计.- 22 - 4.2.3 信息采集监测系统的设计.- 24 - 4.2.4 辅助电源的设计.- 25 - 第五章 系统的软件设计.- 27 - 5.1 充电系统的主程序设计.- 27 - 5.2 实时时钟中断服务程序设计.- 28 - 5.3 去极化子程序设计.- 29 - 5.4 PID 运算子程序设计 - 30 - 总 结.- 31 - 致 谢.- 33 - 第一章 绪 论 - 1 - 第一章 绪 论 1.1 课题的研究背景 电动汽车已经成为世界各国汽车业发展的重点领域，电动汽车主要存在续 航能力短和充电时间长的缺点，成为阻碍电动汽车发展的主要瓶颈。突破这个 关键瓶颈主要是依靠电池技术和充电器技术的突破。 镍氢电池是我国大多数电动汽车采用的动力电源，对环境的要求比较低， 电池技术很难得到突破，我们主要从充电器上寻找突破口。目前的充电器充电 效率很低，损耗很大，人机结合不好，不利于控制。采用DSP作为控制器，可 以对充电过程实时控制，对各部分信号采集处理，及时调整参数，系统稳定性 好。 1.2 充电器的发展现状及趋势 目前主要采用接触式和感应式两种充电方法。接触式充电就是通过电缆将 充电器与电池直接相连接，通过电压给电池充电；感应式充电就是利用变压器 原理，通过电磁感应，将电能由充电器变送给电池。 1.3 论文的研究内容 本系统主要的研究对象是电动汽车镍氢蓄电池充电器。充电器和电池之间 有互相促进的关系，好的充电器可以延长电池的寿命，同样，好的电池可以使 充电器工作更长时间。我们设计一种高效智能的充电器十分有必要。 根据课题要求，本论文所做的主要工作包括以下几个方面： (1) 电池充电主要采用三个阶段充电模式：多段恒流充电模式、脉冲充电模 式、定电压补足充电模式 (2) 在充电电池电量的监测方面，采用监测电池电压负增量的方法，同时监 测温度和电压信号。 (3) 主电路由三部分组成：三相整流电路、直流-直流变换电路、能量回馈 第一章 绪 论 - 2 - 电路。通过采集电压电流等信号，实时送入DSP中进行处理，通过控制IGBT的 通断，实现充电控制。采集各重要器件的温度等信号，做到实时监测，保证系 统稳定运行。 (4)系统软件设计 第二章 镍氢蓄电池的研究 - 3 - 第二章 镍氢蓄电池的研究 2.1 镍氢蓄电池的充电特性 镍氢蓄电池主要由极板和电解液组成，蓄电池通过极板上的活性物质与电 解液的电化反应产生电动势，进行放电和充电过程。 蓄电池做到妥善维护后，它的使用寿命是很长的，通常有十年的时间。将 使用情况综合考虑，电池寿命分为循环和浮充寿命。 充电器给电池充电过程类似于利用水压给水池注水的过程，必须存在一定 的电压差才能实现电能的转移。开始充电时速率因素很重要，随着快速充电的 进行，当充电电量达到容量的 80%时充电速率减慢。提高充电电压，使过充电 反应开始进行，此事又恢复到快速充电，电充容量达到 100%。当达到 100%后 会出现短暂时间缓慢的电压下降现象（这个现象下面作为电池充电过程的检测） ，必须采取措施防止电能的继续流失，在电池两端加恒定电压。适当采用一定 的浮充电压，有益于电池寿命的保护。 镍氢蓄电池对温度有很高的要求，因为电池内部是电化学反应，化学反应 速率随温度改变而改变。镍氢电池电压与温度呈负相关，温度下降一度，电压 上升 4mV，稍微高于常温的 25 度最适合电池的工作，当温度过高，超过电池 的使用温度，电池寿命将会受到影响。为了在一定温度范围内使电池刚好充满 电，最好的办法就是预设电压温度系数，采集温度信号，使电压随温度变化做 到相应改变。 2.2 常用充电方法的研究 2.2.1 蓄电池的充电理论 给电池充电的目的就是使电池通过化学反应重新存储电能，进而通过电化 学反应放电，给负载供电。充电快速就意味着大电流，电池容量额定，充电时 间就很短，这就是我们想要的。但是，由于电池本身的缺点，如果充电电流过 大，就会导致电池内部化学反应过于激烈，电池发热，很容易损坏电池，减少 电池寿命。 第二章 镍氢蓄电池的研究 - 4 - 电池发热主要是化学反应放热和电池内阻消耗发热，想要提高充电速度， 而且还不影响电池寿命只能从电池的结构想办法。下面我们主要讨论，采用智 能充电的方法提高充电效率。 电池充电过程电流为： (2-11) At ao iI e 为任意时刻充电电流的大小，为开始充电时电流值。A 为充电接受比。 a i o I 图2-1 电池最佳充电曲线 电流与时间有一定的线性关系，并且： (1)充电时工作在 N 区，充电电流高于正常值，就会使化学反应剧烈，温度 过高，影响电池寿命。 (2)充电工作在 M 区，虽然不会带来什么危害，但是会使充电速率降低， 打不到我们想要的效果。 (3)我们最希望充电过程沿着曲线进行，既可以缩短时间，又可以延长使用 寿命。下面我们就采取控制技术，使整个充电过程沿着曲线进行。 2.2.2 常规充电方法 充电方式的选择对电池寿命的影响至关重要，长期以来，由于充电方式选 择不当或者过于落后，导致很多电池寿命减小，电池的污染对环境的承受力也 是一种考验，延长电池使用寿命，对环境保护意义重大。 落后的充电方法主要有以下几种： 第二章 镍氢蓄电池的研究 - 5 - (1)恒压充电 直接为电池接上恒定的电压，对于开口电池，这种充电方式比较合适。整 个充电过程只有电池电压这一个参数，不能了解电池的其他指标。接上电压后， 充电电流迅速增大，肯定会超过电池的设计指标，对电池寿命有影响。 (2)恒流充电 恒流充电效率都很低，无论采用什么充电模式，恒流充电的电压都不高， 会导致电流不是很大，所以充电时间长。这不是我们想要的结果。所以现在已 经淘汰了这种充电方法。 (3)先恒电流后恒电压充电法 将上面两种充电方法的优点结合，利用恒定电流充电前期电流稳定的特点， 有效地避免恒定电压前期充电电流过大，利用恒定电压后期充电易控制的特点， 实现有效控制。这种充电方式还有被很多人采用。 2.2.3 快速充电方法 (1)分级充电法 分级充电方法顾名思义就是将充电过程分为几个阶段，采用不同的充电方 式，每个过程采用最最适合的充电方法，保护了电池的同时也极大地提高了充 电的效率。开始充电阶段采用的电流大一点，随着充电的进行，慢慢的降低电 流，直到最后停止充电。目前大多采用两步骤充电模式和三步骤充电模式。 两步骤充电模式：开始阶段采用恒定电流充电，避免电流过大损害电池， 第二步骤采用恒定电压充电方法，保证电流可以进入电池，防止因为电压升高 导致的电池损坏。 二级恒流 三级恒流 一级恒流 0 i t 图2-2 三步骤充电模式 第二章 镍氢蓄电池的研究 - 6 - 三步骤充电模式：三步骤充电模式的前两个充电模式与两步骤充电模式没 有大的区别，在第三步的时候又采用横流充电，不过此时的电流很小，定电流 逐渐减小直到停止。 (2)脉冲式充电模式 脉冲式充电模式是采用脉冲电流或者电压为电池充电的方法，它的最显著 的优点就是可以将电池内部的极化现象减小到最小，提高充电的效率，延长电 池的使用寿命。充电时，电池内部不断的生成新的游离的粒子，如果没有一点 反应时间，粒子的浓度会在一端聚集，不利于下一步的充电，但是采用脉冲模 式后，有一段间歇的时间，粒子可以得到很好的疏散，等到下一个脉冲来到时， 电极反应又可以有序的进行。 图2-3 电池的脉冲充电 模式 脉冲模式快速充电具有以下几个特点： 1充电时间很短。一个电池的充电时间只有几个小时，而一般的充电模式 需要一百小时左右。 2消除极化现象。可以使化学反应的很彻底，所以就增加了电池的容量， 进而增加电池的续航能力。充电完毕后可以做到直接使用，不用放电，所以节 约能量。 3有良好的“去硫化”能力。 “去硫化”时间短，效率高。 但是脉冲充电模式有一个致命的缺点，就是化学反应过程中出气率很高， 导致电池内部严重的缺点，出气后电池极板上的活性物质就比较容易掉落，脱 离极板后电池的效率就会降低。所以现在一般采用多重充电模式结合的方式， t I 或 U 第二章 镍氢蓄电池的研究 - 7 - 其中以脉冲充电模式为主。 (3)变电流间歇/定电压充电法 充电速度最快的时间段就是恒定电流的时间，所以尽量保证恒定电流时间 段时间长一点，但是充电后期，由于电池的内阻增大，电流恒定会导致电压过 大，所以要采用恒定电压充电。恒定电压充电最后阶段，必须要有过电压充电 阶段，等到电池恢复后，正好将电池充满。 第三章 系统的总体设计 - 8 - 第三章 系统的总体设计 3.1 系统的设计要求 3.1.1 系统的基本功能 (1)充电器接到电池后，系统自动实现复位，并检测电池的状况，包括温度 和电压。一切正常后，进入快速充电模式，充电过程中，系统检测实时电流和 电压。 (2)快速充电充电结束后，进入定电压电流模式，最后是过电压充电。 (3)根据电池的性能，自行设定各个门限值，当检测数据达到门限值，自动 切换。 (4)充电过程采用实时显示，实时控制，并可以转入手动阶段。 3.1.2 系统的理想技术指标 根据本课题面向的对象，对本充电系统的充电电源及控制器提出下面的理 想技术指标： 1输入电源：交流三相 380V AC； 2输出直流电压：0500V 可调； 3输出直流电流：0200A 可调； 3.2 充电方法的选择 只要充电电流按照上面曲线的走势，则充电效果最好。按照设计要求，将 充电分为两个阶段，多段恒流充电模式和脉冲充电模式，这两种模式的确定既 可以提高充电效率，也可以消除极化现象，而且避免产生过多气体。 第三章 系统的总体设计 - 9 - 0充电电流/A 蓄电池的可接受充电电流曲线 时间/t 图3-1 多段恒流充电和脉冲充电相结合的快速充电法 3.3 充电结束控制方法的确定 蓄电池快速充电的控制技术是很重要的。电池充电完毕后，温度和内压都 会迅速的上升，与此同时电池的端电压开始迅速下降，进而出现电压负增量。 想要给电池充电正好合适，既不充电过多也不少，必须采取一定的控制方法。 现在采用的控制方法比较，一般使用的有时间控制法、温度控制法、最高电压 控制法、电压负增量(-U)控制法及电压、温度、时间综合控制法等5。 (1)时间控制法 可以在充电之前，利用时间控制器，设定充电时间，当时间到达后，改变 充电方式，有效地避免过充电。可是由于这种控制方式的动态性能不理想，很 容易造成有的电池充电不足和过充电，这种控制法不理想。 (2)温度控制法 电池的充电过程会产生很多气体，还有电化学反应，他们共同作用使电池 充电过程中温度升高，为了更好的了解电池的充电状态，我们可以利用电池充 电温度曲线，用热敏电阻采集温度信号，对充电方式实行切换。但是由于环境 温度变化很大，对电池温度的影响也较大，所以这种方式很不稳定。 (3)最高电压控制法 通过检测电池的最高电压，就可以知道电池的充电情况，再加上合理的温 度补偿反馈调节，可以相对准确的把握电池的充电情况。但是，由于电池的损 耗很大，使用寿命不同电池的内阻也不同，而且这种规律不容易找到，所以这 种控制方法已经被我们淘汰。 第三章 系统的总体设计 - 10 - (4)电压负增量法 电池充电有一个重要的特性，就是电池在充电满后，达到最大电压，继续 充电就会出现最高电压减小的现象，而且不受到温度的影响。所以，利用这个 特性，只要监测到最高电压减小这个点，就可以改变充电方式，不会过充电和 少充电。现在我国高频开关电源充电桩基本都采用这种充电方式。 电压负增量检测法有个不足是：当外界的温度较高时，电压负信号不是很 明显，检测不到就会造成过充电。因此为了避免因为环境温度过高而损坏电池， 应与其它控制方法配合使用。 (5)综合控制法 为了得到最好的控制方式，我们将以上几种控制方式综合起来，利用这种 综合控制方式，控制效果最好。现在国内外已经基本采用这种方式。本系统也 采用这种充电方法。 3.4 系统的结构原理框图 本充电系统的结构原理框图如图 3-2 所示，它包含两个部分，充电装置和 控制器。 本系统采用开关电源充电，将交流转换成直流，对电池充电，效果类似于 晶闸管。但是开关电源的频率高，充电效果好，减小变压器和滤波器的压力。 而且开关电源的体积小、重量轻。 系统的主回路由整流电路、DC/DC 变换电路和能量回馈电路组成，其中 DC/DC 变换电路采用目前比较先进的移相控制零电压开关全桥变换电路。 充电电源 蓄电池组 充电控制系统 蓄电池参数、充电 状态信息采集系统 DSP I/O 设备 （包括蓄电池参数、充电状态显示设备和输入控制设备） 第三章 系统的总体设计 - 11 - 图3-2 系统的结构原理框图 控制器就是整个系统的大脑，对整个系统实时监控，它对各部分的信号实 施采集，包括最高端电压、电池温度、充电电流等。信号收集来之后，控制器 进行信息处理，通过显示将数据呈现，控制数据送到执行元件调节充电过程。 控制器的核心采用 TMS320F2812 芯片，它是 TI 公司的电机控制器产品的新成 员，具有高度的集成度。 3.5 充电方法的实现 在本充电系统中，采用了以 PID 控制为主的控制方法。恒流充电和恒压充 电都是恒定的值，将它们的信号采集后，采用比较的方式进行判断。 第四章 充电器的硬件设计 - 12 - 第四章 充电器的硬件设计 4.1 充电系统的主回路原理与设计 本系统采用恒流充电和脉冲充电相结合的充电方法。前一段实行快速充电， 后一段则慢慢补足，保护电池。 本充电系统的主电路如图 4-1 所示，由整流滤波电路、直流-直流全桥变换 电路和能量回馈电路组成。 件件件件件件件件 C B A 件件件件件件 D2D1 DC/DC件件件件件件 Cb Q1 Q3 C0 C1C2 Q5 Q2 Q4 C3 Lf D6 D3 Lb C4 Lr T1 D4D5 Dr1Dr2 Dr3Dr4 Db1Db2 Db3Db4 D7 图4-1 充电系统的主回路图 4.1.1 DC/DC 全桥变换电路的设计 (1)全桥变换器的总体结构设计 1开关变换器拓扑结构的选择6 提高频率可以使开关电源小型化，但是频率提高后开关电源损耗就会增加， 噪声污染也很大，效率就会降低。 开关电源中开关的通断会导致电压和电流的不稳定，噪声大效率低。但是 在电路中加上小电感和电容等谐振元件，用谐振的方法可以有效地减小噪声， 第四章 充电器的硬件设计 - 13 - 提高效率。 2移相控制零电压开关全桥变换器 在变压器的原边串接谐振电感，在功率管上并联滤波电容，还有功率管自 带的电容。 其电路结构及主要波形如图 4-2 所示。其中，D1D4分别是 Q1Q4的内部寄 生二极管，ClC4分别是 QlQ4的寄生电容或外接电容。Lr是谐振电感。每个桥 臂的两个功率管成 180互补导通，两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相 角，通过调节移相角的大小来调节输出电压。Q1和 Q3分别超前于 Q4和 Q2一 个相位。 123456 A B C D 654321 D C B A T itle Num berRevisionSize B Date:13-May-2011Sheet of File:F:件件件件件protel件件MyDesign1.ddbDrawn By: Lf Cf Lr Vin Q1 Q3 D1 D3 C1 C3 Q2 Q4 D2 D4 C2 C4 Dr1 Dr2 Dr3 Dr4 Rld A (a)主电路 第四章 充电器的硬件设计 - 14 - Q1Q3Q1 t t t t Q4Q2Q4 I1I2 Vin Vin Vin/K t0 t1 t2 t3 t4 t5t6 t7 t8 t9 t10 t11t12 t13 ip VAB 0 Vrect 0 (b) 主要波形 图4-2 移相控制零电压开关全桥变换器的主电路及其波形图 3变换器实现的条件和策略 从全桥变换器的原理可以看出，想要开关导通就必须将开关管的寄生电容 上的电荷带走，与此同时给在同一个桥上的另一个开关上的寄生电容充满电。 另外需要一股能量将变压器原边上的电容电荷带走。所以一共需要这三种能量。 因此必须满足下式： +(i=lead, lag) (4-1) 2 1 E 1 C 2 1 2 in V 1 C 2 in V 2 1 2 in VCTR 1 C 2 in V 2 1 2 in VCTR 用来实现 ZVS 的能量只是谐振电感中的能量，要实现 ZVS，则必须满足： (4-2) 222 r2laginin 11 22 TR L IC VC V 要满足此式，要么增加谐振电感，要么增加 I2。 4变换器副边占空比丢失的现象 产生副边占空比丢失的原因是：在图 5-3 中的t2,t5 和t8,t11这段时间里， 第四章 充电器的硬件设计 - 15 - 虽然原边有正向电压，但是原边不能提供需要的负载电流，副边的所有二极管 都导通，负载处于续流状态，其两端电压为零。这样副边就丢失了t2,t5 和 t8,t11这部分电压方波。 这部分时间与二分之一开关周期的比值就是副边的占空比丢失 Dloss，即： (4-3) Sin Lf S LOSS TV K tIIL T D * )(*2 2 t 52r 25 (2)全桥变换器中功率开关元件的设计 1开关元件的选择7 IGBT 现代出现的新型开关复合器件。它具有驱动功率小、开关速度快、通 态压降小、载流能力大的优点，性能很好。IGBT 的导通电阻小，开关损耗低。 本充电系统选择 IGBT 作为功率开关器件。 2IGBT 的工作原理和静态特性 IGBT 有三个管脚，有栅极 G、集电极 C 和发射极 E。由 G 和 E 之间的电 压决定它的导通和关闭。当外加电压大于开启电压时，导通；当外加反向电压 或者不加电压时关闭。 IGBT 的转移特性和输出特性，如图 4-3 所示。 0UGE（TH）UGE IC （a）转移特性 0 正向阻断区 饱和区 反向阻断区 IC 有源区 UGE增加 URM （b）输出特 性 UFM UCE UGE（th） 图4-3 IGBT的输出特性和转移特性 3IGBT 型号的选择 本充电系统中的功率器件选用 ZMBll00L-120 快速型 IGBT 模块。 第四章 充电器的硬件设计 - 16 - 具体参数如下： 电流 IC=200A 耐压值 VCES=1200V 通态压降 VCE（sat）(sat)=5V （最大值） 导通关断电压 VGES=20V 额定功率 Pc=1000W 开通时间 ton=1.2us 关断时间 toff=1.5us 4IGBT 的驱动电路设计 1 IGBT 驱动芯片的选择8 驱动电压取 1520V，需要关断时加反向电压，这样能有效节省关断的时 间，减小损耗。在 G 极串接一个小电阻，有效地减小振荡。 2 EXB841 电路原理 IGBT 一般用于容量在 300A/1200V 以下，频率在 40kHz 以下的场合，电路 如图 4-4 所示。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:16-May-2011Sheet of File:F:Protel件件件.DDBDrawn B y: R 保保保保保保 AM P 1 2 3 45 6 9 14 15 ER A34-10 R 4.7K 1/2W 4.7u 4.7u 1 2 3 45 6 9 14 15 EXB841 保保保保 保保保保保保 保保 保保保保 20V 0V IG BT 10mA 图4-4 EXB841型IGBT驱动器的内部框图和典型应用电路 驱动器用 20V 直流电源供电，由三部分组成：放大部分、5V 电压基准部分 第四章 充电器的硬件设计 - 17 - 和过流保护部分。5V 电压主要是用于为管的导通和关闭提供驱动电压。过流保 护部分检测 G 极和 E 极之间的电压，如果电压过高输出保护信号。 在 EXB841 驱动器的电路中，脚 l 和 3 之间是驱动输出，驱动电流 10mA； 脚 2 和 9 是+20V 电源；脚 6 是集电极电压监视引脚，使用时在外面接一个恢 复二极管，用于检测 IGBT C 极电位，5 是信号输出引脚，如果有过流现象则 5 输出过流信号。 3 本系统 IGBT 驱动电路的设计9 IGBT 的关段负电压是由 5.1V 稳压管提供的，但是由于稳压管自身的内阻， 实际提供的电压只有不到 4.5V，所以必须采用外部电源。断开 1 脚与 E 极之间 的连线，采用外加稳压管。图中直流-直流器件，B0505S-2W 是 5VDC 定电压 输入，输出 5VDC/1 W；B0515S-2W 是 5VDC 定电压输入，输出 15VDC/IW。 123456 A B C D 654321 D C B A T itle Num berRevisionSize B Date:16-May-2011Sheet of File:F:件件件件件protel件件MyDesign1.ddbDrawn By: 0.1U/25V 47U/25V 4.7K/0.5W TLP521-1 V CC 47U/25V GND2 ERA34-10 E5V IG BT_E B0515S -2W B0505S -2W IG BT_C IG BT_G V in+ 15 V in- 14 EX B841 V G 3 V DD 2 G 9 V E 1 VCE 6 IO 5 NC 4 E CA K D? 1.0uF VO 6 NC 5 GND2 4 NC 3 GND1 2 VI 1 VO 6 NC 5 GND2 4 NC 3 GND1 2 VI 1 图4-5 本充电系统IGBT驱动电路的设计 (3)全桥变换器中高频变压器的设计 1原副边变比 原副边变比尽量大一些，这样可以将内阻损耗减小到最低。为了使用安全， 变比的选择要按照最小值确定。副边的最大占空比为 D，副边电压最小值 Vmin 为： 第四章 充电器的硬件设计 - 18 - (4-4) D Lfmax0 min VVV V D 其中，Vo(max)是输出电压最大值，VD 是输出整流二极管的通态压降，VLf 是输出滤波电感上的直流压降，所有电压的单位均为伏特(V)。 故变压器原副边变比 K 为： (4-5) minsec minin V V K 在本充电系统中，副边占空比会有丢失，所以最大占空比选 0.85。则可根 据式(4-4)和式(4-5)计算出变压器的变比。 2确定原边和副边匝 (4-6) mes xm SEC BAf DV W *4 * asecminsec 式中匝是 Wsec的单位，m2 是 Ae的单位，Hz 是 fs的单位，T 是 Bm的单位。 已经计算出副边匝数和变比，原边匝数为： (4-7) sec *WKWp 4.1.2 能量回馈电路的设计 在充电过程中，始终需要负脉冲来消除极化现象，必须在硬件设计中提供 蓄电池放电的通路10。 本充电系统采用图 4-6 结构框图，能量回馈电路由 Q5和滤波电感 Lf组成。 直流-直流结束后，Lf 剩余的能量由通路回馈到电池中。放电时，又给 Cb充电， 节省能源。整个硬件部分体积减小。 第四章 充电器的硬件设计 - 19 - 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date:14-May-2011Sheet o f File:F:Pro tel件件件.DD BDrawn B y: MR 1 VC C 2 GN D 3 PFI 4 WD O 8 PFO 5 WD I 6 RE S 7 D1 MA X706 S SW -PB +3.3 D1 RS BIO/IO PC1 100 K Lb CbCo DC/DC 保保保保 A B C 保保 保保保保 Lb CbCo DC/DC 保保保保 Q A B C 保保保保 Lf 保保保保保保 4-6 图4-6 相关充电系统的结构框图 4.1.3 主回路中滤波电路的设计 高频开关电源运用对滤波有严格的要求，本系统设计了工频滤波电路和输 出滤波电路12。 (1)工频滤波电路的设计 滤波电容设计合理可以将无用谐波滤掉，使电压电流平滑，将功率因数提 高。 系统采用的电网直接输入，工业用电 380V/50Hz。由于电网中存在很多杂 波，经过全桥整流后仍然不能消除，可用滤波电容清除。 滤波电容大小的选择很关键。如果选择太小，会导致滤波效果不好，提高 输出电压的同时，会使占空比调节范围过大。如果太大就会使脉冲宽度减小， 开关损耗增加，效率降低。大电容很昂贵，硬件成本会增加。 计算 Cin时的相关参数如下： 则 Cin的容量为： (4-8) 2 ppminline 2 minline in in 22VVV W C (2)输出滤波电路的设计12 第四章 充电器的硬件设计 - 20 - 1输出滤波电感 输出滤波设计时模仿 buck 变换器算法，电感电流要保持连续。 输出滤波电感可按下式计算13： (4-9) DL L VV K V V I V L f in 0 ccm0f 0 f 1 f2 实际运用时，电感电流通常为满负荷的 10%。 输出滤波电感： (4-10) maxf 0 f %10*f22 OL I V L DL VV K V V f in 0 1 2输出滤波电容 滤波电容容量14： (4-11) opp 2 cff 0 f f8VL V C DL VV K V V f in 0 1 全桥变换器的输出滤波电容： (4-12) f C opp 2 sf 0 f28VL V DL VV K V V f msxin 0 1 4.2 充电系统的控制回路原理与设计 系统由 DSP 作为控制核心，将电池的温度、电压、电流等信号采集后，进 行处理，将控制信号输出，通过控制 IGBT 实时调节充电进程。对各部分重要 的元器件实行监测，保证系统的稳定运行。 第四章 充电器的硬件设计 - 21 - 图4-7 充电系统的控制回路图 4.2.1 DSP 控制器 本充电系统中主控制器选用 DSP 芯片为 TMS320F2812，其频率 150MHz，32 位，运行速度快，信息处理能力强。2812 的外设比较多，也就使 用户使用更加方便，引用了事件管理器，增加了外设管理的能力 16。 事件管理器的 EVA 和 EVB 的定时器、比较单元以及捕获单元的功能都相 同。二者有相同的外设模块寄存器组，EVA 寄存器组的起始地址是 7400h，EVB 寄存器的起始地址是 7500h。 为了产生一个 PWM 信号，定时器需要重复按照 PWM 周期进行计数。比 较寄存器用于保持调制值，比较寄存器中的值一直与定时器计数器的值相比较， 当两个值匹配时，PWM 输出产生跳变。当两个值产生第二次匹配时或一个定 时器周期结束时，产生第二次跳变。通过这种方式就会产生一个高宽度与比较 三相整 流滤波 IGBT 模块 高频 变压器 高频 整流滤波 AC 三相 电流监测 电压电流 监测 IGBT 模 块驱动 温度 监测 IGBT 模 块驱动 温度 监测 信号 处理 电流 检测 隔离 处理 多路开关 隔离处理 口、 隔离 处理 电压、电 流调节 信号 处理 DSP RAM 隔离 处理 信号 处理 多路 开关 多路 开关 蓄电池 电压检测 （每节及总电压） 温度检测（每节及 环境温度） 第四章 充电器的硬件设计 - 22 - 寄存器的值成比例的脉冲信号。在每个定时器周期中重复完成上述过程（调制 值可在比较寄存器中改变） ，就产生 PWM 信号。 当两个功率器件串联放在主电路中组成一个桥臂，上下两个桥臂不能同时 导通，否则会发生短路。因此导通上下桥臂的 PWM 须互不重叠。这就要求一 个器件导通前，两外一个器件要完全关闭，所以需要一个延迟件。延迟时间的 大小由功率器件的开关特性以及在具体应用中的负载特征来决定，这种延时就 是死区。 4.2.2 充电系统移相控制电路的设计 DSP 一个突出的特点就是有两个 PWM 输出模块，可以满足 8 路波形的输 出，对电机的私服控制和开关元件的控制十分方便。 事件管理器中的通用定时器 1 产生比较的 PWM 输出，单独控制 Q5，利 用事件管理模块产生 4 个 PWM 输出分别控制 Q1、Q3、Q2、Q4。引脚 来实现过流保护，实行中断保护。PDPINTA 图中器件 6N137 是一种光电隔离器。当 PWM1 输出高电平，6N137 的引 脚 3 为低电平，此时片内晶体管导通，6N137 的引脚 6 输出低电平，则 EXB841 的引脚 14 为低电平，根据 EXB841 的工作原理可知，此时 EXB841 的 脚 1 和脚 3 之间可输出正脉冲至 Q1的 G 极之间，使 Q1导通。同理，当 PWM1 低电平，则关断 Q1。 第四章 充电器的硬件设计 - 23 - Vin+ 15 Vin- 14 EXB 841 VG 3 VDD 2 VE 1 G 9 VCE 6 IO 5 NC 4 NC 1 A 2 K 3 NC 4 VC C 8 EN 7 OUT 6 GND 5 R 500 R 500 VC C VC C 74LS05 PW M 1_1 PW M 1_2 6N137 VC C DIVI1_1 15 DIVI PW M 1 图4-8 Q1通断控制电路图 下图是利用中断输入引脚实现 Q1流保护的电路图。PDPINTA 5 6 8 NC 4 3 2 NC 1 7 +5 +3.3 6N136 1N4148 R 1K C 0.1U/25V VC C A 7405VC C 2 18 7K AC E IO TLP521-1 /PDPINTA PDPINTA PDPINT 2 DIV10 1 图4-9 Q1过流保护电路图 图中器件 6N136 和 TLP521-1 都是光电耦合元件。当 IGBT 过流时，C 极电 压升高，EXB841 的引脚 6 检测到后 IO 输出低电平，TLP521-1 的 7 脚呈现高 电平，反相器 2 为低电平，6N136 的脚 5 呈现低电平，则中断屏蔽消失，事件 管理器中的中断开始工作，PWM 输出都关断 17。 第四章 充电器的硬件设计 - 24 - 4.2.3 信息采集监测系统的设计 (1)交流三相输入电流 电流的采集采用电流互感器，采集的信号送入 DSP 进行处理。 图4-10 A相交流电流的采样电路图 (2)经三相整流滤波电路后的直流电流和直流电压 采用霍尔元件对滤波后的直流信号进行信号采集，将采集的信号送入 DSP 处理。 KA50/P 具体参数如下：被测电流 50A，输出电流 50mA，测量范围为 075A，线性度0.2%，内阻为 60，电源电压采用15V 供电。KV50/P 具体 参数如下：被测电流 10mA，输出电流 50mA，测量范围为 015mA，线性度 0.1%，内阻为 450，电源电压采用15V 供电，适用于测量 0V+1000V。 下图(a)和(b)分别是电流和电压的采样电路图： R 100 C 1U/25V O1 OPAM P R 50K R 50KR 50K R 50K 1K C 1uF /25V O2 LF 353 R 1.5KR 3K C 0.1U/25V IA2 IA1 IA3 ADC INA1 C M P_B AS E_A C M P_R EF _A +2.5V +3.0V 1 2 3 5 6 7 LF 353 第四章 充电器的硬件设计 - 25 - +15 -15 GND 件件件件 KA50A/P R 1K LF 353 R 100 C 1U/25V GND ADC INA5O2 件件件件 6 5 7 - (a) KA50A/P -15 +15 GND R 1K LF 353 R 100 C 1U/25V ADC INA6O2 件件件件 6 5 7 R 50 - 件件件件 (b) 图4-11 整流滤波后的直流电流和直流电压的采样电路图 4.2.4 辅助电源的设计 本系统主要使用15V，5V 和+3.3V 电源。 15V，5V 用开关电源供电。 下面介绍+3.3V 电源的产生过程。 MAX604 的管脚定义如下：(1)IN：电源输入脚，范围为 2.711.5V；(2) GND：接地；(3)：输出关闭控制脚，高电平时输出开启；(4)SET：输出OFF 电压反馈输入脚，该引脚接地时，器件被设定为固定输出，而当外接电阻网络 时，可以调节输出电压；(5)OUT：电压输出脚。 第四章 充电器的硬件设计 - 26 - 123456 A B C D 654321 D C B A T itle Num berRevisionSize B Date:16-May-2011Sheet of File:F:件件件件件protel件件MyDesign1.ddbDrawn By: IN 1 GND 2 GND 3 /O FF 4 OUT 8 GND 7 GND 6 SET 5 U33 MAX604 C29 10U/25V +5+3.3 图4-12 +3.3V电源的产生电路 第五章 系统的软件设计 - 27 - 第五章 系统的软件设计 5.1 充电系统的主程序设计 本系统的软件利用 TMS320C2x 编译器开发的，采用模块化管理。 充电系统保护 程序 事件管理模块初始化 模数转化模块初始化 开中断 实时时钟中断？ 通用定时器 1 中断？ 功率驱动保护中断？ 充电电源是否正常充电？ 蓄电池是否极化？ 调用充电计时子程序 功充电是否结束？ 切断主回路 N N N N Y N 实时时钟中断服 务程序 通用定时器 1 中断服务程序 驱动功率保护 中断服务程序 去极化程序 Y Y Y Y N Y 系统初始化 开始 图5-1 充电系统主程序框图 开机后所有部分初始化，各种保护中断清零。 第五章 系统的软件设计 - 28 - 5.2 实时时钟中断服务程序设计 实时时钟中断服务程序框图如图 5-2 所示20： 采集电池的端电压、温度和充电电流 值 读入 PID 参数 与电池的工艺参数进行比较 快速充电的条件？ 设定恒流充电时间 选取充电电流期望值 计算 e=id-i 调用 PID 子程序 调计算偏移角 a 中断返回 设定恒压充电时间 读取充电电压期望 值 计算 e=ud-u 调用 PID 子程序 调计算偏移角 a N Y 图5-2 实时时钟中断服务程序框图 第五章 系统的软件设计 - 29 - 5.3 去极化子程序设计 其程序框图如图 5-3 所示： 置各比较/PWM 输出引脚为高阻态 采集电池端电压、温度和充电电流值 与电池工艺参数进行比较 设定电池停充、负脉冲放电时间 设置通用定时器 2 各寄存器 启用通用定时器 2 T2 中断? 返回 通用定时器周期 中断服务程序 YN 图5-3 去极化子程序框图 第五章 系统的软件设计 -