（控制理论与控制工程专业论文）车载智能快速充电机的设计与研究.pdf

摘要 摘要 电动汽车以其低排放、高效率、多能源的特点成为解决当前环境污染和石油 资源紧张问题的重要途径之一。目前国内外电动汽车技术发展迅猛，但作为电动 汽车动力源泉的电池是其发展的瓶颈。设计符合动力电池充电需求的车载充电 机，能有效延长电动汽车的续驶里程，为电动汽车的实用化和普及化提供有效支 持。 本文的目的是设计一款小型化、轻量化、智能化的车载充电机，实现为动力 电池进行快速充电的功能。本文介绍了车载充电机的设计过程，包括主回路拓扑 设计、功率元器件设计及选型、软件系统及通讯协议设计等工作。 充电电源设计采用以半桥电路作为拓扑结构的高频开关电源技术，以实现小 型化和轻量化要求。为实现快速充电要求，除采用各种常规充电方法外，还设计 实现了正负脉冲充电法对电池进行快速充电。为此，本文采用在输出滤波环节加 入双向半桥d c d c 变换器的电路结构，以实现对电池进行放电及能量回收，提 高了充电机的效率。文中介绍了各充电方法的软件设计及程序流程图，每种充电 方法均设计了可配置的充电参数，以实现对各充电方法的控制。通过采用自行制 定的串行通讯协议与上位机进行通讯，实现了通过上位机设定充电参数、对充电 机进行控制及实时显示充电状态和故障信息等功能。 最后的实验结果表明，本次设计的充电机主回路拓扑结构可行，并完全能实 现预期的要求。同时，所设计的充电方法及其软件程序、参数设置功能、通讯协 议等均工作正常，完全达到了设计要求。 关键词：智能充电机开关电源快速充电双向d c d c 变换器 a b s t r a c t e l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) ，w i t hi t sl o we l n i s s i o 珥m 曲e 伍c i e n c ya n de n e 唱y i l y b r i d i z a t i o 玛i sa n 曲p o n a l l tw a y t os o l v et h ep r o b l e n l so fa t m o s p h e r ep o l l u t i o na n d l a c ko fp e t r o l e u mr e s o u r c e t h et e c l l n o l o g yo fe vd e v e l o p sr a p i d l 弘b u tt h e s t a t e o f t b e a r tp o w e rb a n e 巧t e c l 】i 1 0 1 0 9 i e sc a n tm e e tt h er e q u i r e m e n t t h e r e f o r e ，a n m e 铲a t e do n b o a r dc h a r g w 1 1 i c hc a nc h a 唱et h eb a t t e r ye v e r 】州h e r et oe x t e n dt h e d r i v 崦r a n g e ，m a l 【e st h ee vp r a c t i c a l 1 1 1t b i sp 印e r ，t h ed e s 谵血唱o f 锄o n - b o a r dd o w m i z e da n dl i g h t w e 迢h t 缸e u i g e n t c l 珀r g e rf o r 缸tc h a r g 吨i sd e s c m e d t h ed e s i 孕血gp r o c e s s ，硫l u d j n gt h e 盥i n c i r c u i t d e s i g i l i l l g ，p o w e rd e v i c ed e s i g n j n ga n ds e l e c t i l l g ， s o 胁a r es y s t e ma n d c o m 叫i l i c a t i o np r o t o c o ld e s i g i l i n g ，i sp r e s e m e di i lt h ep a p 既 h 逾h 丘e q u e n c ys w i t c h 证gr n o d ep o w e r 哪p l y ( s m p s ) w i t hl l a l f b r i d g et o p o l o g y c h u i ti su s e di nt h ec l l a r g e rt om a l ( et h ec h a 唱e rl i g h t w e 逸h ta n dd o w n s 娩e d f o rt h e f a s tc l a r g m gs t r a t e g i e ss u c ha sn e g a t i v ea n dp o s i t i v ep u l s ec h a r g e ，ab i d i r e c t i o m l d c - d cc o n v e n e ri s d e s i 印e df o rt h eb a n e r yd i s c h a 玛ea n de n e r g yr e c o v e t 0 i m p l e r n e n tt h e s em n c t i o n s ，ab i d i i 优t i o m lh a m b r i d g et o p o l o g yc 沁u i ti sd e s i g n e d a r e rc i r c u i ta 1 1 a l y s i so f a uk i n d so fc o n v e r t e r s i na d d “i o 玛d i 脑e n tc l l a r g i i l gm e t l l o d s a r ei i n p l e r n e m e dt om e e ta uk i i l d so fc l l a 昭i 1 1 9s t r a t e g i e sa n dt h ep r o 黟a mc 1 1 a n sf o r e a c hm e t h o di sg i v e ni i lt h ep a p e r t h ep a r a m e t e r so f t h ep r 0 莎锄c a nb es e tf o rt h e c h a r g 访ga d j u s t m e n t c o m m u l l i c a t i o nb e t w e e nt h e 幽i a 唱e ra n dt h ec o n t r o e r i s i i i l p l e m e n t e df o rc h a 唱i i 玛p a r a m e t e rs e t t i r 唱，c h a 唱e rc o n t r o l h i 坞a n dd 卸l a y i l l go ft h e c h a r g i l l gs t a t e t h ec o l l c r e t ed e s i g no ft h ec l l a 玛e ra i l dt h ec h a 唱i i 玛w a v e 南ma r ep r e s e m e 也 w l l i c hs h o wt h a tt h em a i l lc i r c u i tt o p 0 1 0 9 ya n ds o f t w a r es y s t e mw o r l ( w e 也a i l dt h e d e s i g n i i 培o b j e c t i v ei sr e a l i z e d k e yw o i m s ： i n t e u i g e mc h 鹕s s ，f a s tc 啦吨，b i d i r e c t i o n a ld c - d c c o n v e r t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲伤，签字吼妒8 年么月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 靴敝储微：鸺唧 签字日期： 曲苍年月歹曰 导师躲1 窭炙 签字日期：砌萨石月否曰 第一章绪论 1 1 课题的提出 1 1 1 电动汽车概况 第一章绪论 电动汽车是2 1 世纪清洁、高效和可持续的交通工具，是一种电力驱动的道 路交通工具。从环境方面考虑，在城市交通中使用电动汽车可实现零排放或极低 排放。即使考虑到给这些电动汽车提供能量的发电厂的排放，仍能显著降低全球 的空气污染。 电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。现在， 零排放电动汽车的技术已经逐渐成熟，并已开始商品化，一次充电行程基本能满 足市区交通的要求。大规模应用的主要问题是初始成本高和续驶里程不理想【2 】， 而通过开发快速充电系统，实现随时随地方便及时地对动力电池进行充电，能够 有效延长电动汽车的续驶里程，将更有利于电动汽车的推广。 1 1 2 充电机的概况 电动汽车是靠电力作为动力源来驱动电动汽车的，车上装备着电池，用以储 蓄电能。为此，必须有相应的充电设备，为车上的电池补充电能。 电动汽车充电机有多种分类方式，有随车型和固定型、慢充和快充、接触式 和感应式等不同制式、不同功率的机型，还有通用型和专用型之分 3 】。 按照电动汽车是否与充电机和公共电网接触，可分为接触式和感应式。其中， 接触式充电机是通过金属导体将电动汽车与充电机和公共电网连接，以达到能量 传输的目的。这种能量传递方式结构简单，能量传递效率高且造价低。感应式充 电的工作原理是让充电模块与电池所在的受电模块的通过变压器耦合，从而实现 电力传输。感应式充电不要求充电机与电动汽车之间有导体相连，使得电动汽车 的充电通用性较好，而且更为安全。 按是否安装在车上，充电机可分为车载式( 即随车型) 和固定式。固定式充 电机一般为固定在充电站内的大型充电机，其性质如同燃油汽车的加油站，主要 以大功率、快速充电为主。而车载充电机安装在车辆内部，可以在包括住宅、停 车场、车库、乃至路边等任何有电源供应的地方随时充电，但功率相对较小。 目前国内使用较多的充电机为固定式的通用型充电机，其充电效果不好。主 第一章绪论 要问题是：充电时间长、充电效率低和充不满；同时，充电控制系统的故障也不 少，多数充电机与电池不匹配3 1 。 1 2 电池特性分析及充电方法介绍 动力电池是各种电动车辆的主要能量载体和动力来源，也是电动车辆整车成 本的主要组成部分，其寿命直接影响电动车辆的使用成本4 1 。 电动汽车用动力电池主要应满足的要求包括：比能量和比功率高、循环寿命 长、安全可靠等2 1 。u s a b c ( 美国先进电池联盟) 制定的电动车用电池性能和发 展时间表在各方面都有具体要求1 1 。 表1 1u s a b c 中期和远期性能指标 u s a b c 对动力电池的这些要求都很高，到目前为止没有一种电池能够完全 达到要求。而在目前的实际应用中，最常用的动力电池为阀控铅酸电池、镍氢电 池和锂离子电池。 2 第一章绪论 1 2 1 常用车载动力电池介绍 铅酸电池已有1 0 0 多年的历史，其正极材料为氧化铅，负极为金属铅，电解 液是稀硫酸【5 1 。铅酸电池可靠性好、价格便宜，其比功率基本满足电动汽车的动 力性能要求。但它也存在比能量低、使用寿命短的缺点。 镍氢电池是一种碱性电池，其正极是氢氧化镍，负极是储氢合金，电解质是 氢氧化钾溶液。镍氢电池具有比能量高、能快速充放电、耐过充放电能力强、无 污染等优点，是电动汽车很有前途的一种动力电池。 锂离子电池是在二次锂电池技术的基础上发展而来的一种新型高容量蓄电 池，其电极为锂金属氧化物和贮锂碳材料，充放电时锂离子在正负电极之间漂移 传递能量。锂离子电池具有比能量大、电动势高、无记忆效应、放电电压平稳、 循环寿命长、安全性好等优点，但也存在工作电压变化大、内部阻抗高、不能与 其他二次电池互换使用等缺点。 以上所述的各种电池在以不同目的设计研制的各种电动汽车中均有使用。本 次设计的充电机将分别考虑各种电池的充电特性曲线，设计出与之相适应的充电 方法和控制策略，使充电机可以适应不同动力电池的充电需要。 1 2 2 充电方法介绍 目前比较常用的充电方式主要有： 1 恒压限流充电 恒压限流充电方式的充电曲线如图1 1 所示。在充电过程中，对电池施以恒 定的充电电压，则充电过程中电流将逐渐减小。当充电电流减小到某一数值时， 认为电池已经充满，此时停止充电。 2 恒流限压充电 图1 1 恒压充电曲线图 第一章绪论 恒流限压充电方式的充电曲线如图1 2 所示。在充电过程中，对电池施以恒 定的充电电流，则充电过程中电池电压将逐渐升高。当电池电压升高到某一数值 时，认为电池已经充满，此时停止充电。 l 十小 ，盘 ，一，一 充电电流 ，一，一一 充电电压 图1 2 恒流限压充电曲线图 3 恒流一恒压充电 恒流一恒压充电方式的充电曲线如图1 3 所示，它是恒流限压和恒压限流充 电方法的综合。在充电的开始阶段先采用恒流限压充电法，当电池电压达到一定 值以后，再采用恒压限流的充电方法。 图l 一3 恒流恒压充电曲线图 4 脉冲电流充电 脉冲电流充电方式的充电波形如图1 4 所示。在充电过程中，充电机对电池 施以周期性脉冲电流进行充电。一个脉冲周期分为脉冲充电时间和间歇时间，在 脉冲充电时间内，充电机用较大的电流值对电池进行充电，之后的间歇时间内停 止充电，从而减小电池在充电过程中的极化现象。 4 第一章绪论 璺 燔 脚 是 琶 图1 4 脉冲电流充电示意图 5 。正负脉冲充电 正负脉冲充电如图1 5 所示。在一个充电工作周期内，电池先后经历正脉冲 充电、负脉冲放电和间歇三个阶段。首先，充电机对电池施以较大电流的正脉冲 充电，之后再对其进行更大电流的短时间脉冲放电，然后给电池一定的间歇时间。 对电池的脉冲放电能够起到去极化、吸收热能等作用，从而使电池一直保持较高 的可接受充电电流，加快充电速度。 当 蠖 御 是 垂 1 2 3 充电控制策略 图1 5 正负脉冲充电示意图 对电池终止充电的判断方法有很多种，最主要的方法有：定时控制法、最高 电压控制法、最小电流控制法、容量控制法、最高温度控制法、温度变化率控制 法、电压变化率控制法掣6 1 。 定时控制法只要确定一个充电时间即可，利用定时器进行充电计时即可控制 停止充电，控制方法简单易行，但这种控制方法不能根据电池的充电状态自动调 整，极易出现过充或欠充等现象。 第一章绪论 最高电压控制法一般用于恒流充电，只要确定一个电压值，当充电过程中电 池电压达到此数值时即认为电池已充满，此时停止充电。实际中随着电池寿命的 增加，电池充满时所对应的电压也是不确定的。此外，对应不同厂家、不同型号 的电池，其最高电压也是不同的。因此，如果单纯采用一个最大电压值对充电的 完成进行判断，也可能存在较大误差。 最小电流控制法一般用于恒压充电法，当对电池施以一定电压进行充电时， 充电电流将逐渐减小，当充电电流减小到一定值时，认为电池已充满，此时停止 充电。 容量控制法是在充电过程中对充入电池的电量进行计算，当充入的电量达到 设定的电量值时，充电过程结束。因为每次进行充电前电池的初始电量都不一定， 因此需要充入的电量必须由人为进行设定，而在电动汽车中，初始电量可以由电 池管理系统提供，因此这种控制方式在车载充电机的充电控制方法中是可行的。 但电池管理系统提供的电池荷电状态( s o c ) 信息的准确性以及随着时间推移电 池容量的减小都将影响到容量控制法的可靠性。 温度是电池充电过程中的重要参数，能反映电池内部的电化学变化过程，且 电池温度也比较容易测取，因此最高温度控制法和温度变化率控制法也是比较常 用的两个充电终止控制方式。但温度的测取容易受环境温度、充电方式、温度传 感器精度和温度滞后性等因素的影响，容易导致误判。因此，这两种充电控制方 式通常作为充电停止的辅助判断因素，配合其他的控制方法使用。 电池端电压随充电过程的进行而发生变化，存在电压升高、最大值、电压平 台、电压负增长等现象。电压变化率控制法根据不同电池的特性，利用这种电压 的变化率对充电终止进行判断，当电池电压的变化达到预期设定的变化率时，即 视为充电完成。该充电方法受不同电池厂家等因素的影响比较小，其判断结果也 比较可靠。 1 3 论文研究内容及结构 1 3 1 论文研究内容 本次设计的目的是研制一款用于电动汽车的车载智能充电机，以实现随时随 地对电动汽车动力电池快速充电的目的。除了要实现小型化、轻量化、智能化的 目标之外，还要满足高效率和高可靠性等要求，设计功率为3 k w 。 为实现小型化、轻量化的要求，设计采用高频开关电源作为充电电源，这其 中包括开关电源拓扑结构设计和功率元器件的选取等工作。而为了实现智能化的 6 第一章绪论 目标，设计中采用了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心的主控制板，以实现充电控制及 通讯等相关的各项功能。 为了满足不同类型、不同场合的充电要求，需要设计多种充电方法和控制策 略，并结合实际需要设计相对完善的充电流程，保证快速、可靠地完成充电。因 此，本次设计对各种电池的性能和充电过程进行了分析，以设计出相对完整细致 的充电曲线，满足专业化充电的要求。 为了实现人机交互功能，充电机需要通过上位机进行充电控制、参数设定和 状态监测等功能。因此，设计与上位机之间的通讯协议也是一项重要的工作。 1 3 2 论文结构 本论文共分五章，现将各章内容介绍如下。 第一章为绪论，主要介绍电动汽车概况和充电机概况，以及各种动力电池的 特性和充电方法、控制策略等。 第二章主要介绍充电机主电路拓扑的设计研究工作。在分析了当前各种常用 开关电源拓扑结构之后，结合本次设计的具体功率要求，选择合适的d c d c 拓 扑结构。同时针对快速充电策略的需要，在综合分析各种充放电回路的基础上， 设计了能量可回收的放电回路。 第三章介绍主回路拓扑结构中各个功率元器件的设计和选型工作。包括高频 变压器设计、输入滤波和输出滤波回路元件参数选取、功率开关管选型及其驱动 芯片的选取等相关工作。 第四章主要介绍充电机控制回路软硬件设计相关的工作，包括控制板硬件设 计、主程序设计、各种充电方法的流程分析及程序设计、通讯协议制定和通讯程 序设计、以及相关子程序设计等工作。 第五章是充电机各个重要元器件的实际工作波形及充电实验结果分析。包括 功率器件工作波形及其驱动波形、变压器输入输出波形分析、充电波形分析等。 同时，对实验中曾经出现的问题进行了分析及改进设计，并对本次设计工作进行 了一些总结。 第二章充电机主回路设计 第二章充电机主回路设计 充电电源主回路拓扑结构的设计是充电机研制工作中最重要的部分，主回路 的选取与设计的好坏，直接影响到整个充电机的性能。如图2 1 所示为开关电源 的拓扑结构示意图，变换器及高频变压器设计是其中的重点内容。另外，结合充 电策略的要求，为实现放电回路能量回收，设计采用了双向d c d c 变换器。在 本章中，将结合图2 1 所示的示意图，对主回路设计作具体阐述。 净丰 广r m 皎 奉 r r m j - 上 毒 _ ，j t a c ，d c 输入滤波d c a c高频变压嚣a c ，d c 整流变换嚣整流 图2 1 开关电源拓扑结构示意图 2 1 充电机设计指标及需求分析 本文的任务是设计一款车载式智能充电机，基本要求为小型化、轻量化、智 能化。其具体设计要求如下： 输入市电2 2 0 矿l o ，即1 9 8 2 4 2 v ； 输出电压范围2 5 0 4 0 0 v ( 可调) ； 最大输出电流2 0 a ( 可调) ； 设计功率3 k w ： 功率因数猡2 ； 充电效率猡0 ； c a n 及s c i 通讯功能，以实现人机交互及与整车控制系统通讯功能。 在接下来的几节中将结合以上设计要求，分别介绍主回路各环节的设计和拓 扑结构的选择。 2 2 充电电源变换器拓扑结构分析 进行充电机设计的首要工作是进行开关电源变换器拓扑结构的选择。这是一 第二章充电机主回路设计 项非常重要的工作，其他所有的设计选型工作都取决于它。因此，本章首先结合 设计指标开展电路拓扑选择工作。 2 2 1 常用d c d c 变换器拓扑结构 常用的开关电源变换器拓扑结构基本可分为两大类，即隔离式和非隔离式。 2 2 1 1 非隔离式变换器拓扑结构 基本的非隔离变换器拓扑结构包括b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、c u k 、s e p i c 、 z e t a 掣8 1 ，这些变换器拓扑结构都比较简单，一般用于中小功率场合，其结构示 意图如图2 2 所示。 s 1l 1 l 1d 1 a b u c k 变换器示意图 b b o o s t 变换器示意图 s l 1c 1l 2 ，y y 、一 r r y l 一、一 v 1s 1 ! d 1 v 2 + c b u c k b 0 0 s t 变换器示意图 dc u l 【变换器示意图 l 1 d 1 s 1l 2 k j + id 1 v 2 e s e p i c 变换器示意图cz e 协变换器示意图 图2 2 非隔离变换器拓扑结构 b u c k ( 降压型) 电路只能降压不能升压，即图中v 1 必须大于v 2 ，其输出 与输入同极性，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构简单。b u c k 电路一般 9 第二章充电机主回路设计 用于各种降压型开关稳压器。 b o o s t ( 升压型) 电路只能升压不能降压，即图中v 2 必须大于v 1 ，其输出 与输入同极性，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构简单。 b o o s t 电路一般用于升压型开关稳压器、升压型功率因数校正( p f c ) 电路。 b u c k b o o s t ( 升降压型) 电路既能降压也能升压，但其输出与输入极性相反， 输入输出电流脉动大，不能空载运行，结构简单。b u c k b o o s t 电路一般用于反相 型开关稳压器。 c u k 型电路能降压也能升压，其输出与输入极性相反，输入输出电流脉动小， 不能空载运行，结构较复杂。c u k 电路一般用于对输入输出纹波要求高的反相型 开关稳压器。 s 印i c 型电路能降压也能升压，其输出与输入极性相同，输入电流脉动小， 输出电流脉动大，不能空载运行，结构较复杂。s 印i c 电路一般用于升降压型功 率因数校正( p f c ) 电路。 z e t a 型电路既能降压也能升压，其输出与输入极性相同，输入电流脉动大， 输出电流脉动小，不能空载运行，结构较复杂。z e t a 电路一般应用于对输出纹波 要求高的升降压型开关稳压器。 2 2 1 2 隔离式变换器拓扑结构 在非隔离式变换器拓扑结构的基础上引入变压器，则为隔离式变换器。引入 变压器一般有两个目的，一是隔离，另一个就是改变输入输出电压比。隔离式 变换器较非隔离式变换器结构要复杂，但能实现电气隔离，并能通过变压器实现 输出电压的调节。常用的隔离式拓扑结构包括：正激式、反激式、推挽式、半桥 式、全桥式等【9 】，其电路如图2 3 所示。 正激式电路简单可靠，广泛应用于功率为数百瓦至数千瓦的开关电源中。但 该电路变压器的工作点仅处于磁化曲线平面的第一象限，没有得到充分利用，在 同样的功率条件下，其变压器体积、重量和损耗比较大。因此，在电源和负载条 件恶劣、干扰很强的环境下使用的开关电源，又对体积、重量及效率要求不太高 时，采用正激式电路较合适。 反激式电路结构最为简单，元器件最少，因此成本较低，广泛应用于数瓦至 数十瓦的小功率开关电源中。但该电路变压器的工作点也仅处于磁化曲线平面的 第一象限，变压器利用率低，而且开关器件承受的电流峰值很大，不适合用于较 大功率的开关电源。 l o 第二章充电机主回路设计 t 1 d 1l 1 j ” c ，牛 z 1 a 正激式 s 1 b 反激式 l s 1 + 7 v 时，过流保护电流控制运算放大器，使其输出软关断信号， 在l o 肛内将脚3 输出电平降为0 。因e x b 8 4 0 无过流故障自锁功能，需外加保 护电路，一旦产生过流，可通过外接光耦将过流保护信号( i p a i7 l t ) 输出， 通过硬件设计的触发器锁定p w m 信号输入，实现保护。 图3 3 中r 1 和l 也为门极驱动电阻，i g b t 的开关特性与驱动电阻之间有着 密切地联系。i g b t 的开关速度随着驱动电阻的减小而加快，开关损耗则随之减 小，但驱动电阻的减小将使开关时的浪涌电压增大，同时使d v d t 误触发和电流 限制值增大，这些都将增大i g b t 工作时的危险性。因此，合理的选择驱动电阻， 第三章主回路元器件选取及变压器设计 才能够最大地发挥i g b t 的性能，使其可靠工作。 结合之前的i g b t 选型，通过参考e x b 8 4 0 资料，在此选择阻值为2 5 q 的门 极驱动电阻。 3 5 高频变压器设计 图3 3e 8 4 0 驱动i g b t 电路图 开关电源中功率变压器的主要作用是传递能量，一般是将原边的能量瞬时传 递到变压器副边。此外，变压器还具有其它重要的功能2 8 】： 1 通过改变初级与次级匝数比，获得所需要的输出电压； 2 增加多个不同匝数的次级，获得多路不同的输出电压： 3 为了安全，要求离线供电或高压和低压不能共地，变压器方便地提供安 全隔离。 变压器设计所需要涉及的参数和指标很多，如电路拓扑、工作频率、输入输 出电压、输出功率和输出电流、温度、损耗等，设计中需要综合考虑各方面因素。 结合本次充电机设计的具体需要，设计了一个高频变压器。下面将具体介绍 设计过程。 3 5 1 磁芯材料选择 设计变压器时，首先要选择合适的磁芯材料。开关电源中主要应用软磁材料， 2 7 第三章主回路元器件选取及变压器设计 在选择软磁材料时，主要考虑如下几个方面的因素【2 引。 1 高磁导率：磁感应强度曰= p 日，因此在一定磁场强度( h ) 下，b 值取 决于材料的p 值，值越大。对要求一定磁通量( o c 剪) 的磁器件，选用值 高的材料，可以降低外磁场的激磁电流，同时降低磁元件的体积。 2 低矫顽力：磁材料的矫顽力越小，就表示磁化和退磁容易，磁滞回线狭 窄，在交变磁场中磁滞损耗就越小。 3 高电阻率：在磁芯线圈加入交变电压时，线圈中流过激磁电流，激磁磁 势产生的全部磁通妒在磁芯中通过，若磁芯材料是导体，磁芯本身截面周围也将 链合全部磁通，从而产生感应电压，经磁芯导体产生电流( 即涡流) ，发生i 2 尺损 耗。磁芯材料的电阻率越高，则产生的涡流越小，涡流损耗越小。 锰锌铁氧体在市场上运用广泛，价格低廉，材质和磁芯规格齐全，高频性能 好。综合参考以上各方面因素，本次设计选择锰锌铁氧体作为磁芯材料。 3 5 2 磁芯结构选择 目前市场上常见的磁芯有罐型、p m 、r m 、p q 、e e 、e c 、e p 、e t d 、r c 、 u u 、和u i 等各种型号。高频电源变压器设计中选择磁芯结构时需要考虑的因素 有：降低漏磁和漏感，增加线圈散热面积，有利于屏蔽，线圈绕线容易，装配接 线方便等【2 9 1 。 罐型和p q 型等磁芯有较小的窗口面积，减小了电磁干扰( e ) 传播，用 于电磁兼容性( e m c ) 要求严格的场合。但是其窗口宽度不是很大，散热困难， 一般只能用于低功率场合。 e e 、e c 、e t d 、l p 磁芯都是e 型磁芯，有较大的窗口面积，窗口宽而且高 度低，漏磁及线圈层数少，高频交流电阻小。e 型磁芯的开放式窗口没有出线问 题，线圈与外界空气接触面大，有利于空气流通，散热方便，可以应用于大功率 场合，但电磁干扰大。 u u 型和u i 型主要用在高压和大功率的场合，它们比e e 型有更大的窗口， 可以用更粗的导线和更多的匝数。但磁路长度大，较e e 型有更大的漏感。 i 蝴和p m 磁芯是从罐型磁芯改进而来，比罐型有更大的出线窗口和更好的 散热条件，可以传送更大的功率。而较e e 型磁芯具有更好的磁屏蔽效果，能减 小电磁干扰，较u 型磁芯其绕线相当容易。 综合各方面的考虑，在此选用p m 磁芯。 3 5 3 变压器设计方法介绍 高频变压器的设计通常采用两种方法：第一种是先求出磁芯窗口面积氲与 第三章主回路元器件选取及变压器设计 磁芯有效截面积以的乘积彳尸( 么尸= 以a ，称为磁芯面积乘积) ，根据彳尸值， 查表找出所需磁芯的编号；第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进 行设计【1 9 1 。 在此次设计中，采用么p 法进行设计，通过充电机设计的传输功率算出对应 的彳尸值，通过选择4 尸值大于该数值的磁芯，以满足设计需要3 1 1 。在采用么p 法 进行设计之前，先介绍其公式推导过程。 假设变压器原边匝数为p ，副边匝数为m 。当原边以电压k 工作时，由法 拉第定律有 k = k r 六p 口。4 ， ( 3 9 ) 式中丘是开关工作频率( h z ) ，b 。是工作磁通密度( t ) ，么。是磁芯有效面 积( 聊2 ) ，k - r 是波形系数，表示幅值与有效值之比，正弦波时k ，为4 4 4 ，方波 时k r 为4 。将式( 3 9 ) 整理，原边匝数可以表示为 m 2 赢 。1o ) 磁性窗口有效面积k 以为初级绕组和次级绕组所占据的窗口面积之和，即 k o 彳。= p 彳p + m 彳， ( 3 1 1 ) k 为窗口使用系数，用来表征变压器窗口面积中铜线实际占有的面积，一 般由导线截面积、匝数、层数、绝缘漆厚度等决定，典型值取k = o 4 。彳：是原 边绕组每匝所用面积，彳：是副边绕组每匝所用面积。 而每匝导线所占用的面积与流过该匝的电流值，和电流密度有关，如下式 所示 彳：= 号彳；= 等 ( 3 - 1 2 ) 整理式( 3 9 ) 、( 3 一l o ) 、( 3 1 1 ) 、( 3 1 2 ) ，可以得到 即= 岳今+ 若矗等 即 刚。2 篡豁2 匆 弓为变压器的视在功率。其具体计算与电路结构肴关， 式的电路中可采用如下计算公式 弓= 只+ = e ( 1 + 吉) ( 3 1 4 ) 在采用全桥整流方 ( 3 1 5 ) 由式( 3 1 4 ) 可见，影响磁芯面积乘积a p 的因素有很多，因而在进行变压 器设计之前，必须明确变压器的工作条件，并确定包括工作磁通密度曰。、工作 第三章主回路元器件选取及变压器设计 频率f 、窗口面积使用系数岛、波形系数k ，和电流密度，等在内的参数。 3 5 4 变压器设计及制作 根据前面列出的充电机设计指标及上一节所述的设计方法，可以算出变压器 的视在功率为 11 弓= ( 1 + 寺- 3 ( 1 + 高) - 6 3 k v a ( 3 - 1 6 ) 7 7 u 9 设计中，令窗口使用系数局取值为o 4 ，波形系数研为4 ；开关频率工为 2 0 k h z ；工作磁通密度风取o 1 6 t ；电流密度一般取4 6 5 彳m m 2 ，在此取 4 么肌研2 。 由式( 3 1 4 ) 得到本次设计采用的磁芯的4 尸值最小应为 a p = k o k z 巩j o 4 4 2 0 1 0 3 o 1 6 4 0 0 l o _ 4 = 3 0 7 6 c m 4 ( 3 1 7 ) 查阅磁芯手册相关数据表口6 】可知，对于p m 6 2 型磁芯：彳。= 5 7 0 c m 2 、 彳。= 7 7 8 伽2 ，彳p = 4 a = 4 4 3 6 册4 ，4 p 数值基本满足要求，但是其裕量有限。 而对于p m 7 4 型磁芯：4 = 7 9 0 c ，z 2 、彳。= 11 4 0 c m 2 ，彳尸= 4 彳。= 9 0 0 6 册4 ，其 裕量比较充足。因此，设计中选择采用p m 7 4 型磁芯。 验算最大工作磁通密度 曰。：竺些一1 0 6 ：兰竺丝一1 0 6 ( m t ) ：o 1 9 3 t ( 3 1 8 ) ” k ，f a m 。 4 2 0 1 4 7 9 0 、 该最大值与所取的工作磁通密度相差很小，进一步验证选取p m 7 4 磁芯是适 合的。 。 在选好磁芯之后，变压器原副边线圈设计是变压器设计中的另一项重要工 作。由之前给出的充电机系统性能指标，可以得出原副边的电压和电流极限值 j qm i 。= 2 5 2 v j u 一= 4 0 0 v 【一= 2 6 a 【厶哪= 1 2 a 对于半桥电路，原边和副边绕组的匝数比为【2 6 】 ( 曲2 ) d 咄一( 2 5 2 2 ) 0 9= 1 ：3 5 ( 3 1 9 ) 虬一 4 0 0 原边匝数为 = 苁岳= 丽丽焉南丽北舶( 3 2 。) 一p k ，z 鼠4 4 2 0 1 0 3 o 1 6 7 9 1 0 一4 u 二u7 匝数取整，原边取1 3 匝，则副边匝数为1 3 3 5 = 4 5 5 ，取整，副边匝数为 4 6 匝。 接下来计算原副边导线的尺寸，在设计中取电流密度，= 4 么聊m z ，可求得 第三章主回路元器件选取及变压器设计 原副边导线裸线面积分别为 岛= 等= 孕= 6 砌m 2 ( 3 - 2 1 ) 如：年：导：3 耐 ( 3 2 2 ) 高频变压器的导线中流过的是频率较高的交变电流，必须考虑集肤效应，在 设计时导线线径不能超过其穿透深度的2 倍。而对于铜导线，设导线温度最高为 1 0 0 ，则其穿透深度计算公式【2 8 】为 止焉2 揣一o 吲硎 2 3 ， 此次设计中采用铜带作为原副边导线，这样能大大降低变压器铜耗，并减少 变压器漏感。根据p m 7 4 型磁芯线架的高度，可取铜带宽度为w = 3 5 m m ，则原 副边铜带厚度为 d 。：垒：笪：o 1 8 6 m m ( 3 2 4 ) w3 5 d ：兰望：三：o 0 8 6 m 聊( 3 2 5 ) 5 w3 5 实际中原边铜带厚度为o 2 m m ，副边铜带厚度为0 1 姗，加上绝缘层之后， 铜带的厚度分别为0 2 6 m m 和0 16 m m 。 由上述计算，选取尺寸为3 5 m m 0 2 m m 和3 5 m m 0 1 m m 的铜带分别作为原 副边的导线。在绕制过程中，先在变压器内层绕原边1 3 匝，再在其外层绕副边 4 6 匝，原副边绕组之间用绝缘层隔离。 3 6 本章小结 本章首先综合前一章的拓扑结构分析和设计，给出了整个充电机主回路的电 路图。然后根据充电机的参数指标，分别阐述了对输入回路、输出回路、功率开 关管、驱动回路等元器件的选型和参数设计工作。最后详细介绍了变压器设计的 相关的步骤，给出了包括变压器磁芯材料、磁芯形状、型号和变压器原副边匝数 及导线等参数在内的一系列设计选型步骤和参数计算等。至此，充电机主回路部 分的设计工作已基本完成。 第四章充电机控制板软硬件设计 第四章充电机控制板软硬件设计 充电机控制板的硬件包括上位机控制面板及下位机主控板两部分。上位机控 制板主要作为人机交互界面，实现对充电参数的设置、充电机控制及充电运行状 态的显示等功能。下位机主控板则用于实现充电控制、a d 采样、p w m 信号产 生、故障检测和保护、通讯等功能，是充电机控制系统的核心。本人在此次设计 中主要负责下位机d s p 的软件设计。 4 1 硬件电路设计 上位机硬件设计概述 上位机要实现的功能主要包括充电参数设置、充电机控制和运行状态显示。 主要由以下硬件组成： 1 采用5 1 单片机作为控制芯片； 2 采用液晶屏作为显示界面： 3 设计按键以实现参数设置及功能调整； 4 采用m a x 2 3 2 芯片实现串行通讯功能； 5 采用a t 2 5 6 4 0e e p r o m 芯片实现数据存储等。 上位机的功能框图如图4 1 所示。 图4 一l 上位机功能框图 3 2 第四章充电机控制板软硬件设计 主控板硬件设计概述 下位机主控板是整个充电机控制电路的核心，由于其要完成的功能较多，对 可靠性要求很高，在此选用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为控制芯片。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是t i 公司主推的一款高性能、低价格的d s p 处理器，内部 采用哈佛结构，数据空间和程序空间分离，独立的数据总线和程序总线允许同时 对程序和数据进行操作；其处理速度达到3 0m 【p s ，片内处理器集成高达1 5 k 字的数据程序删、5 4 4 字双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口删，并有 3 2 k 字f l a s h 程序存储空间，它的两个事件管理器e v a 和e v b 功能非常强大， 能生成各种需要的p w m 波形。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 还集成了1 6 通道1 0 位d 转换 器、s c i 串行通讯及c a n 总线等模块，特别适合于电机、电源变换等实时要求 高的控制系统【3 3 】【3 4 】【3 5 1 。 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心的下位机控制板功能框图如图4 2 所示。对电压的 采样采用差分电路，将电池电压转换成o 3 3 v 信号，以输入d s p 进行d 转 换。电流采样则采用电流传感器，将电流信号转换成0 3 3 v 电压信号，输入 d s p 进行d 转换。与此同时，将转换后的电压信号引入比较器，实现上下限 保护，当电压过高或过低、或者电流过大的时候，比较器输出低电平，进而通过 设计的g a l 逻辑及故障保护电路及时封锁p w m 信号，并将相应的故障信息引 入d s p ，以便对故障进行相应处理。d s p 对处于正常范围之内的电压、电流值 进行a d 转换之后，通过控制算法得到所需的占空比，然后通过向事件管理器 e v a ( 或e v b ) 相应的比较器填入数据，得到实际所需的p w m 信号。 故障检测 电压电流 采样电路 故障保护电路j电源电路 翟幽 i 保护输入j。”一i 故障l广_ 剿勰7 蒙 输入j nd s p j 1 蒜等 萄 邶3 2 唧2 4 0 7 l 煮蒺 输入l l s c i 模块l c a n 模块 上位机面板ij 电池管理系统 图4 _ 2 控制板功能框图 3 3 卜_ + p 、7 门讧1 驱动bp w m 3 蝴匕；激 第四章充电机控制板软硬件设计 4 2 充电机软件系统设计 本次充电机设计的一个重要要求就是智能化，因此，充电机软件系统设计是 本次设计工作的另一重要方面。 针对智能化的要求，本次软件设计将从以下几方面出发，实现设计要求： 以尽可能简明的参数设计，实现充电功能设置的简单化： 以尽可能全面的充电策略，实现充电功能选择的多样性； 以尽可能完善的纠错性能，保证充电机工作的正确性和可靠性。 在本次设计中，正是从以上提到的几个方面要求着手，对充电机程序进行设 计。 1 ) 充电机工作中的首要任务是进行p w m 占空比的调整，以实现预定的充 电控制要求。因此，p w m 调整程序采用定时中断方式，且定义其中断优先级为 高，与充电控制密切相关的程序都在p w m 定时中断程序内完成。p w m 中断及 充电相关子程序将在4 3 节中作具体介绍。 2 ) 为保证及时地接受上位机发送的控制命令和设置信息，串行接收和c a n 通讯的接收程序也采用中断方式，设置其中断优先级为低，与命令设置及控制相 关的程序都在接收中断程序内完成。通讯相关程序将在4 4 节中作具体介绍。 3 ) 除此之外，故障处理、s c i 及c a n 数据发送、温度检测等需要实时性要 求不高的程序都在主循环中依次查询调用。充电机主程序流程图如图4 3 所示。 第四章充电机控制板软硬件设计 y y 图年3 主程序流程图 3 5 第四章充电机控制板软硬件设计 充电机上电以后，d s p 先要进行初始化，并置充电机状态标志位为o ( 待机 状态) 。然后，启动a d 转换器，对输入直流侧电压及电池电压进行检测。如果 输入电压过低，或电池电压为零或为负值，表明分别存在输入欠压、电池开路或 电池反接等错误，d s p 将置相应的故障标志位为1 ，并将相应的故障发送给上位 机进行显示。 如果各项电压检测结果正常，则d s p 向上位机发送自检完成信号，并使能 串行接收中断，等待上位机进行充电设置。在收到完整而正确的充电参数设置后， 充电机对其进行必要的处理，转化为自身程序运行所需的各项参数，并等待上位 机的开始充电命令。 当收到上位机发送的开始充电命令后，d s p 使能p w m 信号输出，开始进行 充电。一些需要较长时间或定时处理的程序( 如故障处理、串行数据发送、读取 温度、安时计数等) 均安排在主循环中进行，通过设置多个不同计数器，定时触 发相应的时间标志位，从而在主循环中完成程序的调用。这样既能保证在每个周 期内对p w m 占空比进行及时调整，又能按时完成其他相关的任务。 4 3 充电程序设计 本次充电机设计的p w m 调制频率为2 0 l 池，充电程序设计在每个周期5 0 郎 内进行一次p w m 占空比调整，以实现特定的充电控制要求。因此，与占空比计 算相关的程序都必须在p w m 中断内调用运行。 4 3 1p w m 中断子程序 p w m 中