毕业设计论文范本---电动车车载充电器的设计.doc

毕业设计（论文）题 目 学院（系）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在10年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：年 月 日导师签名：年 月 日武汉理工大学毕业设计（论文）目录 摘要IABSTRACTII1 绪论11.1课题的研究背景及意义11.2电动车车载充电器的研究应用现状11.3论文的研究内容22 铅酸蓄电池的充电方法研究32.1铅酸蓄电池的研究32.1.1铅酸蓄电池的工作原理32.1.2铅酸蓄电池的性能参数32.1.3铅酸蓄电池的充放电特性52.2常用充电方法的研究62.2.1蓄电池充电理论62.2.2充电方法63 车载充电器的设计方案83.1充电器的主要设计要求和指标83.2充电方法的选择83.3充电停止控制方法的确定93.4充电器设计方案的确定104 充电器的硬件设计134.1主回路的设计和实现134.1.1单相桥式整流和全波整流134.1.2开关变换电路拓扑结构的选择144.1.3开关器件的选择164.1.4高频变压器的设计.174.1.5输出滤波电感的设计184.1.6输入输出滤波电容的选择184.2控制及驱动电路的设计204.2.1光耦的介绍204.2.2控制驱动电路的设计204.3 电压和电流采样电路的设计224.3.1 电压采样电路的设计224.3.2 霍尔电流传感器的介绍234.3.3 电流采样电路的设计234.4 RS232通讯的设计244.5辅助电源的设计255 充电器的软件设计265.1软件设计思想265.2软件的设计265.2.1电流电压采集的设计295.2.2 PWM输出的设计295.2.3液晶显示的设计305.2.4 RS232通讯的设计316 电路调试和仿真336.1液晶显示和PWM控制的仿真336.2电压电流采样的仿真346.3参考电压的仿真357 总结与展望36致谢37参考文献38附录1车载充电器原理图39附录2 主要程序45 摘要燃油汽车必将随着石油的减少而渐渐从市场上淡去，新的交通工具必将重新占领市场。从能源上说，电能的来源广，尤其是利用太阳能发电和风能发电，让电能变的可再生。近几年，电动车的迅猛发展已经说明电动汽车将是以后的主要交通工具。从环保上说电动车的无污染，也是燃油的高污染所不能比的。在电动车的使用中，主要的问题就是电池的使用寿命问题，一般铅酸蓄电池就使用三两年。影响蓄电池寿命主要有两个原因：蓄电池质量和充电控制。而且大部分蓄电池又是被充坏的，因此电动车必须要有一个合适的车载充电器。根据铅酸蓄电池的指数充电规律，本次设计采用了前期恒流充电，后期恒压充电，最后涓充的三段式充电方法。在充电过程中，为方便用户的使用，LED灯直观的表示了充电的进度，电压电流和容量的液晶显示告诉用户现在电池的详细情况。通过数据的串行通讯，可以让用户在驾驶室就知道电池的情况。本次设计的车载充电器用户还可以选择充电方法自动调节充电，改善电池的硫化问题，延长电池的使用寿命。本次设计的车载充电器的关键是开关电源部分。用体积小、重量轻的高频变压器取代体积大的工频变压器，开关电路的拓扑结构的选择，开关器件的选择，输入输出滤波电容的选择，输出电感的选择，在本次设计中都有详细的说明。本次车载充电器的另一设计的关键是软件控制算法的编写。本次设计选用的是AVR单片机ATmega16，通过编程可以实现电压电流的A/D转换，电压电流和容量的显示和传输，利用PWM对恒流恒压和涓流的控制。关键词：电动车 车载充电器 铅酸蓄电池 充电方法 ABSTRACTThe fuel-engine vehicle will be out of the market while the oil is decreasing, then some new vehicle will occupy the market. Speaking of energy, the electricity is a sort of Secondary energy and it can be produced by many kinds of material especially can be produced by the sunshine and the wind which is reproducible. In recent years, the rapid development of the electro-mobile indicates the electro-mobile will become the important electro-mobile. Saying from environmental protection, the electro-mobile is free of contamination, with which the fuel-engine vehicle can not compare.While using the electro-mobile, the most important problem we meet is the useful life of the battery, usually the lead-acid cell can be used for two or three years. There are two reasons affecting the useful life of the lead-acid cell: the quality of the lead-acid cell and the charging control. Further more the most storage battery is damaged while charging, so there must be a suitable charger for the electro-mobile. In this design of the charger, I adopt the way of the three segments to charge, namely in the prophase charging by the invariable current, in the anaphase, charging by the invariable voltage, finally trickle charging. While charging, in order to use the electro-mobile handily, the LED lights intuitively indicate the charging progress, the voltage, the current and the capacity will be showed on the LCD. By the data serial communication, the user can know the condition of the cell in the drivers seat. By this vehicle-mounted charger designed the user can also change the charging way to adjust charging automatically, to ameliorate the vulcanization of the cell, to prolong the life of the cell. When designing this vehicle-mounted charger, the design of the switch power supply is pivotal, the industrial frequency transformer is replaced by the high frequency transformer of which the cubage is small and the weight is light. The choice of the topology structure of the switched circuit, the device of the switches, the in-out filtering capacitance, the out inductance is amply explained in the appendix.In the design, authoring the controlling software is pivotal too. In this design, I choose the single chip Atmega16,through programming the signal of the voltage and current can be changed from analog to digital, the voltage ,the current and the capacity can be showed and transmitted, the invariable current, the invariable current and trickle charging can be controlled by the way of PWM.Key words: electro-mobile, vehicle-mounted charger, lead-acid cell, charging wayII1 绪论1.1课题的研究背景及意义近年来，由于汽车尾气排放对城市造成的严重空气污染，已开始受到各国政府的高度重视。全电动车辆的使用被认为是最终解决这一问题的最佳途径。除此之外，电动车还具有能源利用高、可以综合利用各种不同的能源的特点，对于全球性节能和能源形式的更新换代有着十分重要的意义。全国政协副主席、科技部部长万钢提出了明确要求：希望通过各方努力，到2012年，国内有10%新生产的汽车是节能与新能源汽车，也就是100万辆。不过，在我们看到包括吉利、长城、比亚迪等多家自主车企在新能源汽车领域的巨大努力和成绩时，实现100万辆新能源汽车目标的时间或许还会更短。铅酸蓄电池作为电动车电源，虽尚有许多不足，但由于其价格低廉，工艺成熟，特别是近年来密闭技术已日趋完善，所以铅酸蓄电池在动力电源中仍占有一席之地。随着电子技术的发展，铅酸蓄电池质量的提高，开关电源技术的改进,开发一种具有自主知识产权,具备适用功率大( 2KW ) 、性能可靠等特点的电动车用48V (200Ah)蓄电池充电器以满足各种电动车发展是迫切需要的。1.2电动车车载充电器的研究应用现状铅酸蓄电池由于其成本低、容量大、安全可靠等特点，在通信、电动汽车、军事等各个领域都有广泛的应用。电池的性能好坏、使用寿命的长短直接影响到电子产品的使用寿命和安全，而充电器性能的好坏又直接影响到电池的使用寿命。目前，我国市场上的铅酸蓄电池主要存在以下问题：不具备智能充电，人机界面不友好；充电控制方法落伍，导致电池寿命短、效率低和维护性差；故障率高，影响电池的正常工作。衡量电动汽车很重要的因素就是行驶里程，这个与电池容量有关。大容量的电池的补充充电主要有两种：接触式充电器是通过金属连接器将电动汽车与充电器和公共电网连接，以达到传递能量的目的。这种能量传递方式结构简单，能量传递效率高而且造价低。感应式充电是近年来兴起的一种利用高频变压器将公用电网与电动汽车相隔离的充电方法。由于感应式充电器与电动汽车之间没有任何金属接触，使得电动汽车车的充电通用性好，而且更为安全可靠。本次设计的车载充电器的充电方式选用传统的三段式充电，由于车上空间的限制，也为了减小电动汽车的自重，提高行驶里程，要求车载充电器尽量做到体积小、重量轻。车载充电器的主要发展方向是小型化、快速化、智能化。小型化是指选用新型功率开关器件，通过提高频率的方法，减小电感、电容器件的体积，使车载充电器整体体积减小。智能化是指具备人机交互功能，用户可以自行调节充电。快速化是指根据电池特性，加快充电速度，减少充电等待时间。1.3论文的研究内容目前，许多蓄电池在使用过程中，由于采用了简单的充电设备和落后的充电方法进行充电，导致电池的品质下降，使用寿命大大缩短。很多电池都是因为充电不合理而损坏的，因此设计一种新型实用的充电器是十分有必要的。本篇论文就设计了一种电动车车载充电器，它能对48V/200AH的动力电池组进行安全智能充电,充电过程中能对电池的电压、电流等参量进行测量和显示，并能对动力电池组的剩余容量进行估算。在第二章中介绍了铅酸蓄电池的充电方法的研究。主要介绍了铅酸蓄电池的工作原理、性能参数、充放电特性和蓄电池充电理论及充电方法。在第三章介绍了车载充电器的设计方案。充电器的主要设计要求和指标充电方法的选择和充电停止控制方法的确定。在第四章介绍了车载充电器的硬件设计。有主回路的设计，控制及驱动回路的设计，电压电流采样回路的设计，RS232串行通讯的设计和辅助电源的设计。在第五章介绍了车载充电器的软件设计。有整体的设计思想和设计的流程，也有电压电流的A/D转换，PWM的产生，RS232串行通讯和液晶显示的子回路。在第六章介绍了电路的调试和仿真。有PWM的控制，电压电流的采样，液晶的显示，参考电压的确定。2 铅酸蓄电池的充电方法研究2.1铅酸蓄电池的研究2.1.1铅酸蓄电池的工作原理法国人普兰特（G.Plante）于1859年发明铅酸蓄电池，已经历了近150年的发展历程，铅酸蓄电池在理论研究方面，在产品种类及品种、产品电气性能等方面都得到了长足的进步，不论是在交通、通信、电力、军事还是在航海、航空各个经济领域，铅酸蓄电池都起到了不可缺少的重要作用。自铅酸蓄电池被发明以来，因其价格低廉、原料易得、性能可靠、容易回收和适于大电流放电等特点，目前已成为世界上产量最大、用途最广泛的蓄电池品种。铅酸蓄电池是指电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸蓄电池的基本电极反应是Pb和二价铅（Pb2+）及四价铅（Pb4+）之间的相互转化。放电过程是负极上的Pb被氧化成Pb2+，正极上的Pb4+被还原成Pb2+；充电过程是负极上的Pb2+被还原成Pb，正极上的Pb2+被氧化成Pb4+。电极反应式为：充电：2PbSO4+2H2O = PbO2+Pb+2H2SO4（电解池）阳极：PbSO4+2H2O-2e- = PbO2+4H+SO42-阴极：PbSO4+2e- = Pb+SO42-放电：PbO2+Pb+2H2SO4 = 2PbSO4+2H2O（原电池）负极：Pb+SO42- - 2e- = PbSO4正极：PbO2 + 4H+ + SO42-+ 2e- = PbSO4 + 2H2O从以上的化学反应方程式中可以看出，铅酸蓄电池在放电时，正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应，生成硫酸铅，在电化学上把这种反应叫做“双硫酸盐化反应”。在蓄电池刚放电结束时，正、负极活性物质转化成的硫酸铅是一种结构疏松、晶体细密的结晶物，活性程度非常高。在蓄电池充电过程中，正、负极疏松细密的硫酸铅，在外界充电电流的作用下会重新变成二氧化铅和金属铅，蓄电池就又处于充足电的状态。正是这种可逆转的电化学反应，使蓄电池实现了储存电能和释放电能的功能。2.1.2铅酸蓄电池的性能参数 铅酸蓄电池的电性能用下列参数量度：电池电压（电池电动势、开路电压、终止电压、工作电压）、充放电特性、容量、内阻、荷电保持能力等。1）电池电动势电池在断路条件下，正负两极间的平衡电势之差，即为电池的电动势。电池电动势的大小由电池中进行的反应性质和条件决定，与电池的形状、尺寸无关。铅酸蓄电池的标准电动势为2.04v。2）开路电压电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压等于电池的正极的电极电势与负极电极电势之差。铅酸蓄电池开路电压可由与电解液的密度关系计算得到： （2-1）式（2-1）中，V是开路电压；是在铅酸蓄电池电解液温度下，电解液的密度；是在铅酸蓄电池电解液温度下，水的密度。3）工作电压工作电压指电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称放电电压。在电池放电初始的工作电压称为初始电压。电池放电时电压下降到不宜继续放电时的最低工作电压称为终止电压。电池在接通负载后，由于欧姆电阻和极化过电位的存在，电池的工作电压低于开路电压。4）容量电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C表示。常用的单位为安培小时，简称安时(Ah)或毫安时 (mAh)。电池的容量可以分为理论容量，额定容量，实际容量。理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah/1或Ah/kg。实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为Ah，其值小于理论容量。额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。5）内阻电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化与浓差极化。内阻的存在，使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时端电压高于电动势和开路电压。电池的内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度而不断地改变。欧姆电阻遵守欧姆定律，极化电阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系，常随电流密度和温度都在不断地改变。6）电池的使用寿命在规定条件下，某电池的有效寿命期限称为该电池的使用寿命。蓄电池发生内部短路或损坏而不能使用，以及容量达不到规范要求时蓄电池使用失效，这时电池的使用寿命终止。蓄电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限是指蓄电池可供使用的时间，包括蓄电池的存放时间。使用周期是指蓄电池可供重复使用的次数。2.1.3铅酸蓄电池的充放电特性在充电开始时，由于硫酸铅转化为二氧化铅和铅，相应的有硫酸生成，因而活性物质表面硫酸浓度迅速增大，因此，电池端电压急剧上升。当达到一定程度后，由于扩散使活性物质表面及微孔内的硫酸浓度不再急剧上升时，端电压也就上升的较缓慢。这样，活性物质逐渐从硫酸铅转化为二氧化铅和铅，活性物质的孔隙也逐渐扩大，孔隙率增加。随着充电的进行，逐渐接近于电化学反应的终点。当极板上所存硫酸铅不多，通过硫酸铅的溶解，提供电化学氧化和还原所需的铅离子极度缺乏时，电化学反应的极化增加，这时正极的电极电势变得很正使得氧气大量析出。负极的电极电势变得很负，达到析出氢的电势，结果充电的电池端电压迅速升高，大量气体析出，进行水的电解过程。需要指出，尽管在电解液中具有较高的氢离子浓度，以及氢气/氢离子的平衡电势比铅/硫酸铅还大，但由于氢在铅上具有很高的超电势，所以在充电过程中主要进行铅离子的还原，而不是氢离子的还原，只有在充电后期方有氢的析出，如有比氢超电势低的杂质存在于极板的表面，其结果是充电终期端电压低下，充电不完全。最初活性物质微孔中的硫酸浓度与极板外部主体硫酸浓度相等。电池的端电压（开路电压）与此硫酸浓度相对应。然而放电一开始，活性物质表面处的硫酸被消耗，浓度立即下降，而硫酸由溶液主体向表面的扩散过程缓慢，不能及时补偿所消耗的硫酸，故活性物质表面的硫酸浓度继续下降，而决定电极电势数值的正是活性物质表面处的硫酸浓度，结果导致电池的端电压也急剧下降。但随着活性物质表面硫酸浓度的降低，造成了主体溶液浓度之间的浓度差别，促进了向表面的扩散过程，于是活性物质表面及微孔内的硫酸得到补充。在一定电流放电时，单位时间消耗的硫酸量基本上可由扩散来的硫酸予以补充，所以活性物质表面处的硫酸浓度较稳定，从而端电压也较稳定，但由于硫酸的被消耗，整体的硫酸浓度降低，活性物质表面的硫酸浓度也缓慢下降，故电压缓慢下降。另一方面，在此期间正、负极活性物质二氧化铅和铅也逐渐转变为硫酸铅，随着放电反应的进行，硫酸铅也逐渐向活性物质深处扩展，加之硫酸铅的生成使活性物质孔隙率降低，硫酸从极板外部到活性物质微孔内部的扩散越来越困难。硫酸铅的导电性不良，电解液电阻的增加，这些原因的综合，最后出现端电压的急剧下降，达到所规定的终止电压。2.2常用充电方法的研究2.2.1蓄电池充电理论充电的目的是恢复电池电能，除非充电器和电池构成的工作组处于浮充模式，否则充电期间电池无法行使自己的职能(向负载供电)。电池容量为定值，充电时间短意味着充电电流大。如果充电电流过大，将产生过充电反应造成内部压力过大，电池体温度过高，活性物质化学性质发生改变，从而损坏电池。充电的快速性和避免电池的损坏是实现电池充电所面对的两个相互矛盾的问题。电池充电的过程实质是其内部化学反应的过程。提高化学反应速度有两种方式，一是改进电池的结构以降低其内阻和提高反应离子的扩散速度，二是改进充电方法，本次毕业设计主要是考虑充电方法。在任意时刻的电池能够接受的充电电流可以表示为; （2-2）式（2-2）中，为任意时刻的充电电流，为开始充电时的电流值，A为充电接受比。可以看出，充电电流按指数规律下降，如果按这个规律充电的话，可以大大缩短充电时间并且对电池的容量和寿命没有影响。2.2.2充电方法传统的充电方法有三种:恒压充电、恒流充电、先恒流后恒压充电。1）恒压充电使用恒压源直接为电池充电，它是利用开口蓄电池在充满电时，充电电压突然跃升的现象设计的，因此它只是适用于开口蓄电池，而不能用这种方法为密封蓄电池充电。这种充电方法只考虑电池电压这一单一状态的变化，不能有效的反映电池的整体充电状况。它的起始充电电流过大，往往造成蓄电池的损坏。2）恒流充电使用恒定的电流源为电池充电，充电速率相对来讲都比较低。根据充电速率的大小，又可分为以下几种情况:浮充充电:又称涓流充电，一般充电速率在C/50以下。标准充电:一般充电速率在0.IC左右，充电时间大约在14H左右。快速充电:一般充电速率在0.3C以上，充电时间大约在3H左右。以上的快速充电与标准充电是相对而言的概念，并没有严格的划分。人们有时还根据速率的大小，将快速充电又划分出一般快速充电(3H到5H)和高速充电(小于3H)等。在恒流充电方式中，高速充电几乎是不可能的，一般的恒流充电也只适合于0.3C以下的充电速率。3）先恒流后恒压采用前期恒流后期恒压的方法，这样既避免了恒压充电开始时电流过大，也避免了恒流充电时间过长和电池的过冲。4）快速充电快速充电仍然是限流恒压式，因此只要充电电流不超过蓄电池可接受的电流，蓄电池内部就不会产生大量的气泡。就可以采用快速充电技术。所谓快速充电的理论依据是在整个充电过程中能使实际充电电流始终等于或接近于蓄电池可接受的充电电流，则充电速度就可大大加快，而且出气率也可控制在很低的范围内。3 车载充电器的设计方案3.1充电器的主要设计要求和指标充电器的主要设计要求是设计一种电动车车载充电器，它能对48V/200AH的动力电池组进行安全智能充电,充电过程中能对电池的电压、电流等参量进行测量和显示，并能对动力电池组的剩余容量进行估算。车载充电器与开关稳压电源的技术指标和相关特性如下:l)输入单相电压50Hz士10%，有效值波动范围:220V20%，所以，有效值VminVmax：176V264V；2)输出直流电压:额定电压为 +48V，允许调节范围48V60V；3)输出最大电流:30A，允许调节范围0A30A；4)开关频率:30kHz；5)纹波系数不大于0.2%；6)电源总效率不低于80%；7)功率因数不低于0.9；8)最大输出功率: 额定输出功率: 9)最大输入功率: 额定输入功率: 10)最大输入电流: 额定输入电流: 11)散热方式:风冷；3.2充电方法的选择蓄电池快速充电技术在充电过程中，只要充电电流不超过蓄电池可接受的电流，蓄电池内部就不会产生大量的气泡。而常规充电一般采用先恒流、后恒压的两阶段充电法，在充电过程初期，充电电流远远小于蓄电池可接受的充电电流，因而充电时间大大延长；充电过程后期，充电电流又大于蓄电池可接受电流，因而蓄电池内产生大量的气泡。但是，如果在整个充电过程中能使实际充电电流始终等于或接近于蓄电池可接受的充电电流，则充电速度就可大大加快，而且出气率也可控制在很低的范围内。这就是快速充电的基本理论依据。然而，在充电过程中，蓄电池中产生的极化电压会阻碍其本身的充电，并且使出气率和温升显著升高，因此，极化电压是影响充电速度的重要因素。由此可知，要想实现快速充电，必须设法消除极化电压对蓄电池充电的影响。从极化电压的形成机理可以推知，极化电压的大小是紧随充电电流的变化而改变的。当停止充电时，电阻极化消失，浓差极化和电化学极化亦逐渐减弱；而如果为蓄电池提供一条放电通道让其反向放电，则浓差极化和电化学极化将迅速消失，同时蓄电池内温度也因放电而降低。因此，在蓄电池充电过程中，适时地暂停充电，并且适当地加入放电脉冲，就可迅速而有效地消除各种极化电压，从而提高充电速度。近几年，电动车普遍使用了所谓三段式充电器，因此在本次设计中，也选择了三段式充电器。第一个阶段叫恒流阶段，第二个阶段叫恒压阶段，第三个阶段叫涓流阶段。从电子技术角度针对电池而言：第一个阶段叫充电限流阶段，第二个阶段叫高恒压阶段，第三个阶段叫低恒压阶段比较贴切。第二阶段和第三阶段的相互转换是由充电电流决定的，大于某电流进入第一第二阶段，小于某电流进入第三阶段。这个电流叫转换电流，也叫转折电流。关于三段式充电器的三个关键参数：第一个重要参数是涓流阶段的低恒压值，第二个重要参数是第二阶段的高恒压值，第三个重要参数是转换电流。这三个重要参数与电池数目有关，与电池的容量Ah有关，与温度有关，与电池种类有关。涓流阶段的低恒压值的参考电压为56.7V左右。此值高将使电池失水，容易使电池发热变形；此值低不利于电池充足电。高恒压值的参考电压为59.5V左右。此值高有利于快速充足电，但是容易使电池失水，充电后期电流下不来，结果使电池发热变形；转折电流取0.025C=5A，此值低不利于向涓流阶段转换。3.3充电停止控制方法的确定目前，国内大部分充电电源仍采用主充、均充、浮充三阶段充电法实现对蓄电池的充电。充电各阶段的自动转换方法有： 1）时间控制，即预先设定各阶段充电时间，由时间继电器或CPU控制转换时刻； 2）设定转换点的充电电流或蓄电池端电压值，当实际电流或电压值达到设定值时，即自动转换； 3）采用积分电路在线监测蓄电池的容量，当容量达到一定值时，则发信号改变充电电流的大小。 上述方法中，时间控制比较简单，但这种方法缺乏来自蓄电池的实时信息，控制比较粗略；容量监控方法控制电路比较复杂，但控制精度较高。 在对蓄电池进行充电时，必须随时判断蓄电池的充电程度，以便控制充电电流的大小。判断充电程度的主要方法有： 1）观察蓄电池去极化后的端电压变化。2）检测蓄电池的实际容量值，并与其额定容量 值进行比较，即可判断其充电程度； 3）检测蓄电池端电压判断。当蓄电池端电压与其额定值相差较大时，说明处于充电初期；当两者差值很小时，说明已接近充满。停充控制的方法有：1）定时控制采用恒流充电法时，电池所需充电时间可根据电池容量和充电电流的大小很容易地确定，因此只要预先设定好充电时间，一旦时间一到，定时器即可发出信号停充或降为涓流充电。定时器由单片机承担其功能。这个主要在浮充（降为涓流充电）时，控制一定时间然后停充。如果在整个充电过程都采用时间控制，可能会出现有时欠充、有时过充的现象。2）电池端电压负增量控制一般而言，当电池充足电后，其端电压将呈现下降趋势，据此可将电池电压出现负增长的时刻作为停充时刻。 3.4充电器设计方案的确定电动车车载充电器以ATmega16作为实时监控和中心控制单元,采用PWM DC/DC全桥变换器作为主电路,使得该充电器能够根据蓄电池的充电特性自动调节输出电压、电流,进行智能充电,并且能够对充电器的运行状态进行实时监测,包括电压电流以及剩余容量的检测和显示，若有异常,能及时地进行保护。1）LCD1602液晶显示功能：可以一目了然的显示充电器在充电时的电压电流以及剩余容量。2）自动调节输出电压电流功能：通过单片机产生的PWM的信号经过功率放大隔离，然后驱动MOS管，进而控制四只MOS管构成的DC/DC全桥逆变器，来对蓄电池进行恒压和恒流的智能充电。3）串行通讯功能：可以将蓄电池在每次充电的数据传输到计算机或者主控制器，可以将蓄电池的充电程度和充满的容量记录下来，根据分析调节蓄电池的充电电压和电流的预设值，延长蓄电池的寿命。使用ATmega16控制的电动车车载充电器设计方案的系统原理如图3-1所示：图3-1 电动车车载充电器的系统框图1）单相桥式整流电路电路是由四只整流二极管接成桥式，故有桥式整流之称。单相桥式整流电路是把220V/10A的交流市电转化为单向脉动性的直流电，由于整流后有许多纹波，因此在桥式整流后要加一个滤波电容，目的是除去整流输出电压中的纹波。2）DC/DC全桥逆变全桥逆变器的主电路是由四只功率管，四只反并联二极管和输出变压器等构成。本设计采用全桥逆变双极性控制方式，负载为电感，功率管为脉宽调制（PWM）工作方式，在开关周期的前半周功率管Q1和Q4导通，在后半周功率管Q2和Q3导通，当变压器副边开路时，变压器原边电压是一个方波。3）全波整流电路全波整流电路是接在DC/DC全桥逆变的后的变压器的副边的，有两只二极管组成，目的是将变压器原边的方波电压转换为直流方波电压，再经一个输出滤波把高频分量滤去得到一个平直的直流电压，用它为电动车车载充电器充电器充电。4）电压电流采样回路因为在充电过程中需要进行恒压或者恒流控制，因此我们通过两个大电阻对蓄电池进行分压，得到一个电压信号，然后通过一个电压跟随器和一个线性光耦隔离，再通过一个二阶低通滤波电路，最后把信号输入单片机，通过霍尔传感器对充电电流进行采样，把采样得到的信号送入单片机。5）单片机控制电路系统控制核心为ATmega16，通过单片机的A/D把采样的电压电流信号进行处理，将处理的后的值与设定值比较，选择恒流还是恒压，并输出PWM信号去驱动MOS管，确定此时蓄电池的剩余容量和电压电流并用LCD1602液晶显示，还可以通过RS232通讯接口把电池的充电情况传输到电脑或者主控器。6）MOS管驱动电路由于单片机产生的PWM方波脉冲的电压在05V之间，不能直接驱动我们的MOS管，需要将产生的信号电压放大。又因为选用了全桥变换器作为主回路的DC/DC转换，那样的话必须将控制回路与主回路进行一定的隔离。综合考虑了这两种情况后，选用TLP250光耦。TLP250既可以光耦隔离，也可以直接驱动MOS管和IGBT。它是推挽式的输出，驱动电流最大1.5A，二极管的前向导通电流=10Ma。7）LCD1602液晶显示电路将采集到的电压电流信号经单片机处理后，用RS,RW,E作为位选控制， D4D7传输要显示的数据，数据线和位选线直接接AVR ATmega 16单片机的I/O口即可，因为I/O口输出电流很小不会对LCD造成损坏，它的电压值却足以驱动LCD，这不像别的单片机还要外接驱动电路和电阻，采用AVR ATmega 16单片机大大简化化了设计过程和硬件电路。8）串行通信串行通信时数据是一位一位的传输的，虽然速度会慢一些，但传输距离长，硬件电路简单。串行通信接口标准采用RS232标准，由于单片机定义的逻辑1是5V，逻辑0是0V，而RS232的逻辑1在-3V-15V，逻辑0是+3V+15V，因此我们采用MAX232芯片转换接口进行转换，发送接收数据接口采用交叉连接。本次车载充电器要实现的基本功能自动的调节电压和电流进行恒压和恒流充电，在进行充电时把采样得到的电压和电流进行显示，并进行充电计时，然后根据充电计时和采样电流估算电池的充电容量。通过串行通信，可以将得到的电流电压和容量的数据传输到主控制器。要想不欠充和过充，必须知道电池充电前的剩余容量，根据剩余容量选择合适的充电方法。在确定剩余容量的方法中可以通过小电阻大电流放电法，也可以通过浓度测量的方式来检测；在判断电池新旧是可以通过串接滑动变阻器，采用伏安法，通过得到的伏安曲线推算出电池内阻，根据电池的内阻的大小可以判断电池的新旧；通过判断电池的端电压，可以知道电池是否是过放电。所以可以加上人机交互的方式来判断，尤其是前两种检测方式，可以在停车充电前进行检测，选择充电方式或者更换电池。4 充电器的硬件设计在车载充电器的硬件设计主要包括有主回路的设计，控制及驱动回路的设计，电压电流采样回路的设计，RS232串行通讯的设计和辅助电源的设计。4.1主回路的设计和实现4.1.1单相桥式整流和全波整流整流主要是利用二极管的单向导电性将交流电变成直流电。常见的整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流，使用最多的是全波整流和单相桥式整流。在本次车载充电器的设计过程中用到的全波整流电路如图4-1所示：图4-1 全波整流图图中的D5和D6是两只整流二极管，电池是全波整流电路的负载，T1是高频变压器。该变压器的次级线圈有一个抽头，且为中心抽头，这样抽头以上和以下次级线圈输出的交流电压大小相等。该电路的工作原理是在T1初级线圈输入正电压时，T1次级线圈的上端使D5导通，导通后的电流回路是：次级线圈上端整流二极管D5经电感和电容滤波电池次级线圈中心抽头次级线圈上端。在线圈上端输出正电压时，下端输出负电压加到整流二极管D6的正极，使D6反向偏置，处于截止状态。在T1初级线圈输入负电压时，T1次级线圈的下端使D6导通，导通后的电流回路是：次级线圈下端整流二极管D6经电感和电容滤波电池次级线圈中心抽头次级线圈下端。在线圈下端输出正电压时，上端输出负电压加到整流二极管D5的正极，使D5反向偏置，处于截止状态。对于单相桥式整流电路的分析与全波整流电路基本一样，都是将交流电压转换成单向脉动性的直流电压，然后经滤波后给蓄电池充电。单相交流电输入以后，直接采用整流桥进行整流。流经二极管的平均电流:,二极管承受的最大反向电压:考虑到实际工作时要留有足够的余量，因此，选用的整流桥型号是GBPC3506，其额定电流和额度电压分别为:35A/600V。本电源的开关频率为30KHz，单路最高输出电压为60V，最大输出电流为30A。输出电压和电流都比较低，对二极管的耐压要求不是很高，且考虑到高效率和低纹波，本电源采用全波整流电路。对额定电流的选取，整流管中可能流过的最大电流为: （4-1）将代入上式后可以得到=33A。对额定电压的选取，由于电源副边采用变压器中心抽头的全波整流电路，整流管承受的最大方向电压为=220V，考虑到由于整流开关的电压振荡，为了留有足够裕量，根据上面的计算，可以选用HFB50HC20,其额定电流和额度电压分别为:50A/200V。4.1.2开关变换电路拓扑结构的选择直流开关电源变换器按其输入与输出是否进行电气上的隔离，可以分为非隔离式变换器电路和隔离式变换器电路。在隔离式变换器中，应用双极型晶体管作为开关且开关管自身起着振荡元器件作用的有自激式变换器和他激式PWM变换器，下面主要介绍一下他激式变换器中的单端反激式、单端正激式、推挽、半桥、全桥变换器的主要特性与应用场合。单端正激式变换器的主要特性是开关管导通时传输能量至输出；在相同下，输出功率是反激的2倍；在D=0.5时变压器的匝数比约为反激的2 倍；变压器无需加气隙；需要加去磁能量复位电路；电路较反激复杂，增加去磁外，还多一只滤波电感和续流二极管。主要适用于纹波电压小的中小功率场合。单端反激变换器的主要特性是开关管开通时，变压器一次侧储能，关断时能量传输至输出；在相同的下，输出功率是正激的1/2；在D=0.5时匝数比是正激的1/2；而一次侧峰值电流为正激的2倍；反激中高频变压器相当于一个耦合电感；变压器必须加气隙，尺寸大；电路简单，且易于多路输出及并联扩容。主要适用于纹波大，指标要求不严的小功率场合。推挽变换器的主要特性是变压器磁芯双向磁化，利用率较单端高；在相同的下，输出功率是正激的2倍；驱动电路负端可相连于公共端共地；当驱动参数及开关器件特性不一致时，有发生偏磁的可能性；要求开关器件的电压应力较高。主要在低电压输入，如24V、48V、12V等直流输入下使用优点显著。半桥变换器的主要特性是变压器利用率高；开关管承受电压应力低，可以做到与输入电压Vin相等；当驱动参数不对称，开关器件参数不一致时，有偏磁可能；漏感会引起占空比丢失；在相同的下，输出功率与单端正激相当。适用于输入电压高，中等功率场合。全桥变换器的主要特性是变压器磁芯双向磁化，利用率高；开关管承受电压应力低，可以做到与输入电压Vin相等；在相同的下，输出功率比半桥高出一倍；同半桥相同的原因，有偏磁的可能性；驱动电路复杂，四组均需隔离；开关器件比半桥多出一倍。适用于输入电压高，输出功率大的场合。通过以上的各种开关变换器的主要特性和应用场合可知，由于开关管承受的电压应力低，因此全桥最适合于高输入电压大功率的应用场合，所以根据本次车载充电器的设计要求，最好选用全桥变换器。图4-2为在本次设计的主回路原理图：图4-2 主回路原理图图中的全桥变换器是由桥式整流滤波后，提供直流电压。它是由四个MOS管组成，每一个桥臂有两只开关管。高频变压器的一次侧接在两桥臂的中点对角线上，在电路形式上像一个电桥，且每个桥臂均用有源功率开关器件组成，故称全桥变换器。从图中可以看出，四个MOS管Q1Q4构成桥式电路，与其并联的四只二极管D1D4用于能量恢复，还可以清除漏感产生的部分瞬时过电压。串接在高频变压器一次绕组中的电容器C17，用于隔离直流成分，防止磁饱和发生。全桥变换器的控制方式有双极性PWM控制、有限双极性PWM控制和移相控制，在本次充电器的控制过程中，我选择了传统的双极性PWM控制。所谓的双极性PWM控制也就是在半周期时Q1和Q4导通，同时Q2和Q3截止，在另一个半周期时，Q2和Q3导通且Q1和Q4截止。仅有的不同是高频变压器的一次侧的电压电流的极性不同。因此，我们只讨论半周期的双极性PWM控制方式的工作原理。双极性PWM控制方式的工作原理是： 在PWM_1_1和PWM_1_4有方波脉冲输入时，在时，驱动MOS管，使Q1和Q4导通，单相桥式整流滤波后产生的电压Vin加在高频变压器的一次侧，忽略C17隔直电容的电压降，则在二次侧产生的电压为kVin，整流二极管D5导通，L1储能的同时，C2给电池充电。在一次侧电流线性增长的同时，电感L1中的电流也线性增长，在导通期间内，电感电流L1的增长量可表示为： （4-2）在时，Q1和Q4截止，在内全桥变换器的四个开关管均截止，进入死区时间。在Q1和Q4截止时，一次侧和二次侧电感电流均要维持原来的流动方向。由于漏感的存在，此时一次侧的电压极性反相，使整流二极管D6导通，当流过D5和D6的电流相等时，二次绕组电压因合成磁势为零变为零，一次绕组电压也被钳位在零，一次侧电流线性下降，当一次侧电流下降为零时，整流二极管D5和D6仍然继续为电池充电，而续流二极管D2和D3截止，漏感引起的复位电位回到零。在死区时间内，电感电流在Vo的作用下，线性下降。在期间内，电感L1电流的减小量可以表示为： （4-3）在半个周内，电感电流的增加量应与减小量相等，即： = （4-4）解上述等式，可得电流连续时输出电压Vo可以表示为： （4-5）四个开关管承受的电压应力为：续流二极管承受的电压应力为： 全桥变换器也存在直流偏磁导致饱和的问题，在变压器一次侧中串接隔直电容C17，C17上的压降为: （4-6）将12.8A,D=0.5,=1/30000S,Vin=220V,代入上式，可以得到C172.42uF。4.1.3开关器件的选