锂离子电池充电介绍及充电不当对电池的影响

邢凤宝：电动汽车车载充电机设计II前言电动汽车车载充电机是现代电力电子技术发展的产物。当今世界上，由于人口大量增加，对于能源的需求很大。而能源的主要来源是化石能源，化石能源最大的生产地区是中东，自从中东石油危机后，人类就致力于清洁能源的开采。因为清洁能源消耗后，不会对环境造成污染。近几十年来，由于环境问题，造成了海平面上升，有很多岛屿国家面临着被海水吞噬的危机。而这些对环境造成危害的气体，有很大一部分是来源于汽车尾气。随着家用汽车的日益增多，尾气的排放量也在逐年增长。所以发展一种节能减排的电动汽车，可以很有效的解决以上的问题，减少对环境的破坏。要想让电动汽车能源转换高，就要提高充电机的效率。充电机在目前为止，分为固定在充电站的充电桩，和车载的充电机。前者适用于电动公交车等大型车辆，后者适用于小型家用电动汽车。本设计是随车型的车载充电机，车载充电机外形小，集成度高，内部集合了电力电子器件。车载充电机实现对电池组的充电，需要与电动汽车内部的电池管理系统通信，传递锂离子电池组的电压电流信号。由充电机的控制中心进行控制。锂离子电池组的最佳充电方式为三段式充电，本设计的目的就是为了实现对锂离子电池组的三段式充电而进行的，保证了锂离子电池组的使用寿命，在能源方面也提高了能源的转换效率。1绪论当今世界，传统的化石能源燃烧产生的气体使海平面上升，臭氧层遭到破坏，紫外线加重。我们知道，现在我们的家用车还是以燃烧化石能源提供能量，但是，自从中东地区石油危机后，化石能源也在不断地减少。所以，在汽车用能量方面，找一种清洁能源来代替传统的化石能源是迫不及待的。发展电动汽车，依靠电能来驱动汽车，就较少了很多温室气体的排放，人类的生存环境还可以得到大大的改善。我们知道电能是二次能源，通过其他形式的能转换而来，那么就会考虑到转换率等问题，但是，电能可以来源于风能，地热能，潮汐能等很多再生能源，这就在很大方面上减少了温室气体的排放，保护了环境的同时，又减少能源的消耗。电动汽车是主要的节能车，其具有低排放、能源结构合理化和优越的节能等特点成为汽车工业研究、开发和运用的焦点[1]。电动汽车通过电来驱动，很大程度上节约能源，因此开展前景广阔。本设计就是为电动汽车提供充电的一种车载充电机，它是把电能转换为其他形式的能，这里的电能大多来源于发电厂发出的交流电。要想达到较少非可再生能源的消耗，大程度上的保护环境，那么，发电厂就应该大力倡导用清洁能源。传统的汽车采用石油来作为能源，新能源汽车采用电能，这样就能减轻传统汽车能源非清洁能源消耗严重的问题。随着技术的发展，为电动汽车充电技术不断成熟，转换效率也得到了很大程度上的提高。虽然我国是能源消耗大国，但是我国各个发电厂所发的电量，有很多是用不完的。所以要想不让能源浪费，最好的办法就是用于人类。发展电动车辆，为电网在波谷是电量剩余时削峰填谷就提供了非常好的有效途径，而削峰填谷的最有效的方法之一就是建立起来智能化电网。据专家分析，中国电网的剩余谷电电量可满足7000多万辆电动汽辆的同时充电需求。1.1国内研究现状目前，我国有很多车载充电器和充电桩公司的产品已出口到国外[2]。我国整体充电机效率很高，在世界舞台上能占有一席之地[3]。充电效率已超过95％。这种能量转换效率使得该公司的产品硬件和软件设计非常符合AUIOSAI，但电动车电池组的容量正在逐步增加，在6~8小时内实现充满。也就是说，当纯电动车辆在夜间达到完全充满电，需要配置具有比以前大得多的功率的车载充电器。在纯电动乘用车中，包括车载充电器的控制器（单片机微计算机）和诸如DC/DC隔离转换器的必要原件的结构部件构成车载充电器。考虑到集成和经济方面的原因，组件是合理集成的，因此具有多种充电模式的控制器与DC/DC转换器集成，电动车充电器控制器和锂离子电池组件集成是功能集成的一种形式。产品开发过程非常复杂。它通常由电机控制器的制造商主导，以将DC/DC转换器与板载充电器集成在一起的。它是功能模块集成的另一种形式。产品开发过程通常由车辆电源的制造商主导[4]。电机控制器和电动车载充电器的集成是一种复杂的功能集成。产品开发过程通常由汽车公司主导，我国对于充电机和充电桩的电能计量也达到了国际水平[5]。目前，车载充电器主要用作独立设备供应新能源电动汽车。在当今竞争日益激烈的时代，许多车载充电器公司已开始提供集成产品。我国生产的电动汽车车载充电机在世界的舞台上完全可以占有一席之地。生产的充电机的效率大部分都集中在93%~95%之间，某些公司生产的产品甚至可以达到98%的效率。具有代表性的就是迪龙科技有限公司，此公司是我国重点高新技术产业公司，它非常注重产品的高新技术性，在高端技术产业，发展了很多项目。在车载充电机方面，该公司早在2007年就致力于高效率电动汽车车载充电机方面的研发，由于研发起步早，研究成果就很高。根据相关文献中提到，我国的充电站大多集中在城市中，用于给电动汽车充电[6]。该公司也在此方面做出了贡献1.2国外研究现状说道国外车载充电机技术的发展，我们都知道，德国是工业大国，早在二战后就着手开始致力于清洁能源方面的研发。国外的车载充电机技术比国内开始早，但是在研发成果方面进度却比不上国内。但是德国的北宁公司和德润电子公司，在车载充电机方面技术比之于国内还是高很多。综合来看，国外品牌在中高端车型上配套较多，国内品牌在中低端车型.上配套较多。目前，国内车载充电机企业开始注重技术研发，引进国内先进的电源电气技术，对行产品进行升级，以适应新能源汽车行业发。目前，国内车载充电机企业开始注重技术研发，引进国内先进的电源电气技术，对行产品进行升级，以适应新能源汽车行业发。充北宁AGVSafe系列铅酸蓄电池充电机是以高频开关电源为核心，主功率变换器应用了高频高导磁纳米晶变压器，微电脑控制的智能化全自动充电机。高新技术的应用，提高了整机转换效率。产品具有高效、节能的显著特点，相比传统充电机节电20%~30%。2锂离子电池充电介绍及充电不当对电池的影响2.1锂离子电池介绍研究表明，锂离子蓄电池区别于聚合物锂离子蓄电池的不同点在于，前者的能量更高，有更高的比功率，寿命也很长长，污染被限制在国家环境的规定范围内等优点，因此就被认为了是最有希望的电动车车载用电池。但是遇到火或氧化剂时。容易发生化学反应使电池损坏。研究表明，产生这类危险情况发生的原因在于充电不当，或者对电池保管不正确，正确的充电方法和妥善的保管措施，可以极大地降低这类情况的发生。如果说运用恰当的充电方法和妥善的保管措施的话，它们有很大概率被应用在高端电动车的电池，也打破了只能是铅酸蓄电池应用在电动汽车车用电池的格局。2.2充电不当对电池的影响2.2.1欠充电对蓄电池的影响三段式充电结束时，便是浮充充电，这时候要设置浮充电压。本设计是单体4.1，总体389.5，一旦设置过低的话，对电池就会有不良影响，电池就会长期处于充不满的的状态，在这种情况下不仅极板间会有大量的有效物质在这过程中大量减少，而且能量损耗很大，也使电池的内阻很大程度上增加。活性物质在受到长期低电压影响后，会迅速的下降，电池质量遭到破坏。还会进而形成阻挡层，电池的内阻很大程度上增加。最终电池就达不到预期的使用时间，提前淘汰。所以充电时电池就不能长期处于欠充电的状态。2.2.2过充电对蓄电池的影响如果设置的浮充电压高于389.5，这时电池组的在第三阶段的充电电压过高，处于过充电的状态。在这种情况下，电池组的阳极产生的气体量，比如说金属蒸汽，会散发到阴极，两级之间会形成导电通道，负极的自由电子就会飘逸到阳极。造成短路，会产生大量热量，损耗立即增大。另外过度充电，由于过度放电的现象，阴极和阳极板间的活性物质也下降。此情况下，最终电池就达不到预期的使用时间，提前淘汰。所以充电时电池就不能长期处于过充电的状态。2.3三段式充电三段式充电是目前为止给锂离子电池充电的最佳方法。应用三段式充电，通过合理的控制，电池组既不会长期处于过充或者欠充电的状态，可以有效的延长电池的使用寿命。通过上面分析电池组的过冲和欠充电能力都比较弱。不管是过冲还是欠充电都会使电池的容量迅速下降，进而造成电池的寿命严重缩短。要想达到合理的控制充电过程，并判断段与段之间过度条件，本设计采用电池管理系统传递电池所处的状态，把信息传递给充电机进行控制，二者配合起来完成充电的方式。本设计就是采用这种方式来对锂电池组进行充电的。图2-1三段式充电图Figure2-1Three-sectionchargingdiagram下面分别介绍一下三段式充电的具体过程第一阶段：第一阶段，电池组在经过长时间放电以后，它的容量在这一阶段达到低谷，两端的电压也很小，这时，考虑到充电效率等方面，需要对电池组实行快速充电，是容量和电压得到最快速度的恢复的一个阶段。电池组电流的大小就可以根据锂电池组的容量进一步确定，一般为0.1倍的容量。在恒流充电过程中。达到什么条件才可以进入到第二阶段恒压充电，这就依靠电池管理系统判断单体电池电压达到4.2时才能进入第二阶段给电池组进行充电。第二阶段：第一阶段结束以后，电池管理系统与充电机间通信，使主功率电路输出进入第二阶段恒压充电。在电池电压就会得到迅速的上升后，单体升高到4.1，总体是399。通过第二阶段充电以后，锂离子电池组电池容量基本可以达到80%~95%，或者更高，但是并没有充满，所以还需要第三阶段的补足充电，要想判断第三阶段的结束点，还是需要电池管理系统传递单体电池电压的大小，当电池组的单体电池减小到4.1，总体398.5时，BMS通过与单片机通信传输数据，由单片机控制恒压充电阶段结束。第三阶段：第二阶段结束后，电池组容量还没达到100%，容量的不足会影响到电动汽车的续航能力。这时，就需要第三阶段以4.1的电压对电池组充电一小时后，自动断开充电，就会使使蓄电池组保持在充满的状态。3车载充电机系统设计3.1电动汽车车载充电机结构本设计中，对锂离子电池组充电电压需要控制在0~399V，电流在0~10A范围内变化的直流电，而且还不能有交流成分的干扰。而系统的输入是220V的交流家用电，如何把220V的交流家用电转变成满足电池组充电的直流电，就需要图3-1所示的流程。交流市电经过桥式整流电路后，变为含有少量成分的直流电，经过滤波电感和滤波电容滤掉少量的交流成分。但是这直流电是不可控的，就不能满足电池组三段式充电的需要。要想得到满足要求的并且可控的直流电，DC/DC变换电路必不可少，此电路采用双桥臂绝缘栅型IGBT，通过控制栅极，就可以达到输出可控的目的，但是此此变换后，要想达到控制精度，还需要经过隔离变压器，调节变比K，可以二次调节输出电压大小。要想达到智能化控制，在经过控制器的处理来控制IGBT的占空比，最后控制充电的整个过程。具体转换以及控制过程如图3-1所示图3-1充电机结构图Fig.3/1chargerstructurediagram3.2主功率电路拓扑结构的选择3.2.1单级式拓扑所谓的单级式结构，就是输出电压或电流只能经过一次变换，图3-3为单级式拓扑结构电路图，220的交流市电作为系统的输入，经过不可控整流桥后变带有少量成分交流的直流电，在经过滤波变为直流电，4只IGBT组成两个桥臂互补导通，组成逆变电路，将电压升高，防止与电压与电流曲线出现重叠区，补偿死区。输出功率可以达到1.7，功率较高，但是达不到本设计所需要的输出功率的要求。但是它也有很多优点，比如说可以实现零电压的关断，具有很好的软开关特性，能量损耗很小，但是在另外一方面，本设计还考虑到安全性，该拓扑不但不能满足输出功率的需求，而且不采用高频隔离型变压器，还没有电气隔离环节，这就造成安全隐患，故本设计不采用单级拓扑结构。图3-2单级式拓扑结构图Figure3-2Single-stagetopologydiagram3.2.2两级式拓扑两级式拓扑就是在单级式拓扑结构基础上另外增加了一级变换电路，而且为了满足隔离的要求还出于安全性的考虑，后级DC/DC变换电路采用隔离型高频变压器。两级式结构图如图3-3所示。前一级的由220交流市电变换成直流电过程与单级式拓扑结构变换原理相同，后以及采用了改变变压器变比的方式二次达到输出可调的目的。它不但具有单级式拓扑结构的优点，另外还具备了输出功率高，输出电压范围广，完全达到了本设计输出的要求。故本设计采用两级式拓扑结构。图3-3移相全桥变换器电路Fig.3phase-shiftedfull-bridgeconvertercircuit下面介绍一下全桥变换器的工作原理。4只的端电压以及输出电压如图3-3所示。为了满足，两个桥臂互补导通，和作为一个桥臂，同时导通时。和作为另一桥臂，也同时导通。4只两端电压和输出的电压理论波形如图3-4所示。简单分析一下它们的工作过程，和栅极信号互补和栅极信号也互补，但是和VT3栅极不是同相位，相位差为。在之前的时间内，交流电为正半周，和导通，电流流通路径为电源正级，输出电压大小为，在时刻，栅极信号反向，会马上截止，而不会马上就导通，因为电感电流不会突变，此时电流流通路径为电源--，所以输出电压为0。在时刻，电源电压负半周到来，就会马上截止导通，不会立刻就导通，因为中有续流电流流过，电流流通路径为电源负级电源正级。输出电压为-。等此电流流过LR过零并且开始反向时，和截止时才会导通，电流流通路径为电源负级，输出电压为-。此后的两个时刻也和上述两个时刻过程相同。另外，要想的到符合要求的电压，还可以同过改变变压器变比和改变占空比来调节输出电压的大小。图3-34只调压方式Fig.3/34IGBTvoltageregulationmode设计车载充电机时，很重要的一个指标就是效率，只有效率高，充电机才能受到欢迎。要想提高效率，减小开关管的功率损耗是提高效率的有效途径，开关管的功率损耗，在于开关管在导通时两端电压不为零或者在关断时流过开关管的电流不为零。减小损耗既可以从这两方面入手。分析一下电压电流曲线就可以知道，电压电流曲线是可以有交叉部分的要是有交叉的话，根据=,我们不难知道，此时就便会有有功功率的损耗，因此，要想避免此种情况的发生。就要采用零电压开关(ZVS)技术。ZVS经过多年的发展，是目前世界上发展非常成熟的软开关技术。可以很大程度上较小系统在开关管方面的损耗。把它应用在隔本设计中是非常合理的。此外为了防止IGBT承受反向压降而停止工作，外加二极管。通过在开关管两端并上电容为了软关断的实现。3.3直流可控策略的实现要想达到对电池组三段式充电，就需要一种控制输出电压和输出电流稳定不变的一种控制策略，最终实现三段式充电对电池组进行充电。控制策略之前，需要研究一下充电机系统的性质，通过文献得知，充电机系统是具有很强的非线性。而控制策略在所学范围内有模拟控制和数字控制两种，为了更好的让车载充电机工作。需要比较一下这两种控制的特点。模拟控制就是通过选用各种不同的器件，通过改变器件的参数来实现模拟控制，但是器件很多造成成本很高。再有就是器件之间会相互干扰，还会受到环境温度的影响，模拟精度达不到要求。另外，最重要的是，模拟控制方法适用于小信号的线性系统中，而车载充电机是非线性大信号系统。结合这些原因，本设计不采用模拟控制而采用数字控制的方法。数字控制不但简单而且成本还便宜。简单方面表现在可以通过软件编程的方法实现控制，要是改变充电方式，只需要改变程序就可以达到要求。不像模拟控制那样，通过改变元器件才可以改变方式。结合以上优点，所以本设计采用数字PID为控制策略。3.3.1控制策略为了满足输出恒压和恒流，本设计采用的数字控制是数字调节。它的调节公式为=-，它的发展得到了很多年的技术累积，所以比较成熟且应用广泛[7]。系统结构图如图3-4所示。图3-4控制策略结构图Figure3/4ControlPolicystructureDiagram与做差，得到偏差，在把偏差信号经过比例、积分、微分三个环节线性组合就构成控制量，来而控制被控对象。本设计所涉及到的被控对象为主功率电路输出的电流和电压。在给锂电池组充电的过程中，电池管理系统传给充电机控制器的电压和电流，也即公式中的,接受电压电流信号后就会判断出锂电池组处于哪个充电阶段。之后将主功率电路输出的电流、电压采样值一起传送给充电机的控制器,主控对这些信号进行调节，就会得到一个控制量。这个控制量控制通过控制的占空比，这样就可以控制输出电压的大小，使其与给定值相同。3.3.2控制原理为了控制车载充电机系统的输出电压和输出电流，本文采用电流环和电压环两个单环进行控制。通过电流调节，保证充电机充电过程中的恒流充电（第一阶段）。通过电压调节保证充电过程中的恒压充电和浮充充电（第二、第三阶段）。直流可调全桥变换电路的控制示意图如图3-5所示图3-5控制原理电路图Fig.3/5controlschematicdiagram3.3.3控制算法设计分为3种算法，分别是增量型、位置型和微分先行型。考虑到自己所学的编程和对数字的理解程度，本设计采用增量型调节，增量型调节不需要结算输出值与给定值，只需要二者的差值，通过控制，使二者差为零就可以达到输出恒定的目的。在控制系统里=-(3-1)为给定值，为输出值，做差得到偏差值。控制量是经过比例与积分运算构成，并且控制被控对象。控制关系如下:=[+（3-2）公式中，是积分时间常数，是比例调节系数。上述的控制量是时间上的连续信号，车载充电机对于这类信号是不能实现计算的。要想是想进行控制，需要把上述的信号进行离散化处理，变为间断的信号，因为本设计采样输出电压电流时，是间断性采样。离散化之后的信号传给车载充电机控制器，就能实现增量式计算。通过等效运算来近似求得积分。其等效规则为:（3-2）(k=0，1，2，...)在上述表达式中，采样序列是，采样周期是。可获取的离散表达式：（3-3）第次采样的控制量为，偏差量为。积分系数。（3-4）（3-5）增量型算法原理为：=-（3-6）[-]++[-2+]（3-7）式中为比例放大系数，，为积分和微分时间常数。3.3.4控制流程图3-6增量式PID调节控制流程Figure3/6incrementalPIDcontrolflow控制的软件编程部分见附录。4主电路元件参数计算要想实现对锂离子电池的三段式充电，那么就离不开合适的直流电。220交流市电变为合适的直流电，就要经过主功率电路，转换成稳定输出且可调的直流电。不控整流电路应用在充电机主电路中的输入、输出整流环节中。图3-3中，通过控制四只功率管的导通顺序和的整流、滤波电路将220交流市电，转换成一个直流电。直流电的幅值要满足电池组充电的要求，那么就需要经过两级式拓扑结构电路的变换。得到一个电压很高的交流电。这个交流的矩形波在波经过输出整流桥后，一个直流方波电压就会在两端得到，其幅值为要想得到满足电池组的直流电，得到的直流电压方波最后经过滤波电感和滤波电容构成的滤波电路后，才会满足要求。4.1输入整流元件的设计系统的输入电压为220的交流市电，电网电压是有一定波动的，需要考虑10%的电压偏移，那么输入电压有效值就变为220V10%=198~242，最大值是280~342。设计整流桥时，最重要的指标就是整流桥中电力二极管的安全裕量和能承受的反向压降，取50%的安全裕量即342x(1+50%)=513。承受反向压降为242。在充电机效率最差时取值，此时=0.92,输入功率为2kW,则最大输入电流有效值：解===10.98(4-1)取整流桥额定电流为（1.5~2）/1.57为10.5~14.0。按照晶闸管产品系列参数选取，选30A取整流桥额定电压为（2~3）倍的最大反向电压为为684~1026。所以有上面算得的电压以及电流，选择整流桥时，选用QL1001200的单相整流桥。4.2输入滤波电容元件的设计经过整流后的电压还会含有少量的交流成分，这是就需要电容与案件滤波。电容元件的设计要确定两个量，一是电容的容量选择，二是耐压值的确定。首先确定电容容量，由上面整流部分可以求得输入交流市电电压的有效值是220V10%=198~242,峰值为280~342，那么经过整流滤波后所得到的的电压在空载时是1.4倍的额定电压，满载时为1.2倍的额定电压。故最小值为1981.2=237.6，为满足这个要求，在每个周期中，至少要提供的能量为：解====43.48（4-2）滤波电容在每半个周期提供的能量与整流得到的电压脉动大小之间的关系为解=[-](4-3)由公式4-2和4-3结合可知解===1981.20F(4-4)故本设计中选取的电容为2000的铝电解电容，由于铝电解电容比其他类别的电容更加稳定可靠。4.3滤波电感元件设计对于滤波电感元件的设计，我们需要知道它的作用，滤波电感就是为了滤掉交流成分，220交流电经过整流环节，可以变为直流电，但是这直流电中含有脉动，脉动过大，就会造成危害，因此不能忽略。要想解决这个问题，就需要滤波电容相对比较大的时候，得到的电压的波动范围就比较小。所以在经过整流桥整流后，本设计在此环节之后加入了一个方式为串联的滤波电感，去滤掉交流成分。接下来，对于滤波电感的感抗，我们还需要计算出具体的数值，通过所学知识，感抗的大小，和滤波之后的电压，电的频率，还有滤波电容有关，它们之间的关系如式4-1所示。那么感抗为：解==(4-5)通常情况下，滤波之后输出电压=0.9，将=2π和=1981.20带入，得到=5.06。4.4功率器件的设计对于功率器件设计，本设计需要考虑到输出电压电流可控。选功率器件时，我们选择可控的功率管。全控型器件在自己所学范围内有，和电力，由于绝缘栅型功率开关器件损耗小，导通电压在10~15之间[8]。4.4.1IGBT额定电压的确定选取了功率管后，接下来计算的一些参数，首先计算的额定电压以及耐压值，的额定电压为1.4倍的整流滤波后的额定电压，与上面第一节设计内容可知，整流滤波后的额定电压为242，那么就可以得到IGBT的额定电压为338.8。耐压值为2倍的本身的额定电压为677.6。4.4.2IGBT额定电流的确定计算出的额定电压后，还需要计算出它的额定电流，最后根据耐压值和电流选择IGBT的具体型号，在计算的额定电流时，首先应该求出的电流峰值，选择的额定电流，要大于这个峰值，对于电流峰值的计算可以由公式4-2得出：Ip=xIm=24A（4-2）由以上本设计要求的耐压值677.6和额定电流值24，本设计选择的型号为，它是由公司SIEMENS公司生产的，此型号的 耐压值为1200，额定电流为78，在电压电流方面完全符合本设计的要求并且还留有了一定的裕量。4.5隔直电容设计隔直电容的设计在于二级变换隔离直流成分，要是直流成分存在的话，会使隔离的变压器出现磁饱和现象，一旦这种显现出现，隔离变压器就会饱和，发热，甚至会烧毁变压器。而直流成分的由来有两方面，一是整流后滤波没有完全滤掉，二是4只特性不一样是，也会产生直流电。这种情况下，为了防止直流成分流入变压器，就需要隔直电容，它的值可按照公式4-3和4-4进行计算。通过查找文献电容上电压的波动范围取输入电压的10%[9]。则：解=22010%=22V(4-6）解===27.27F（4-7）4.6谐振电感设计谐振电感的设计在于它要把并联在将降到通的上的电容能量给补充足，进而实现的软开通。本设计中一共有4只共组成两个桥臂，一个是超前桥臂，一个是滞后桥臂，分析一种特殊情况，就是功率管2和功率管4栅极信号反向时，输出电压为0时，这种情况下，要想实现滞后桥臂的，能量只能来源于谐振电感。但是超桥桥臂则不同，实现的能量由滤波电感和谐振电感共同提供，不管是滞后桥臂的还是超桥桥臂实现，都需要谐振电感提供的能量，可见本设计谐振电感的设计必不可少。接下来就是求出谐振电感的感抗，实现滞后桥臂的需要满足：解=(+)(4-8)公式4-5中==，为IGBT结电容，=3nF。解=(4-9)公式4-6中是滞后桥壁关断时，变压器原边电流。由公式4-5和4-6可以求出：解=15.85H（4-10）4.7输出整流部分设计对于输出整流部分的设计，选用二极管组成的单相桥式整流电路。还有一种选择方案，就是采用全波整流变为直流电。但是全波整流应用的电路是电压等级低的场合，而本设计中，主功率电路输出的电压在0~399变化，电压等级在电子电路中是高电压等级。要是全波整流电路应用在本设计中，就会造成损耗增大，效率下降。所以本设计采用适用于高电压等级的全桥整流电路。对于全桥整流电路的设计关键在于二极管的选择方面。我们知道，本设计中经过隔离变压器后的交流电频率为100，周期为0.01，时间很短。所以就必须采用反向恢复时间短的二极管组成单相桥式整流电路。在自己所学的范围内，选择的二极管反向恢复时间为35~85反向恢复时间的型号为FH10M-12F的二极管。此二极管损耗低，频率高，具有其他普通二极管所不能达到的快速恢复性能。4.8输出滤波电路设计4.8.1输出滤波电感计算在整流滞后，还需要滤波环节，率比环节包括电容和滤波电感，首先设计滤波电感。对于滤波电感的感抗计算由公式4-8计算得到。电感的纹波电流的峰值取最大输出电流的0.1倍，充电机的最大输出电流是10，则纹波电流的峰峰值是1。可以按照式4-8计算输出电感:解===778.69H（4-11）公式中为最大端电压，电感在电压为最大时候计算得到：4.8.2输出滤波电容计算对于滤波电容的容抗值计算，首先需要考虑到一种极端的情况，电感的能量会全部传递给电容，这种情况是最恶劣的情况。应该考虑计算值尽量避开这种情况。由能量守恒定律可以得到下面的式子:解=(-)(4-12)我们按照纹波电压为额定电压的1%来确定滤波电容值：解===188.51H(4-13)4.9隔离变压器的选择表4-1为隔离性变压器的相关参数，磁芯采用EE110型号。磁通密度好，涡流损耗小等特点。表4-1隔离变压器相关参数Table4/1isolationtransformerrelatedparameters参数名称符号数值输入电压最小值280/V输入电压最大值320/V最大输出电压400/V最大输出电流10/A效率90%频率20/MHZ最大占空比0.25磁芯型号EEEE110磁芯截面积1296/磁通密度0.3在选择完变压器型号后，有一个变压器的重要指标需要根据上面表格中的相关参数计算得到，那就是隔离变压器的变比K。首先求原边匝数：=(4-14)其中，，和都是已知的常数，而可有公式4-15求得：=0.5==25（4-15）故可以求得：==18（4-16）变压器原边每匝电压为=15.56V，所以副边每匝电压为15.56V，出于为了正常工作考虑，副边取最大电压400V，故副边匝数为25.7，取整数26。得到变比为1.44。 5车载充电机硬件结构设计5.1单片机的选取第一种方案:使用MSP430系列单片机。此单片机晶振25，具有超低的功耗，编程时较灵活，片内资源丰富，但是这种单片机难以上手，用在本设计上也有些大材小用。不是很适合初学者使用，价格也偏高。

第二种方案:

采用Motorola系列单片机。这款单片机的性价比很高，在同样的运行速度下，所用的时钟频率是最低的，而且它的抗扰能力比MSP430系列单片机要高很多，但是此单片机只能进行一次编程，适用于走马灯，广告牌的应用。不适用于本设计。第三种方案:采用51系列单片机。51系列单片机是8位的，是这三种方案中价格最便宜的，它的片内资源也足够本设计的需要。内含有2个定时/计数器，32条接口。应用广泛，新手初学时很容易上手。所以选车载充电机控制器和电池管理系统控制器时，考虑到结构简单，性价比高方面，就选取51系列单片机作为控制器。在51系列单片机中具体选型号时，需要考虑到单片机需要完成哪些工作，本设计中通过与电池管理系统通信完成数据传输，需要用到串口和引脚。完成主功率电路输出电压电流检测，需要两个通用口。产生1路PWM波驱动IGBT，需要定时/计数器一个。显示检测电压电流值和电量显示出供充电人员读数，需要一个显示屏，显示屏与单片机有8个接口，就需要8个通用口。综合以上通用I/O的个数还有定时和计数以及通信功能，本设计选用性能中端，价格便宜的AT89S52单片机作为车载充电机控制芯片。5.2最小系统设计5.2.1AT89S52单片机简介AT89S52具有以下标准功能:（1）8字节（2）与MCS-51单片机产品兼容（3）看门狗定时器。（4）1000次擦写周期。（5）32位口线。（6）三个16位定时器/计数器。（7）一个6向量2级中断结构。（8）片内晶振及时钟电路。（9）三个16位定时器/计数器。（10）全双工串行口。（11）256字节。（12）2个数据指针。AT89S52单片机具有的功能完全适合本设计需求，图5-1为单片机引脚图。图5-1单片机引脚图Fig.5/1singlechipmicrocomputerpindiagram5.2.2复位电路设计当程序出现死循环或者陷入跑飞时，为了防止这种情况的发生，复位电路的设计必不可少。复位电路图如图5-2所示。图5-2复位电路接线图Fig.5/2resetcircuitwiringdiagram要想分析复位过程，有几个相关的参数需要计算出。电容一般取10，电阻R1取10。利用复位电容与复位电阻，在结合电路知识点，就可以算得时间常数为：解τ==10K10uF=0.1s(5-1）根据电容充电公式:解=(1-)(5-2)分析一下复位过程，AT89S51单片机采用5电压供电，单片机上电后，由以上公式可以得到上电后的0.1s后，对电容进行充电，电容电压会上升到3.5，电阻与电容分压，获得1.5电压，单片机会认为1.5的电压是低电平。RST引脚上电压变化范围是5~1.5，到0.1时，单片机基本就会认定为低电平。由于上述时间为0.1，AT889S52单片机晶振为12MHZ，单片机周期为==0.1，0.1远远大于0.1，上电后的0.1后，对电容充电达到满充，电压大小为5，电阻上电压会从5下降到0。这是名副其实的低电平，当按下复位按钮后，充满的电容就会放出所有的充电量，最后变为0公式5-3为电容放电公式：解=(5-3)可以知道在0.1后，电容电压由5下降到0，此时电阻电压接近5，单片机复位。5.2.3上拉电阻选择AT89S52单片机的只有口没有上拉电阻，不加上拉电阻情况下，并且还用作通用口用，去接受转换器的电压电流信号，口被悬空状态，难免会出现误差，最终达不到精度要求。这种情况下，要想解决这个问题，需要外加阻值为10的上拉电阻,使输出达到5，这才是高电平。5.2.4时钟电路设计对于晶振电路的设计也是必不可少的。本设计中电池组的第三段充电，就需要达到一小时后才能达到满充，定时功能的实现需要用到晶振，晶振越大。程序的执行就越快。图5-3为晶振电路。图5-3时钟电路Figure5-3Clockcircuit对于晶振的选取，一般选用12的晶振，机器周期为0.1，两个电容大小相等，为负载电容，选取20。最后，特别需要注意的是为了系统的稳定性，晶振电路要尽可能的安放在单片机的和引脚附近。5.3中断服务流程设计对于中断的设计必不可少，车载充电机若是没有中断，那么他就会执行一个充电过程直到结束，对于那些故障信号却不管不顾。这就会造成充电环境恶劣，甚至会破坏电池组。那么采用中断技术就很好的避免了这一情况的发生，大大的提高了充电机机的工作效率。中断程序大体流程图如图5-4所示。图5-4中断流程图Figure5/4interruptflowchart本设计中的中断源为温度过高信号，过压和过流等故障信号。这些信号一到来必须执行中断，使充电结束。5.4LCD显示屏选择选择一：采用12864显示器。由于本设计需要显示主功率电路输出电压合电流，还有剩余电量，是数字式显示，12864可以显示很多内容，可以把以上部分都显示出来，它最多可以显示8个汉字，满足岁要。市场售价大概为25元。选择二：使用1602显示屏。此显示屏对于这些电压电流以及电量剩余也都能显示出来。它的市场的售价大概为6元。对比这两个方案，考虑到价格合理，还能实现本设计的要求。本设计选用 LCD1602液晶显示屏。选完液晶显示屏后，我们需要了解一下1602液晶显示屏各个引脚的功能，然后设计与单片机引脚接线，实现液晶显示屏在本设计中的功能。表5-1为1602引脚功能。表5-1LCD1602引脚功能表Table5/1LCD1602pinfunctiontable引脚号引脚功能1电池地2电源正级，3.3V和5.5V之分3液晶显示器调整脚使用时会接一个10K的电阻4寄存器选择位，高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器。5读写信号线，高电平读，低电平写。6使能位，高电平读取信息，负跳变时运行指令。7~148位双向数据传输位15背光电源正极，可接可不接VCC16背光电源负极，可接可不接GND图5-4LCD1602与单片机接线图Fig.5/4LCD1602andsinglechipmicrocomputerwiringdiagram接下来设计1602与AT89S52单片机引脚接线，1602第4引脚到第14引脚都是按要求连接至单片机对应的引脚。背光电源正极直接接上5电源背光灯负极直接接地即可。因此就完成了显示模块的选择与单片机引脚接线的设计。5.4.1液晶显示模块设计为了让用户更好的看到充电的过程，本设计外加了液晶显示模块显示充电的过程，在车电机正常充电时，设计为黄灯亮，也就是充电显示灯。在电池组充满电时绿灯亮，也就是显示灯。当车载充电机遇到一些故障，比如说电池组温度过高，出现过压或者过流，故障灯在这种情况下红灯亮，也就是故障显示灯。图5-5为显示灯图5-5LED显示灯Figure5/5LEDdisplaylamp5.5主功率电路输出检测设计5.5.1输出电压检测主功率电路输出的电压是调节后和反馈过压值，由于输出电压最高可达到近400，电压等级高，为防止发生危险，检测电压时，要满足隔离主控要求。本设计采用了霍尔型电压传感器来检测电路中输出的电压，电压传感器测量的电流范围是0~14，输出为25，主电路如图5-6所示图5-5CHV-25P电路接线图Fig.5/5CHV-25Pcircuitwiringdiagram由于对应的原边电流为10，所以就得到了原边电阻为=400(399)/0.01=40。测量电阻为固定的范围0~350本设计选用200即可。8591转换器输入电压范围为2.5~6在实际中，还要考虑到应该具有一定的裕量，通常取最大值的80%，也就是4.8，若不在2~4.8范围内，8591就有可能被烧毁，所以就需要一个调理电路使8591在安全的输入范围内。图5-7电压调理电路图Figure5-7VoltageConditioningCircuitDiagram在调理电路中，被要求输出为2~4.8，而输入大概在400左右。在就是本设计在实现调节时，做差信号是单体的锂离子电池电压，所以，应该把主功率输出的电压缩小95倍。调理电路由电压跟随器和运算放大器2350组成，电压跟随器的作用是缓冲和隔离，因为输入电压高，输出电压低。起到了承上启下的作用。在经过反向差分放大器，最终把电压变为8591转换器的输入电压。在差分放大器中，根据虚短虚断求解方法，会得到：=(5-3)解=475(5-4)选取的电阻值只要大于等于475即可，本设计选500的常见电阻。而两个二极管的作用是作为输出保护。输出电压传给模块，这种情况下，为了避免输出部分有反向流通的可能，而烧坏运算放大电路就需要增加保护措施。5.5.2输出电流检测主功率电路输出的电流也是经过调节和反馈的过流保护值。同理也需要隔离主控，因此就选用霍尔型电流传感器。此传感器为穿孔测量，就是电流输入到小孔0中就会在输出端得到对应的电压值。通过查阅资料，此霍尔电流传感器测量电流范围为0~20，输入电流与输出电压的存在线性关系，主功率电路输出电流范围在0~10范围内变化，所对应的电压如图所示。表5-2HBC20LSP输入电流与输出电压关系表Table5-2TableofInputCurrentandOutputVoltageofHBC20LSP输入电流/A012345678910输出电压/V2.52.62.72.82.93.03.13.23.33.43.5输出电流检测不需要调理电路，因为输出电压都在转换器要求的输入范围内。只要有输出电流就可以满足8591的输入要求，实现转换，把电流信号送入电动汽车车载充电机的控制器中。5.6AD转换器与单片机接口设计AT89S52单片机内部并没有自带模块，采集而来的主功率电路电压电流信号都是模拟量，而单片机只能识别数字量，这就需要模块把采集到的模拟量转换成数字量，才能使单片机识别。可见，转换器在本设计中的选取是必不可少的，本设计选用的转换器是8591，它的功能很齐全，完全可以达到本设计的要求。8591AD转换器有总线，时钟线，输入电压在2.5~6。表5-2为8591的引脚功能表。表5-3PCF9591引脚功能表Table5/3PCF9591pinfunctiontable引脚名称功能AINO~AIN3模拟信号输入端A0~A3引脚地址端VDD、VSS电源端(2.5~6V)SDA、SCL12C总线的数据线、时钟线。EXT内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时EXT接地。AOUTDIA转换输出端VREF基准电源端AGND模拟信号地OSC外部时钟输入端，内部时钟输出端对于转换器选择完成，接下来设计8591与AT89S51单片机接口电路，图5-8为二者的接线设计。供电电源采用5V电压。8591其中有两个引脚和其它类的转换器有很大却别，引脚9和引脚10。和引脚，分别为总线时钟线和数据线。图5-8为PFC8591与单片机接口Figure5/8istheinterfacebetweenPFC8591andsinglechipmicrocomputer采用5电压供电，5电压来源于三端稳压器转化而来。时钟线和数据线外加5.1和5.3的上拉电阻，如果不加上拉电阻，和引脚在空闲模式是输出为高电平。但是SCL和SDA引脚与单片机的和接口相连接，相当于在和引脚之间加上了元件，这就造成了两个引脚和之间的电平降低变为低电平。最重要的是，一旦和引脚之间变为低电平，主功率电路输出的电压电流信号就没有办法通过转换器传给单片机中进行处理。更不要说实现三段式对；锂离子电池组进行充电了。为了避免这种情况的发生，上拉电阻的引用是必不可少的。而5.1和5.3是根据设计要求，使空闲时和引脚之间电压被拉升到5而设计的。5.7IGBT驱动电路设计为了减少不同电源之间的相互干扰，AT89S52单片机输出的经过光电耦合之后才送到驱动电路。控制电路产生的控制信号一般难以直接驱动的栅极,因此需要外加驱动电路。本设计中要想达到输出可调，关键就在于控制功率管的占空比。可见，驱动电路的设计尤为关键。在本设计中，直接采用光电耦合式驱动电路，可以达到隔离的作用。它使用比较方便，稳定性比较好。图5-9驱动电路图Fig.5/9drivingcircuitdiagram本设计出于驱动性能方面和价格合理方面考虑，采用的光耦隔离芯片型号是250。驱动性能稳定。它共有8个引脚，引脚2通过510的电阻接5电压，510是防止光耦芯片中发光二极管因电流过大被烧毁，电流小亮度不够，不足以达到的驱动电压要求。通过调节后，由充电机控制芯片AT89S52单片机输出的波进入光耦隔离芯片，型号是TLP250的引脚3。接下来分析工作原理，当输出为0时，发光二极管导通发光，在引脚6和7之间就会有15电压，当输出为1时，发光二极管不导通，在引脚6和7之间电压为0。本设计采用的开关元件导通电压为10~15，也就是说，输出为1时不导通，波输出为0时导通。这就是控制原理，还有一些细节上的参数选取，去耦电容一般选择100，它的作用就是消除充电机其它的电源信号对15电压的影响，提高驱动性能，二极管为快速恢复电力二极管，它的作用是使开关器件导通与截止时间间隔缩短，进而提高驱动的性能。但是输出的波只能驱动一个桥臂，要驱动4路的栅极。我们知道桥臂1，4组成一个桥臂，2，3组成一个桥臂，并且1，4与2，3两个桥臂是互补导通的。在输出的波与的栅极间加一反向放大电路，且放大倍数为负一就可以实现对两个桥臂互补导通。电路图如下所示。图5-10反相器接线图Fig.5/10inverterwiringdiagram还是由虚短和虚断技巧可知：解=(5-5)由于放大倍数为负一，故=,阻值随意选取，这里取500常见电阻即可。5.8保护电路设计电动汽车电池组在充电过程中避免不了会出现一些故障，比如说过压，过流，温度过高之类的故障。这就需要增加保护电路来增加对充电过程中的故障进行处理。图5-11故障电路流程图Fig.5/11flowchartoffaultcircuit要想故障信号传给单片机处理，还需要经过信号调理电路达到转换器的输入要求。信号调理电路如图所示图5-12电流调理电路Figure5-12CurrentConditioningCircuit解=2~4.8（5-6）解=（5-7）电压调理电路如图图5-13电压调理电路图Fig.5/13Voltageconditioningcircuitdiagram图中，根据公式：解=（5-6）又因为=0：解=（5-7）和可根据公式5-8进行选择阻值。我们知道转换器的输入口有限，这时就需要逻辑处理环节。图5-13逻辑处理图Figure5/13logicalprocessingdiagram经过与门就可以把电压、电流和温度等故障信号传给电动汽车充电机的控制中心单片机中进行故障判断，控制充电的过程。5.9三段式充电程序设计本设计中使用定时器中断服务程序来执行三段式充电。充电过程中，首先判断是否有温度过高故障信号，如果有，就停止充电，若没有，充电机与电池管理系统不断进行通信，进入充电阶段。一旦通信搭建完成，就会判断出是恒压、恒流和浮充充电，然后分别执行三个阶段中的一个阶段，在判断出哪个阶段之后，电池管理系统就会把单体电压给定值和电流给定值传给车载充电机的控制器，然后由车载充电机控制芯片实现对主功率电流电压和电池管理系统通过通信传递过来的给定值分别实现电压和电流调节，使输出恒定。每执行完一个阶段，都会更新，原始数据都会被清理，为下一次调节做准备。充电时，电压电流以及剩余电量也会在液晶显示屏上显示出。三段式充电程序的流程图如图5-14所示。图5-14三段式充软件图Fig.5/14three-stagefillingsoftwarediagram6电池组电池管理系统介绍电池组电池管理系统应具有（1）检测电池的外特性，包括电压，电流，温度等。（2）与电动汽车控制器之间具有通讯功能。（3）获取电池状态，实现电压均衡充放电管理。6.1电压采集介绍本设计充电对象是95节单体电压为4.2的锂离子电池串联而成的锂离子电池组。电压采集模块可以一起采集95节锂离子电池电压参数。由于在95节电池中，电压大小是不均匀的，为了防止在充电过程中对电压低的电池欠充，对电压高的过充。电压采集模块的设计尤其关键[10]。电压采集模块的核心是电池组监测芯片6803，此芯片功能强大，具有一般芯片难以达到的采集电压效果，所以被选为电压采集模块的芯片。用它来采集单体电池和总体电池的电压信号。6803是凌力尔特公司生产的高性能电池监管芯片[11]。它内含有12为转换器，一个非常精确的电压基准，一个串行口。每个芯片都能测量12个电压信号。由于本设计充电对象是95节锂离子电池，故需要用6803芯片8片联叠。8片6803与单片机通讯，就可以实现通过控制MOSFET开关，用于对单体电池电压高的放电，使电压均衡在实行充电。电压采集芯片需要与中单片机通信，传输电压信号，在由单片机进行电压均衡处理。6803与单片机可以采用通信，但是AT89S52单片机没有SPI接口，所以采用口模拟通信的方法来与6803通信。6.2电流采集介绍在锂离子电池充电回路中，电流的范围在0~10范围内变化，为了达到电流采集的精度要求，电流采集模块用到了高精度的电流器来检测电流。6.3温度采集介绍锂离子电池温度过高，说明充电时电池组出现了故障，若不及时处理可能造成电池组的损坏，甚至造成危险。为了提高安全性，对温度的检测必不可少。为了把电池温度信号传给电池管理系统的控制器单片机，就只用一根总线就可以完成温度采集与传递。6.4BMS与充电机通信设计要想把电池组的锂离子电池的电压传递给车载充电机的控制中心，就离不开电池管理系统和车载充电机之间的通信，通过二者搭建通信，完成电池电压电流和温度信号等数据的传递[12]。车载充电机接收电池组的状态信息，最终确定充电方式，都离不开通信的设计。本设计采用通信，是电子工业协会()与公司共同制订并发布的最早的串行通信技术标准。简单的同时，还简化了电路结构。下图6-1为芯片作为数据传输的桥梁，传递电池的状态信号给车载充电机控制中心。图6-1232通信接线图Figure6/1232CommunicationwiringDiagram电压采集的软件设计包括通过对6803芯片的读写操作。上电后，第一步启动6803芯片，电池管理系统控制中心单片机用写配置寄存器设定工作模式，设定过/欠压限制，最后发送一