電動汽車的快速充電設(shè)計

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電動汽車的快速充電設(shè)計I電動汽車的快速充電設(shè)計摘 要本論文以移相全橋直流變換器為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究學(xué)習(xí)了移相全橋直流變換器的控制策略和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的重要問題，設(shè)計出電動汽車用磷酸鐵鋰電池快速充電器。充電方法的選擇對鋰電池的壽命和性能影響很大，在研究磷酸鐵鋰電池的工作原理及其充放電特性，確定了本充電電路采用三階段充電法（恒流，恒壓，浮充） 。采用移相全橋軟開關(guān)電路，選定 IGBT 為開關(guān)器件，減少了開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。設(shè)計了基于 C8051f002 單片機(jī)和 UCC3895 的輔助控制電路，通過對充電電路的輸出電壓和輸出電流，電池溫度的監(jiān)控，針對不同的充電階段單片機(jī)輸出不同的電壓和電流的給定值。保護(hù)電路和輔助電源電路的完成保證了整個充電電路功能的實(shí)現(xiàn)。最后完成相關(guān)系統(tǒng)軟件的設(shè)計，通過軟件來優(yōu)化充電控制，保證了充電的安全可靠。關(guān)鍵詞 電動汽車 ZVZCS 軟開關(guān) IGBT UCC3895電動汽車的快速充電設(shè)計IITHE DESIGN OF POWER SUPPLY FOR CHARGING SPEEDLY UP THE EVABSTRACTThis dissertation is devoted to the study of the important issues of control strategies of phase-shifted full-bridge DC concerter,and exploits a set of rechargeable LiFePO4 power supply which is applicable to electric vehicles .The method of charging progress have great impact on the performance and life for batteries,in the study of LiFePO4 bettary charge and discharge principle,the three-strategy charging metrod (constant current, constant voltage ,the trickle current ),and the integrated control method (temerature control ,minimum current control ).We use full- bridge phase-shifting soft-switching circuit ,and selected IGBT as switching devices , to reduce the switching loss and circuit noise .Design the auxiliary control circuit based on C8051f002 and UCC3895 .Protection circuit , auxiliary power supply circuit guarantee the completion of the entire charging circuit functions can be achieved .Finally,the relevant system software design was introduced .Realize the purpose of through software to improve charging control ,ensure the safety of our charging circuit .KEYWORDS ElectricVehicle Zero-Voltage-Zero-CurrentSwitching IGBT UCC3895電動汽車的快速充電設(shè)計III目 錄摘 要 IABSTRACT .II1. 前言 .11.1 電動汽車概況 .11.2 新一代鋰動力電池的發(fā)展 .11.3 本文研究的主要內(nèi)容 .22. 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及設(shè)計方案 .32.1 系統(tǒng)框圖 .32.2 方案的選擇 .43. 主充電電路工作原理 .54. 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 .74.1 調(diào)節(jié)器電路設(shè)計 .74.1.1 模擬 PI 調(diào)節(jié)器 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????74.1.2 充電控制策略 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????84.1.3 電壓電流雙調(diào)節(jié)器的設(shè)計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????84.2 脈沖發(fā)生電路及驅(qū)動電路 .94.2.1 移相脈沖生成方法 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????94.2.2 UCC3895 的應(yīng)用特性和電路設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????104.3 驅(qū)動電路設(shè)計 .124.4 檢測電路的設(shè)計 .134.4.1 充電器輸出電壓和電池電壓的檢測 ?????????????????????????????????????????????????????????144.4.2 輸出電流的檢測電路 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15電動汽車的快速充電設(shè)計IV4.4.3 溫度采樣及保護(hù)電路 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????164.5 C8051f002 單片機(jī)系統(tǒng) .174.5.1 C8051f002 8 位單片機(jī)簡介 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????174.5.2 晶振電路的設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????184.5.3 復(fù)位電路設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????184.5.4 單片機(jī)外圍電路設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????194.6 輔助電源電路的設(shè)計 .204.7 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計 .215. 充電器軟件的設(shè)計 .225.1 軟件的設(shè)計思路 .225.2 電壓、電流采集模塊的設(shè)計 .225.3 DAC 輸出模塊的設(shè)計 225.4 系統(tǒng)總體控制軟件的設(shè)計 .24結(jié) 論 .25致 謝 .27參考文獻(xiàn) .28附錄 1 源程序清單 30附錄 2 主電路和輔助電源電路原理圖 34附錄 3 控制電路各部分原理圖 35電動汽車的快速充電設(shè)計11. 前言1.1 電動汽車概況電動汽車是 21 世紀(jì)清潔、高效和可持續(xù)的交通工具，是一種電力驅(qū)動的道路交通工具。從環(huán)境方面考慮，在城市交通中使用電動汽車可實(shí)現(xiàn)零排放或極低排放。即使考慮到給這些電動汽車提供能量的發(fā)電廠的排放，仍能顯著降低全球的空氣污染。電池是電動汽車的動力源泉，也是一直制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)在，零排放電動汽車的技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，并已開始商品化，一次充電的行程基本能滿足近程交通的要求。大規(guī)模應(yīng)用的主要問題是初始成本高和續(xù)駛里程不理想。在目前的實(shí)際應(yīng)用中，最常用的動力電池為閥控鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。但鉛酸電池比能量低、使用壽命短；鎳氫電池的鎳材料比較稀少，而且存在記憶效應(yīng)；普通的鋰離子電池像錳酸鋰、鈷酸鋰雖說具有比能量大、電動勢高、無記憶效應(yīng)、放電電壓平穩(wěn)、循環(huán)壽命長、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在工作電壓變化大、內(nèi)部阻抗高、不能與其他二次電池互換使用等缺點(diǎn)。世界各國從 20 世紀(jì) 80 年代開始，掀起了大規(guī)模的開發(fā)電動汽車的高潮。電動汽車的出現(xiàn)，將會大幅度帶動充電電源技術(shù)的發(fā)展。但電動汽車的市場化一直受到一些關(guān)鍵技術(shù)的困擾。目前電動汽車難以得到普及的主要原因之一就是缺乏合理的確保電動汽車電池組安全、高效、用戶友好、牢固的充電技術(shù)。通過開發(fā)快速充電系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)隨時隨地方便及時地對動力電池進(jìn)行充電，能夠有效延長電動汽車的續(xù)駛里程，從而能有利于電動汽車的推廣。所以說電動汽車的電池快速安全充電是電動汽車投入市場前，必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，適合電動汽車的充電器勢在必行。1.2 新一代鋰動力電池的發(fā)展近幾年，出現(xiàn)了一種新的鋰電池—磷酸鐵鋰電池，給電動汽車的推廣帶來了曙光。磷酸鐵鋰是一種鋰電池的正極材料，也稱為鋰鐵磷電池，特色是不含鈷等貴重元素，原料價格低且磷、鋰、鐵存在于地球的資源含量豐富，不會有供料問題。磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池、鎳氫電池和普通鋰電池相比有很多優(yōu)勢，憑借這些優(yōu)勢，磷酸鐵鋰電池又列入了“十五”期間的“863”國家高科技發(fā)展計劃，成為國家重點(diǎn)支持和鼓勵發(fā)展的項目。優(yōu)勢如下：電動汽車的快速充電設(shè)計21、使用安全，磷酸鐵鋰完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題，不會因過充、溫度過高、短路、撞擊而產(chǎn)生爆炸或燃燒。2、該電池壽命超長，循環(huán)使用次數(shù)高，在室溫下 1C 充放電循環(huán) 1500 次，容量保持率 95％上；3、該電池重量很輕，是鉛酸電池的 1／3，鎳氫電池的 63％，體積小，商品設(shè)計可輕量化；4、放電平臺穩(wěn)定，可作大電流高功率充放電高倍率放電特性：10C 充放電效率達(dá)到 96％以上，容量保持率 90％以上，可實(shí)現(xiàn) 10C 放電，這是其作為動力電池的最大優(yōu)勢。磷酸鐵鋰電池憑借其顯著的優(yōu)勢，吸引了國內(nèi)外的很多電池生產(chǎn)商。但由于其主要技術(shù)參數(shù)與錳酸鋰和鈷酸鋰電池具有較大的差別, 因此過去大量生產(chǎn)的鋰離子電池充電控制專用集成電路、厚膜電路和模塊等不能對磷酸鐵鋰電池進(jìn)行充電,而且磷酸鐵鋰電池支持大電流快速充電，所以必須盡快開發(fā)研制出通用型磷酸鐵鋰動力電池快速充電器，大大縮短電動汽車的充電時間，加速電動汽車的推廣。1.3 本文研究的主要內(nèi)容電動汽車電池充電一般采用兩種基本方法：接觸式充電和感應(yīng)耦合式充電。軟開關(guān)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效率的有效措施，是針對硬開關(guān)提出的。硬開關(guān)開關(guān)過程是通過突變中斷功率流完成能量的變換過程。硬開關(guān)開關(guān)過程中，電壓電流均不為零，出現(xiàn)了重疊，因此導(dǎo)致了開關(guān)損耗。而且電壓和電流的變化很快，波形出現(xiàn)了明顯的過沖，這導(dǎo)致了開關(guān)噪聲的產(chǎn)生。而軟開關(guān)過程是通過電感和電容的諧振，使開關(guān)器件中的電流(或兩端電壓)按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，開關(guān)開通前電壓先降為零，或開關(guān)關(guān)斷前電流先降為零，就可以消除開關(guān)過程中的電壓電流的重疊，降低它們的變化率，從而大大減小甚至消除開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。在該畢業(yè)設(shè)計中，本文設(shè)計了電動汽車用磷酸鐵鋰動力電池的快速充電器。電池輸出電壓 144V，容量 120AH。采用傳統(tǒng)的接觸式充電方式，控制方式采用三階段充電控制法，采用了以 C8051f002 為核心的主控制板，以實(shí)現(xiàn)充電過程各階段控制及保護(hù)等相關(guān)的各項功能。通過對全橋變換器的研究學(xué)習(xí)，該充電器采用了一種具有副邊簡單輔助電路的零電壓零電流開關(guān)移相全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有輔助電路結(jié)構(gòu)簡單、無耗能元件和有源開關(guān)、副邊整流管電壓應(yīng)力小、整體效率電動汽車的快速充電設(shè)計3高等優(yōu)點(diǎn)。利用該拓?fù)溲兄屏?36kW 零電壓零電流開關(guān)移相全橋變換器工程樣機(jī)，其輸入為三相四線制 380V／50Hz，最大輸出直流電壓為 150V，最大輸出電流為240A。2. 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及設(shè)計方案2.1 系統(tǒng)框圖該電動汽車的快速充電器是以 C8051F002 單片機(jī)為控制核心，主要包括整流濾波電路、IGBT 功率模塊、高頻變壓器、電壓電流采集電路、單片機(jī)控制電路、脈沖發(fā)生電路以及驅(qū)動電路，保護(hù)電路等。系統(tǒng)框圖如圖 1。3 8 0 V 、 、 、 、、 、、 、、 、、 、 、 、、 、、 、 、、 、 、 、 、 、 、 、、 、 、 、 、、 、 、 、、 、 、 、、 、 、 、、 、 、 、、 、 、 、、 、 、 、圖 1 充電系統(tǒng)框圖充電器電路主要包括主充電電路和單片機(jī)控制電路兩部分，整個電路的工作過程為 380V 的交流電先由 EMI 濾波，抑制電網(wǎng)的差模干擾和電路內(nèi)部的共模干擾。然后經(jīng)過全橋整流由輸出電容進(jìn)行濾波，得到約 530V 左右的直流電。經(jīng)過由 4 只IGBT 構(gòu)成的逆變橋，得到正負(fù)脈沖，經(jīng)高頻變壓器耦合到副邊得到高頻交流電，再經(jīng)過輸出整流管整流。最后經(jīng)過大電感和電容濾波后得到穩(wěn)定的直流輸出。由于采用單片機(jī)控制，根據(jù)不同的電池每個階段充電電壓和充電電流都不同。所以使用 cygnal 公司的 C8051F002 單片機(jī)作為充電過程控制設(shè)備，充電時單片機(jī)檢測充電電池的充電電流，充電電壓，電池溫度，防止電路過壓和過流。電池溫度過高，還可以通過檢測電池電壓電流值來決定是否在切換到下一個的充電階段。同時通過單片機(jī)的集成 AD 轉(zhuǎn)換器給出每一階段的充電的電壓值或是電流值，與采樣所得電動汽車的快速充電設(shè)計4的反饋的電壓電流值相比較，經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器輸出給移相控制芯片 UCC3895，通過調(diào)整改變移相角來改變功率管的導(dǎo)通時間，達(dá)到在電池不同階段得到不同穩(wěn)定的輸出值的目的。2.2 方案的選擇主電路中的直流全橋變換器可選擇的方案很多，以下進(jìn)行分析選擇。方案一：采用典型的 ZVS 全橋變換器。這種電路可以實(shí)現(xiàn)四個管子的零電壓開通和關(guān)斷，這種電路的最大優(yōu)點(diǎn)是它無需額外的諧振回路，不需要額外的元件就可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，器件應(yīng)力小，這種電路對于 MOS 管可以明顯的減小開關(guān)損耗。在高電壓和大功率應(yīng)用場合，IGBT 將取代 MOSFET 作為開關(guān)器件。由于 IGBT 的少數(shù)載流子存貯效應(yīng)，所以在關(guān)斷時存在著拖尾電流，會增大損耗。方案二：原邊串聯(lián)隔直電容和飽和電抗器的 ZVZCS 全橋變換器。這種電路中飽和電抗器在正常工作時工作在飽和狀態(tài)，在換相期間可以阻止下半個周期導(dǎo)通時的電流上升。還可以擴(kuò)大軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)范圍。電路在換相期間依靠隔直電容使原邊電流復(fù)位，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。缺點(diǎn)是飽和電感的損耗比較大，影響了整個系統(tǒng)的效率。方案三：采用副邊帶簡單輔助電路的 ZVZCS 變換電路。該電路使用一個電容和兩個二極管構(gòu)成副邊輔助電路，無需輔助有源開關(guān)器件，輔助電路構(gòu)成簡單，控制方法簡單，能很好的實(shí)現(xiàn)主開關(guān)器件的 ZVZCS。不包含耗能元件和有源開關(guān)，副邊整流管電壓應(yīng)力小，成本低，而且適合于大功率場合。方案四：用副邊有源箝位電路實(shí)現(xiàn)原邊電流復(fù)位電路。這種電路沒有使用耗能元件，在副邊增加有源箝位開關(guān) S，并通過對有源箝位開關(guān)的適當(dāng)控制，為滯后橋臂創(chuàng)造零電流開關(guān)條件。超前橋臂在零電壓導(dǎo)通與關(guān)斷的過程中，輸出濾波電感參與了諧振過程，而輸出濾波電感通常取值較大，超前橋臂開關(guān)管可以在很大的負(fù)載范圍內(nèi)滿足零電壓開關(guān)條件。開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷的死區(qū)時間間隔受原邊電壓最大占空比的限制。此電路的主要缺點(diǎn)是控制上稍微復(fù)雜一些，以及有源箝位開關(guān)采用的是硬開關(guān)，但是有箝位開關(guān)在一個開關(guān)周期中僅工作很短一段時間，對變換器整體效率影響很小。綜上所述，選用方案三的副邊帶簡單輔助電路的 ZVZCS 變換電路。電動汽車的快速充電設(shè)計53. 主充電電路工作原理本論文對多種 ZVZCS 全橋變換器進(jìn)行了比較研究，選用了新型帶簡單輔助諧振電路的移相控制 ZVZCS 全橋變換器。這種變換器只是在變壓器副邊附加由一個小電容和兩個二極管構(gòu)成的輔助諧振電路，不包含耗能元件和有源開關(guān)，副邊整流管電壓應(yīng)力小、整體效率高而且價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在中大功率場合很有發(fā)展前途。主充電電路基于 ZVZCS 全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該變換器采用了移相控制方式，開關(guān)管 Q1 和 Q3 構(gòu)成超前橋臂，Q2 和 Q4 構(gòu)成滯后橋臂，C1 和 C2 為超前臂的外接并聯(lián)電容，Lik 為變壓器漏感，起諧振電感的作用。N1， N2 分別為變壓器原、副邊繞組匝數(shù)，匝比 N1：N2=15:8，箝位電容 Cc，二極管 Dh，Dc 共同構(gòu)成副邊輔助諧振電路。主電路主要的原理圖如圖 2。LlkL220uHT125:8C2120uFC3120uFCc45uF1234BRIDGE1D3D1 D3D4 Dh800V/150ADcC12.3mHQ1Q2Q3Q4 C42820uF/450VD5電 池C5 60uF隔 直 電 容Vg1Vg2Vg3Vg4A BC0.01U0.01U0.01U0.01U圖 2 主電路原理圖首先我們假定所有的開關(guān)管和其他元器件都是理想的，并且輸出濾波電感足夠大，在半個開關(guān)周期內(nèi)可以認(rèn)為是一個恒流源。電路在半個開關(guān)周期內(nèi)一共可分為6 個工作過程，具體工作原理如下：過程 1：S1 和 S4 剛同時導(dǎo)通，輔助電路電容 Cc 與變壓器漏感 Lik 發(fā)生諧振，通過 Dc—Co 支路充電，VCc 開始升高，半個諧振周期過后，VCc 達(dá)到最大值，諧振停止。過程 2：半個諧振周期后,Dc 關(guān)斷，整流橋輸出電壓恢復(fù)到正常值 Vs/k，原邊電流 Ip 回落到 Ip/k，這段時間變換器輸入能量經(jīng)變壓器傳送到負(fù)載,是普通的 PWM傳能階段。過程 3：傳能階段結(jié)束后，Sl 關(guān)斷，原邊電流從 Q1 支路轉(zhuǎn)移到電容 C1，C3 支路，電容 C1 開始充電，C3 開始放電，在這一階段內(nèi)，由于輸出濾波電感很大，負(fù)電動汽車的快速充電設(shè)計6載可等效為一恒流源。C1 兩端電壓不能突變，Q1 實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。過程 4：原邊電流開始下降，當(dāng)整流橋輸出電壓下降到 Vrec=VCc，Dh 導(dǎo)通，Cc向負(fù)載提供能量。直到 C2 放電完畢，反向二極管 D3 導(dǎo)通，開關(guān)管 Q2 可以在零電壓下完成導(dǎo)通。Q4 續(xù)流，原邊電流迅速下降，負(fù)載電流主要由箝位電容 Cc 提供，ICc迅速上升。過程 5：當(dāng)原邊電流下降到 0 時，Q4 仍在導(dǎo)通，此時 Q4 可實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。過程 6：，當(dāng) Cc 放電完畢，Dh 關(guān)斷，整流二極管開始導(dǎo)通，副邊開始續(xù)流。Q3導(dǎo)通，因為變壓器漏感存在，原邊電流不可能突然上升。Q3 的開通為零電流開通。半個開關(guān)周期工作過程結(jié)束，進(jìn)入下半個周期，其工作過程和前半個周期相同。由以上分析可知，超前臂 IGBT 的開通和關(guān)斷是靠 IGBT 上并聯(lián)電容上的電壓不能突變實(shí)現(xiàn)的。滯后臂 IGBT 的開通是通過漏感上電流不能突變實(shí)現(xiàn) ZCS，滯后臂IGBT 的關(guān)斷是在關(guān)斷之前，使原邊電流下降為零，實(shí)現(xiàn) ZCS。電動汽車的快速充電設(shè)計74. 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計本設(shè)計控制系統(tǒng)主要包括調(diào)節(jié)器電路，脈沖生成電路，驅(qū)動電路，檢測電路和單片機(jī)及其外圍電路。4.1 調(diào)節(jié)器電路設(shè)計在經(jīng)典控制理論中，PI 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，它不僅歷史悠久，而且也是生命力最強(qiáng)的控制方式之一。近些年來，盡管控制理論取得了突破性的進(jìn)展，誕生了許多新的概念和設(shè)計方法。但是，與自適應(yīng)控制、模糊控制等現(xiàn)代控制方法相比 PI 控制仍被在工程中廣泛應(yīng)用，主要是有以下特點(diǎn)：(1)PI 控制器結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法簡單，不需要太多的驗前知識，十分適用于工程應(yīng)用。(2)PI 控制器是廣大工程技術(shù)人員所熟悉的，便于使用和調(diào)整。(3)PI 控制器的少許改進(jìn)往往會獲得明顯的效果。因此，本次設(shè)計的控制系統(tǒng)采用了 PI 調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)對輸出電壓、輸出電流的無靜差控制。4.1.1 模擬 PI 調(diào)節(jié)器在模擬系統(tǒng)中 PI 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，其原理如圖 3。CRfR23467REFVi Vo圖 3 模擬調(diào)節(jié)器該控制器中比例調(diào)節(jié)器的作用是對于偏差做出瞬間快速反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用使控制量向偏差減小的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù) K=R/Rf。只有當(dāng)偏差存在時，比例調(diào)節(jié)器才有控制量輸出，因此對于大部分控制對象，單用比例調(diào)節(jié)器會產(chǎn)生靜態(tài)誤差。積分調(diào)節(jié)器的作用是把偏差累計的結(jié)果，作為它的輸出。在調(diào)節(jié)過程中，只要偏差存在，積分器的輸出就會不斷增大，直至偏差為零，輸出才可能維持某一常量，使系統(tǒng)在設(shè)定值不變的條件下趨于穩(wěn)定。因此它能消除系統(tǒng)輸出的靜差。電動汽車的快速充電設(shè)計84.1.2 充電控制策略本文設(shè)計的充電器針對一般的電動轎車用磷酸鐵鋰動力電池，電池的端電壓為144V，容量 120AH。本設(shè)計采用了三階段充電法—恒流，恒壓，浮充。綜合了恒流充電和恒壓充電的優(yōu)點(diǎn)。三階段充電過程中電壓電流的變化如圖 4。圖 4 三階段充電過程充電開始，我們先檢測電池組的端電壓，對過放電的電池，采用短時間的小恒電流涓流充電，這樣有利于激活電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)。若電池沒過放電，則可以直接進(jìn)入恒流階段。由于磷酸鐵鋰電池支持快速充電，我們設(shè)定充電電流為I=2C=240A，通過 PI 調(diào)節(jié)器使輸出為恒定電流，過程中一直檢測電池的端電壓和溫度。當(dāng)端電壓上升到 144V 時，轉(zhuǎn)入恒壓階段。通過 PI 調(diào)節(jié)器保持充電器輸出144V，此時電池電流會逐漸降低，過程中一直檢測電池電流。當(dāng)電流下降到 C/20 時，轉(zhuǎn)到浮充階段。保持輸出電壓為 134V，當(dāng)檢測到電池電流為 C/100 時，停止充電，整個充電過程結(jié)束。4.1.3 電壓電流雙調(diào)節(jié)器的設(shè)計本充電器采用三階段充電策略，在充電過程中根據(jù)電池的電壓電流值來確定電池該處于何充電階段，而在不同的充電階段需要保持輸出不同的恒定的電壓和電流值。我們之前學(xué)過很多閉環(huán)控制的相關(guān)知識。閉環(huán)控制就是把反饋值和給定值比較，把比較得出的偏差信息再輸入到控制裝置，以調(diào)整其控制功能，使系統(tǒng)的輸出時刻趨于理想值，使偏差值趨于最小。因此，我們可以對輸出電壓和電流分別進(jìn)行閉環(huán)電動汽車的快速充電設(shè)計9控制，控制器采用 PI 調(diào)節(jié)器，原理圖如圖 5。23467U14LM25823467U16LM393R24 1KR25 30KC32 10uF23467U15LM258R261KR2710KC3310uFVF1IFB I/O I/OC/CTGI/O I/OC/CTG-5V+5VVrefIrefPI_OUT+5V+5VGNDGNDGND+5VU17U18圖 5 充電器電壓電流調(diào)節(jié)器當(dāng)前輸出電壓、輸出電流的實(shí)際反饋值與經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換和濾波得到的給定值進(jìn)行模擬 PI 調(diào)節(jié)運(yùn)算。輸出電壓、輸出電流的兩個 PI 調(diào)節(jié)器是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，兩個 PI 調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果經(jīng)過 CD4053 傳輸門取最小值。在剛開始充電的時候充電電壓達(dá)不到 U，電壓 PI 的輸出是飽和輸出。這個階段中只有電流 PI 起作用。充電電源在電流環(huán)的作用下恒流充電，充電電壓逐漸上升。當(dāng)充電電壓超過 U，電壓 PI 退出飽和狀態(tài)。當(dāng)電壓調(diào)節(jié)器的輸出低于電流調(diào)節(jié)器的時候，最終輸出值取電壓調(diào)節(jié)器的值。這樣就完成了從恒流充電到恒壓充電的自動轉(zhuǎn)換。此后由于電流不斷減小，電流調(diào)節(jié)器始終處于飽和狀態(tài)，只有電壓 PI 起作用，充電電源在電壓閉環(huán)控制下恒壓充電。當(dāng)微處理器檢測到充電電流小于設(shè)定的停機(jī)電流時，轉(zhuǎn)到浮充階段。4.2 脈沖發(fā)生電路及驅(qū)動電路4.2.1 移相脈沖生成方法充電電源采用的零電壓零電流軟開關(guān)全橋變換器拓?fù)湫枰M(jìn)行移相控制。一般產(chǎn)生移相脈沖的方法可以分為兩種：一種是通過微處理器來實(shí)現(xiàn)，另一種是使用集成的控制芯片。使用微處理器產(chǎn)生控制脈沖：由于開關(guān)頻率較高，使用微處理器產(chǎn)生脈沖時對處理器的性能要求較高，一般都用 DSP 來控制。在軟件的實(shí)現(xiàn)上，對程序的實(shí)時性要求很高，程序的編寫難度較大。但是使用微處理器直接產(chǎn)生脈沖有它的優(yōu)勢：首先它成本低，節(jié)省了一塊集成控制芯片及其外圍電路；其次控制板的通電動汽車的快速充電設(shè)計10用性好，通過軟件修改可以很方便的把控制方式由移相控制改為脈寬控制等其他控制方法。使用集成控制芯片產(chǎn)生控制脈沖：這種方式幾乎可以不需要處理器的參與而獨(dú)立工作，降低了處理器的負(fù)擔(dān)。所產(chǎn)生的移相脈沖的頻率，死區(qū)時間，等參數(shù)均可以通過外圍電路配置。如 UCC3895 的頻率最高可以達(dá)到 1MHz，完全可以滿足一般應(yīng)用的需要。它只需要 0—3.6V 的電壓信號，就可產(chǎn)生與之對應(yīng)的移相信號。它是純硬件的方法產(chǎn)生的脈沖，響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定可靠。在工程應(yīng)用中可靠性是我們需要首要考慮的問題。集成控制器在這一點(diǎn)上有明顯的優(yōu)勢。它是成熟的工業(yè)產(chǎn)品，已經(jīng)在市場上經(jīng)過了多年的檢驗。該充電電源在今后的應(yīng)用中需要與監(jiān)控系統(tǒng)，電動汽車，電表等通過 CAN 總線和 485 總線進(jìn)行通訊，處理器的負(fù)擔(dān)已經(jīng)很重。集成控制器不依賴于處理器，降低了程序開發(fā)和后期程序改進(jìn)的難度。綜合以上考慮，該充電電源使用了一片 UCC3895 來產(chǎn)生移相脈沖。UCC3895 是 Unitrode 公司生產(chǎn)的又一種高性能 PWM 移相型控制器。它除了具有UC3875 的功能外。最大的改進(jìn)是增加了自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置，以適應(yīng)負(fù)載變化時不同的準(zhǔn)諧振軟開關(guān)要求。另外還新增加了 PWM 軟關(guān)斷能力 UCC3895 有可編程輸出開通延時和自適應(yīng)延時設(shè)置，既可用于電流模式，又可用于電壓模式。可實(shí)現(xiàn)輸出脈沖占空比從 0％到 100％相移控制；內(nèi)置 7MHz 帶寬的誤差比較放大器，最高工作頻率達(dá)1MHz 等。由于應(yīng)用電路比較簡單方便，且采用了 BCDMOS 工藝，使得它的功耗更小，工作頻率更高，更加符合電力電子裝置高效率、高頻率、高可靠的發(fā)展要求。4.2.2 UCC3895 的應(yīng)用特性和電路設(shè)計脈沖產(chǎn)生電路原理圖如圖 6，圖中 ADS 引腳是該控制芯片新增的控制管腳．其功能是設(shè)置輸出延時死區(qū)最大值與最小值之比。電動汽車的快速充電設(shè)計11EAN1 EAOUT2RAMP3 REF4GND5 STNC6CT7 RT8DELAB9 DELCD10 ADS 11CS 12OUTD13OUTC 14VCC 15PGND16OUTB 17OUTA 18SS/DISB19EAP 20UCC3895U9 UCC3895C191uFC2010uFC21470pFC221uF C240.47uFC230.47uFR13 510R14 50KR15 50KR20500R16 200R2950R18 200R17 200R28100R19 200S39014GNDGNDGNDGNDGNDGNDPI_OUTT-SHUT +15VHinLinHinLin圖 6 UCC3895 的應(yīng)用電路ADS 引腳可通過式 1 所列關(guān)系改變 DELAB 和 DELCD 腳上的電壓，從而改變輸出延時。VDEL=0.75×（V CS一 VADS）+0.5V （1）這里我們采用固定死區(qū)時間的電壓控制方式，所以 CS 和 ADS 引腳接地。VDEL=0.5V。芯片的 RAMP 引腳可以工作在電壓或平均電流控制模式下，我們這里采用的是電壓控制模式，該引腳接振蕩器輸出 CT。在峰值電流模式下 RAMP 可以接電流信號。引腳帶有內(nèi)部放電晶體管。該晶體管在振蕩器死區(qū)時間內(nèi)被觸發(fā)。同步振蕩器的工作頻率由定時電容 CT 和定時電阻 RT 決定。電容 CT 在由 RT 控制的電流 8IRT的積分作用下產(chǎn)生一個鋸齒波。由式 2 可近似得到振蕩周期。TOSC=5RTxCT／48+120ns （2）DELAB 和 DELCD 引腳是用來控制死區(qū)時間的。同一橋臂上的兩個管子的死區(qū)延時可由下式 3 確定。Tdelay=25x10-12xRDEL/VDEL+25ns （3）EAN、EAP 是差分放大器的反向輸入端和同向輸入端。UCC3895 正是根據(jù)這個差分放大器的輸出來確定移相角的。我們把 EAN 接地，EAP 接 PI 調(diào)節(jié)器的輸出端。EAOUT 引腳是差分放大器的輸出端。SS／DISB 引腳是一個很重要的引腳，它是控制軟啟動和封鎖脈沖的引腳。當(dāng)它的電壓低于 0.5V 的時候，芯片會立刻封鎖脈沖，所有的脈沖輸出引腳全部為低電平。當(dāng) SS／DISB 高于 0.5V 的時候，它的電壓會箝位差分放大器的輸出，可以起到軟啟動的作用。如圖 6 所示，在 SS／DISB 引腳與地之間接了一只電解電容 C23，一只三極管電動汽車的快速充電設(shè)計12S3 和一只電阻 R29 與這個電容并聯(lián)。SS／DISB 與內(nèi)部的恒流源相接，恒流源的輸出電流為 IRT。當(dāng)停機(jī)的時候，三極管導(dǎo)通，SS／DISB 的電壓為 0V。這時，各脈沖輸出引腳為低電平狀態(tài)。當(dāng)充電電源啟動的時候，處理器給出一個啟動信號。保護(hù)電路在沒有其他故障信號的情況下會給出一個低電平到三極管的基極，三極管關(guān)斷。芯片內(nèi)部的恒流源開始以電流 IRT給電容 C23 充電，SS／DISB 的電壓緩慢上升，實(shí)現(xiàn) UCC3895 的軟啟動。充電器發(fā)生故障的時候，保護(hù)電路會輸出一個高電平到 S3 基極，三極管導(dǎo)通，通過 R29 給電容 C23 放電，移相角隨之減小，當(dāng)引腳電壓低于 0.5V 的時候，封鎖脈沖。為了在發(fā)生故障的時候快速的停機(jī)，我們在這里使用的電阻 R29 阻值很小，目的是能迅速把電容上的電放完。4.3 驅(qū)動電路設(shè)計在電力電子系統(tǒng)中，設(shè)計 IGBT 的驅(qū)動電路和保護(hù)電路是應(yīng)用的關(guān)鍵。IGBT 柵極驅(qū)動電路應(yīng)具備如下基本功能：（1）提供足夠的柵極電壓來開通 IGBT 并在開通期間保持這個電壓；在最初開通階段，提供足夠的柵極驅(qū)動電流來減少開通損耗和保證 IGBT 的開通速度。（2）在最初開通階段，提供足夠的柵極驅(qū)動電流來減少開通損耗和保證 IGBT 的開通速度。（3）在關(guān)斷期間，提供一個反向偏置電壓來提高 IGBT 抗暫態(tài) dv/dt 的能力和抗EMI 噪聲的能力并減少關(guān)斷損耗。（4）在 IGBT 功率電路和控制電路之間提供電氣隔離。對 IGBT 逆變器，一般要求的電氣隔離為 2500V 以上。（5）在短路故障發(fā)生時，驅(qū)動電路會通過合理的柵極電壓動作進(jìn)行 IGBT 保護(hù)，并發(fā)出故障信號到控制系統(tǒng)。開關(guān)電源中常用的 IGBT 驅(qū)動方式有隔離變壓器驅(qū)動方式和專用驅(qū)動芯片驅(qū)動方式。專用驅(qū)動芯片因為電路連接簡單，可靠性高，有著廣泛的應(yīng)用。在本系統(tǒng)中使用的驅(qū)動芯片是 IR2110。IR2110 是 IR 公司的橋式驅(qū)動集成芯片，它采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，同時提高了電路的可靠性。IR2110 采用了CMOS 制造工藝，邏輯電源電壓的輸入范圍為 5 到 20 伏，可適用于 TTL 或是 CMOS 電電動汽車的快速充電設(shè)計13路，具有獨(dú)立的高端和低端 2 個輸出通道。其內(nèi)部功能圖如圖 7。圖 7 IR2110 內(nèi)部功能圖引腳 1 和 7 是兩路獨(dú)立的輸出，分別是 LO(低端輸出)HO(高端輸出)，引腳 3 和6 分別是 VCC(低端電源電壓)和 VB(高端浮置電源電壓)，引腳 9(VDD)是邏輯電路電源電壓，引腳 2(COM)是低端電源公共端，引腳 5 和 13 分別是 VS(高端浮置電源公共端)VSS(邏輯電路接地端)，引腳 10(HIN) 是邏輯輸入控制端，引腳 11(SD)是輸入關(guān)閉端，引腳 12(LIN)是低端邏輯輸入端。IR2110 浮置電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá) 500V，工作頻率達(dá)500kHz，兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。在本系統(tǒng)中共使用了兩只 IR2110 芯片，每只 IR2110 都接收來自移相控制芯片 UCC3895 的控制信號，其輸出端輸出兩路信號對同一橋臂兩只功率管的開通和關(guān)斷進(jìn)行控制，驅(qū)動電路的連接圖見圖 8。LO 1Us 5Vcc3Vb6 HO 7Vss 8HIN10SD11 LIN12 NC 4VDD9COM 2U10IR2110C251uFC260.47D9LO 1Us 5Vcc3Vb6 HO 7Vss 8HIN10SD11 LIN12 NC 4VDD9COM 2U11IR2110C281uFC270.47D10Rg1 20Rg2 20Rg3 20Rg4 20Vg1Vg2Vg3Vg4Vcc圖 8 驅(qū)動電路原理圖C24 和 C27 為自舉電容，它的使用可以保證下橋臂的迅速關(guān)閉，上橋臂導(dǎo)通時，電動汽車的快速充電設(shè)計14管子的柵極依靠 C24 和 C27 的儲能來驅(qū)動。D10 的使用是為了防止上橋臂導(dǎo)通時高電壓竄入到 VCC 端。IR2110 的開通延遲時間比關(guān)斷延遲時間要長，這保證了上下兩只功率管不會同時導(dǎo)通，為了更加安全可以加上二級管 D9 和D10。Rg1，Rg2，Rg3，Rg4 是限流電阻，防止電路中流過的電流太大，阻值一般都比較小，這里取 20 歐姆。4.4 檢測電路的設(shè)計要保證系統(tǒng)正常安全的工作，監(jiān)測和保護(hù)措施必不可少的，一方面單片機(jī)根據(jù)相關(guān)電路采集到的數(shù)據(jù)來判斷系統(tǒng)所處的工作階段，對預(yù)設(shè)的參考電壓和參考電流值進(jìn)行輸出，一方面判斷這些參數(shù)是否正常，如果不正常，則動作采取保護(hù)措施甚至是暫時關(guān)掉系統(tǒng)，直到異常結(jié)束后再重新啟動，繼續(xù)工作。工作時系統(tǒng)要監(jiān)測的參數(shù)主要包括充電電壓，充電電流和充電時電池的溫度等等，以實(shí)現(xiàn)對輸出電壓和電流的控制及對電路的保護(hù)。本設(shè)計的檢測電路主要以采集充電器的輸出電壓，輸出電流，電池的端電壓和溫度：(1)輸出電壓，采集輸出電壓是為了生成調(diào)節(jié)器的反饋信號和輸出過壓保護(hù)信號；(2)輸出電流，輸出電流生成調(diào)節(jié)器的電流反饋信號；（3）電池電壓，為了確定電池充電處于哪個階段；（4）電池溫度，一旦溫度過高，單片機(jī)會輸出信號封鎖 UCC3895 的 PWM 輸出。為了做到主電路與控制電路之間的電氣隔離，這里檢測電壓、電流分別使用了霍爾電壓傳感器和電流傳感器，溫度檢測用鉑熱電阻。4.4.1 充電器輸出電壓和電池電壓的檢測電池電壓的檢測為了確定電池充電處于何階段，而充電器輸出電壓的檢測是為了和給定值比較，輸出設(shè)定的恒定電壓值。兩者的檢測電路完全一樣，但是兩者的檢測點(diǎn)有所不同。前者的測量點(diǎn)在輸出濾波電容兩端（AC 兩點(diǎn)） ，而后者的測量點(diǎn)緊貼電池的兩端（BC 兩點(diǎn)） 。設(shè)計的充電器采用使用了南京中旭 HNV025A 型霍爾電壓傳感器。它是利用霍爾磁平衡原理的傳感器，能夠測量直流、交流以及各種波形的電壓，并且在電氣上是高度絕緣的。它的主要參數(shù)有：電源電壓±15V(±5％)，額定輸入電流±10mA，次級額定電流±25mA，響應(yīng)時間 1 、、 、Y、 、 A D C 、 I 、I + +N圖 14 電壓電流采集流程圖、 、 、 I O 、、 、 、 D A C、 、 、 、、 D A C 0 H 、 L 、 、 、、 、 、、 D A C 1 H 、 L 、 、 、、 、 、、 、、 、 、 I O 、圖 15 DAC 輸出流程圖電動汽車的快速充電設(shè)計245.4 系統(tǒng)總體控制軟件的設(shè)計充電器開始工作時，測電池電壓，看電池是否處于過放電狀態(tài)，如果電池已經(jīng)過放電，則在正式充電前給電池一段充電補(bǔ)足時間，如果沒有則進(jìn)入正常的充電過程，單片機(jī)從檢測到的電流電壓值來確定電池所處的充電階段，來決定是否需要進(jìn)到下一個充電階段。電池溫度作為充電過程中的一個監(jiān)控參數(shù)，看電池是否過熱，如果過熱需要封鎖 UCC3895 的脈沖輸出，待磷酸鐵鋰電池溫度回到正常允許的溫度后繼續(xù)回到前一階段充電。直到電池充滿，單片機(jī)一直封鎖脈沖信號的輸出并且蜂鳴器報警，防止電池過充?？傮w控制流程圖見圖 16。、 、 、 、 、、 、 、 、 、 、、 、 、 、 、 、、 、 、 、、 、 、 、 、、 、 、 、、 、 、 、 、 、 、、 、 、 、、 、 、 、 、、 、 、 、 、、 、 、 、、 、 、 、、 、 、 、 、、 、 、 、 、、 、 、 、 、、 、 、、 、 、 、 、 、 、、 、 、 、YYYYNNNNYNNYYN圖 16 系統(tǒng)總流程圖電動汽車的快速充電設(shè)計25結(jié) 論本論文針對目前比較熱的新能源技術(shù)—磷酸鐵鋰鋰離子電池，設(shè)計了基于磷酸鐵鋰電池電動汽車的快速充電器，以實(shí)現(xiàn)隨時隨地為電動汽車動力電池充電的功能。采用移相全橋軟開關(guān)電路，設(shè)計了開關(guān)器件的驅(qū)動電路和電路中的磁性元件，實(shí)現(xiàn)了電路的軟開關(guān)；基于 UCC3895 和單片機(jī) C8051f002 的輔助控制電路，通過對充電時電池的溫度，電壓和電流進(jìn)行監(jiān)控，來改變主充電電路的工作狀況，通過軟件來優(yōu)化充電控制的目的，最終實(shí)現(xiàn)最佳充電曲線。本課題研究立足于實(shí)際應(yīng)用需要，設(shè)計圍繞安全化、快速化、智能化的要求展開，主要完成如下任務(wù)：通過對鎳氫電池、鉛酸蓄電池快速充電方法的參考，對現(xiàn)階段流行的充電方法進(jìn)行了對比和研究，選用了三階段式充電的充電方法。利用高頻開關(guān)電源技術(shù)，以比較先進(jìn)的移相零電壓零電流全橋變換器為核心，對整個充電電源做了重點(diǎn)設(shè)計。進(jìn)行了充電電源主回路，濾波電路參數(shù)的計算和設(shè)計，完成了電池電壓檢測的硬件電路設(shè)計，電流檢測的電壓轉(zhuǎn)換電路以及溫度保護(hù)電路，較好的實(shí)現(xiàn)了電路功能。軟件方面，實(shí)現(xiàn)了溫度，電壓，電流參數(shù)采集的編程，充電狀態(tài)的切換以及在各個階段對電壓電流給定值的 DAC 輸出，以及開始充電時電池狀態(tài)的檢測判斷，充電開始和充電結(jié)束的控制。在實(shí)際設(shè)計的過程中，由于專業(yè)水平和所學(xué)知識的局限性，有很多東西要重新學(xué)習(xí)，例如磷酸鐵鋰電池的充電特性的認(rèn)識，C8051f002 單片機(jī)引腳功能的了解和程序設(shè)計流程的掌握，電動汽車充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和充電策略的認(rèn)識等。本設(shè)計需要弱電和強(qiáng)電的結(jié)合，不僅要弄懂單片機(jī)控制知識，還要熟悉電力電子方面的知識。開始設(shè)計時困難重重，不知從何下手。后來在趙老師的指導(dǎo)下，有的放矢的參考了一些資料，大致的設(shè)計思想漸漸清晰。把整體分割到部分，然后針對各個部分集中學(xué)習(xí)，解決具體的問題。最后在自己堅持不懈的努力和老師的耐心幫助下，問題各個擊破，設(shè)計的目標(biāo)最終得以完成。在此次畢業(yè)設(shè)計中，尤其是在實(shí)驗階段，感想很多、收獲很多。這些感想、收獲來源于實(shí)踐經(jīng)驗，因而相對于前幾年的理論學(xué)習(xí)更加直接和深刻，是極為寶貴的精神財富，對今后的學(xué)習(xí)研究甚至其它工作都具有重大的指導(dǎo)意義。畢業(yè)設(shè)計時間很短，但這次設(shè)計的整個過程由趙老師指導(dǎo)并由我一人所做，真