電動(dòng)汽車的快速充電設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車的快速充電設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車的快速充電設(shè)計(jì)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(jì)出電動(dòng)汽車用磷酸鐵鋰電池快速充電器。充電方法的選擇對(duì)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(jì)了基于C8051f002單片機(jī)和UCC3895的輔助控制電路，通過對(duì)充電電路的輸出電壓和輸出電流，電池溫度的監(jiān)控，針對(duì)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(gè)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(jì)，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(dòng)汽車 ZVZCS軟開關(guān) IGBT UCC3895 THE 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目 錄摘 要IABSTRACTII1. 前言11.1 電動(dòng)汽車概況11.2 新一代鋰動(dòng)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(jì)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(jì)74.1 調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)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(jì)84.2 脈沖發(fā)生電路及驅(qū)動(dòng)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(jì)104.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)124.4 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)134.4.1充電器輸出電壓和電池電壓的檢測(cè)144.4.2 輸出電流的檢測(cè)電路154.4.3 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(jiǎn)介174.5.2 晶振電路的設(shè)計(jì)184.5.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)184.5.4 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)194.6 輔助電源電路的設(shè)計(jì)204.7 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)215. 充電器軟件的設(shè)計(jì)225.1 軟件的設(shè)計(jì)思路225.2 電壓、電流采集模塊的設(shè)計(jì)225.3 DAC輸出模塊的設(shè)計(jì)225.4 系統(tǒng)總體控制軟件的設(shè)計(jì)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35351. 前言1.1 電動(dòng)汽車概況電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車的動(dòng)力源泉，也是一直制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)在，零排放電動(dòng)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(dòng)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(dòng)勢(shì)高、無記憶效應(yīng)、放電電壓平穩(wěn)、循環(huán)壽命長(zhǎng)、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(dòng)汽車的高潮。電動(dòng)汽車的出現(xiàn)，將會(huì)大幅度帶動(dòng)充電電源技術(shù)的發(fā)展。但電動(dòng)汽車的市場(chǎng)化一直受到一些關(guān)鍵技術(shù)的困擾。目前電動(dòng)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(dòng)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(shí)隨地方便及時(shí)地對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，能夠有效延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，從而能有利于電動(dòng)汽車的推廣。所以說電動(dòng)汽車的電池快速安全充電是電動(dòng)汽車投入市場(chǎng)前，必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，適合電動(dòng)汽車的充電器勢(shì)在必行。1.2 新一代鋰動(dòng)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(dòng)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(jià)格低且磷、鋰、鐵存在于地球的資源含量豐富，不會(huì)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(shì)，憑借這些優(yōu)勢(shì)，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(jì)劃，成為國家重點(diǎn)支持和鼓勵(lì)發(fā)展的項(xiàng)目。優(yōu)勢(shì)如下：1、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(huì)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(zhǎng)，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13，鎳氫電池的63，體積小，商品設(shè)計(jì)可輕量化；4、放電平臺(tái)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(dòng)力電池的最大優(yōu)勢(shì)。磷酸鐵鋰電池憑借其顯著的優(yōu)勢(shì)，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(duì)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(dòng)力電池快速充電器，大大縮短電動(dòng)汽車的充電時(shí)間，加速電動(dòng)汽車的推廣。1.3 本文研究的主要內(nèi)容電動(dòng)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(duì)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(jì)中，本文設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車用磷酸鐵鋰動(dòng)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(xiàng)功能。通過對(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)單、無耗能元件和有源開關(guān)、副邊整流管電壓應(yīng)力小、整體效率高等優(yōu)點(diǎn)。利用該拓?fù)溲兄屏?6kW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380V50Hz，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(jì)方案2.1 系統(tǒng)框圖該電動(dòng)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(dòng)電路，保護(hù)電路等。系統(tǒng)框圖如圖1。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(gè)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(gè)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(shí)單片機(jī)檢測(cè)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(cè)電池電壓電流值來決定是否在切換到下一個(gè)的充電階段。同時(shí)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(shí)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(gè)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(duì)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(chǎng)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(shí)存在著拖尾電流，會(huì)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(shí)工作在飽和狀態(tài)，在換相期間可以阻止下半個(gè)周期導(dǎo)通時(shí)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(gè)系統(tǒng)的效率。方案三：采用副邊帶簡(jiǎn)單輔助電路的ZVZCS變換電路。該電路使用一個(gè)電容和兩個(gè)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(jiǎn)單，控制方法簡(jiǎn)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(chǎng)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(duì)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(shí)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(gè)開關(guān)周期中僅工作很短一段時(shí)間，對(duì)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(jiǎn)單輔助電路的ZVZCS變換電路。3. 主充電電路工作原理本論文對(duì)多種ZVZCS全橋變換器進(jìn)行了比較研究，選用了新型帶簡(jiǎn)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(gè)小電容和兩個(gè)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(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在中大功率場(chǎng)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。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(gè)開關(guān)周期內(nèi)可以認(rèn)為是一個(gè)恒流源。電路在半個(gè)開關(guān)周期內(nèi)一共可分為6個(gè)工作過程，具體工作原理如下：過程1：S1和S4剛同時(shí)導(dǎo)通，輔助電路電容Cc與變壓器漏感Lik發(fā)生諧振，通過DcCo支路充電，VCc開始升高，半個(gè)諧振周期過后，VCc達(dá)到最大值，諧振停止。過程2：半個(gè)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(shí)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)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(shí)，Q4仍在導(dǎo)通，此時(shí)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?yàn)樽儔浩髀└写嬖?，原邊電流不可能突然上升。Q3的開通為零電流開通。半個(gè)開關(guān)周期工作過程結(jié)束，進(jìn)入下半個(gè)周期，其工作過程和前半個(gè)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。4. 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)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(dòng)電路，檢測(cè)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(jì)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(jì)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(jì)方法簡(jiǎn)單，不需要太多的驗(yàn)前知識(shí)，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(huì)獲得明顯的效果。因此，本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用了PI調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)對(duì)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。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(duì)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(shí)，比例調(diào)節(jié)器才有控制量輸出，因此對(duì)于大部分控制對(duì)象，單用比例調(diào)節(jié)器會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)誤差。積分調(diào)節(jié)器的作用是把偏差累計(jì)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(huì)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。4.1.2 充電控制策略本文設(shè)計(jì)的充電器針對(duì)一般的電動(dòng)轎車用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，電池的端電壓為144V，容量120AH。本設(shè)計(jì)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(cè)電池組的端電壓，對(duì)過放電的電池，采用短時(shí)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?cè)O(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(cè)電池的端電壓和溫度。當(dāng)端電壓上升到144V時(shí)，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(shí)電池電流會(huì)逐漸降低，過程中一直檢測(cè)電池電流。當(dāng)電流下降到C/20時(shí)，轉(zhuǎn)到浮充階段。保持輸出電壓為134V，當(dāng)檢測(cè)到電池電流為C/100時(shí)，停止充電，整個(gè)充電過程結(jié)束。4.1.3 電壓電流雙調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)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(shí)。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(shí)刻趨于理想值，使偏差值趨于最小。因此，我們可以對(duì)輸出電壓和電流分別進(jìn)行閉環(huán)控制，控制器采用PI調(diào)節(jié)器，原理圖如圖5。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(gè)PI調(diào)節(jié)器是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)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(shí)候充電電壓達(dá)不到U，電壓PI的輸出是飽和輸出。這個(gè)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(shí)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(dòng)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(cè)到充電電流小于設(shè)定的停機(jī)電流時(shí)，轉(zhuǎn)到浮充階段。4.2 脈沖發(fā)生電路及驅(qū)動(dòng)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(shí)對(duì)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(duì)程序的實(shí)時(shí)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(shì)：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(shí)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03.6V的電壓信號(hào)，就可產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的移相信號(hào)。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(shì)。它是成熟的工業(yè)產(chǎn)品，已經(jīng)在市場(chǎng)上經(jīng)過了多年的檢驗(yàn)。該充電電源在今后的應(yīng)用中需要與監(jiān)控系統(tǒng)，電動(dòng)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(shí)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(shí)和自適應(yīng)延時(shí)設(shè)置，既可用于電流模式，又可用于電壓模式?？蓪?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(jiǎn)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(jì)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(shí)死區(qū)最大值與最小值之比。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(shí)。VDEL=0.75（VCS一VADS）+0.5V （1）這里我們采用固定死區(qū)時(shí)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(hào)。引腳帶有內(nèi)部放電晶體管。該晶體管在振蕩器死區(qū)時(shí)間內(nèi)被觸發(fā)。同步振蕩器的工作頻率由定時(shí)電容CT和定時(shí)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(gè)鋸齒波。由式2可近似得到振蕩周期。TOSC=5RTxCT48+120ns（2）DELAB和DELCD引腳是用來控制死區(qū)時(shí)間的。同一橋臂上的兩個(gè)管子的死區(qū)延時(shí)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(gè)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。SSDISB引腳是一個(gè)很重要的引腳，它是控制軟啟動(dòng)和封鎖脈沖的引腳。當(dāng)它的電壓低于0.5V的時(shí)候，芯片會(huì)立刻封鎖脈沖，所有的脈沖輸出引腳全部為低電平。當(dāng)SSDISB高于0.5V的時(shí)候，它的電壓會(huì)箝位差分放大器的輸出，可以起到軟啟動(dòng)的作用。如圖6所示，在SSDISB引腳與地之間接了一只電解電容C23，一只三極管S3和一只電阻R29與這個(gè)電容并聯(lián)。SSDISB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(shí)候，三極管導(dǎo)通，SSDISB的電壓為0V。這時(shí)，各脈沖輸出引腳為低電平狀態(tài)。當(dāng)充電電源啟動(dòng)的時(shí)候，處理器給出一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)。保護(hù)電路在沒有其他故障信號(hào)的情況下會(huì)給出一個(gè)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，SSDISB的電壓緩慢上升，實(shí)現(xiàn)UCC3895的軟啟動(dòng)。充電器發(fā)生故障的時(shí)候，保護(hù)電路會(huì)輸出一個(gè)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(shí)候，封鎖脈沖。為了在發(fā)生故障的時(shí)候快速的停機(jī)，我們?cè)谶@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(dòng)電路設(shè)計(jì)在電力電子系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路是應(yīng)用的關(guān)鍵。IGBT柵極驅(qū)動(dòng)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(gè)電壓；在最初開通階段，提供足夠的柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(gè)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(duì)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(shí)，驅(qū)動(dòng)電路會(huì)通過合理的柵極電壓動(dòng)作進(jìn)行IGBT保護(hù)，并發(fā)出故障信號(hào)到控制系統(tǒng)。開關(guān)電源中常用的IGBT驅(qū)動(dòng)方式有隔離變壓器驅(qū)動(dòng)方式和專用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)方式。專用驅(qū)動(dòng)芯片因?yàn)殡娐愤B接簡(jiǎn)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(dòng)芯片是IR2110。IR2110是IR公司的橋式驅(qū)動(dòng)集成芯片，它采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，同時(shí)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電路，具有獨(dú)立的高端和低端2個(gè)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(hào)，其輸出端輸出兩路信號(hào)對(duì)同一橋臂兩只功率管的開通和關(guān)斷進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)電路的連接圖見圖8。圖8 驅(qū)動(dòng)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(shí)，管子的柵極依靠C24和C27的儲(chǔ)能來驅(qū)動(dòng)。D10的使用是為了防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)高電壓竄入到VCC端。IR2110的開通延遲時(shí)間比關(guān)斷延遲時(shí)間要長(zhǎng)，這保證了上下兩只功率管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，為了更加安全可以加上二級(jí)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(cè)電路的設(shè)計(jì)要保證系統(tǒng)正常安全的工作，監(jiān)測(cè)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(duì)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(dòng)作采取保護(hù)措施甚至是暫時(shí)關(guān)掉系統(tǒng)，直到異常結(jié)束后再重新啟動(dòng)，繼續(xù)工作。工作時(shí)系統(tǒng)要監(jiān)測(cè)的參數(shù)主要包括充電電壓，充電電流和充電時(shí)電池的溫度等等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和電流的控制及對(duì)電路的保護(hù)。本設(shè)計(jì)的檢測(cè)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(hào)和輸出過壓保護(hù)信號(hào)；(2)輸出電流，輸出電流生成調(diào)節(jié)器的電流反饋信號(hào)；（3）電池電壓，為了確定電池充電處于哪個(gè)階段；（4）電池溫度，一旦溫度過高，單片機(jī)會(huì)輸出信號(hào)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(cè)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(cè)用鉑熱電阻。4.4.1充電器輸出電壓和電池電壓的檢測(cè)電池電壓的檢測(cè)為了確定電池充電處于何階段，而充電器輸出電壓的檢測(cè)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(cè)電路完全一樣，但是兩者的檢測(cè)點(diǎn)有所不同。前者的測(cè)量點(diǎn)在輸出濾波電容兩端（AC兩點(diǎn)），而后者的測(cè)量點(diǎn)緊貼電池的兩端（BC兩點(diǎn)）。設(shè)計(jì)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(cè)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(jí)額定電流25mA，響應(yīng)時(shí)間40ps，絕緣電壓2.5kV50Hzlmin 。這種電壓傳感器使用非常方便，只需要在電壓傳感器的原邊按照額定輸入電流選取合適的采樣電阻，就把被測(cè)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電流信號(hào)。傳感器的次級(jí)使用一只小電阻，再把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)供控制電路使用。整個(gè)采樣電路的原理圖如圖9。圖9 電池電壓采集電路我們以直流母線電壓150V來計(jì)算采樣電阻，電壓傳感器的額定輸入電流Iin=10mA，所以我們可以計(jì)算需要的采樣電阻的阻值R3=15K。傳感器的次級(jí)輸出側(cè)有一只200歐的小電阻將電流信號(hào)再轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，額定輸出25mA將得到5V的電壓信號(hào)。LM258在15V供電的時(shí)候最大輸出能到13.5V。運(yùn)算放大器LM258當(dāng)作電壓跟隨器使用，輸出電壓與輸入電壓同相，它可以提高帶負(fù)載能力，提高輸出功率。利用其輸入阻抗高、輸出阻抗低的特性作為緩沖電路。電壓信號(hào)從電壓跟隨器輸出之后再經(jīng)過一個(gè)濾波環(huán)節(jié)送到后面的電路。被測(cè)電壓與采樣電路輸出的電壓信號(hào)之間的關(guān)系為600V：5V。電池電壓的檢測(cè)電路與輸出電壓檢測(cè)電路完全一樣，這里就把輸出電壓的采集電路省略了。4.4.2 輸出電流的檢測(cè)電路對(duì)于電流參數(shù)的采集，比較常用的方法有幾種比如采樣電阻采樣，電流互感器采樣。因?yàn)檩敵鲭娏鞅容^大，使用采樣電阻損耗將比較大，可以使用電流互感器來采集電流參數(shù)。本充電器選用了南京中旭的HNC300US系列霍爾電流傳感器，它是利用霍爾原理的電流傳感器。能在電隔離的條件下測(cè)量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流。這種電流傳感器具有良好的線性精度，抗干擾能力強(qiáng)，頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。主要參數(shù)如下：電源電壓15V(5)，額定輸入電流300ACDC，次級(jí)額定電流150mA，響應(yīng)時(shí)間1us, 緣電壓6kV50Hzlmin。該電流傳感器的使用非常簡(jiǎn)單，只需將輸出電流從傳感器穿芯孔中穿入，即可從輸出端子得到與被測(cè)電流對(duì)應(yīng)的電流。然后把這個(gè)電流信號(hào)送回控制板，經(jīng)過與下圖電路處理。電流信號(hào)的調(diào)理電路與電壓信號(hào)的調(diào)理電路基本相同，只是采樣電阻不同。輸出電流的檢測(cè)電路如圖10。圖10 電池電流采集電路我們以輸出電流300A來設(shè)計(jì)，電流傳感器的額定輸出電流為150mA。R6為100歐，在經(jīng)過R7和R8分壓，得到5V的電壓。把運(yùn)算放大器LM258當(dāng)作電壓跟隨器使用，輸出電壓與輸入電壓同相，它可以提高帶負(fù)載能力，提高輸出功率。之后再經(jīng)過一個(gè)濾波環(huán)節(jié)送到后面的電路。被測(cè)電流與采樣電路輸出的電壓信號(hào)之間的關(guān)系為300A：5V。4.4.3 溫度采樣及保護(hù)電路充電電源是一個(gè)上百種元件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，在長(zhǎng)時(shí)間惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用過程中有可能出現(xiàn)故障。任何一個(gè)產(chǎn)品只可能降低故障發(fā)生的概率，而不可能完全避免故障。但發(fā)生故障的時(shí)候如果沒有及時(shí)采取保護(hù)措施，就會(huì)危害到充電電源的運(yùn)行安全，嚴(yán)重的還會(huì)造成生命財(cái)產(chǎn)損失。所以對(duì)于中大功率的電力電子設(shè)備，必須設(shè)計(jì)完善的保護(hù)電路。由于筆者的學(xué)識(shí)有限，本設(shè)計(jì)中僅用了溫度保護(hù)電路和輸出電壓保護(hù)等。溫度是影響電源設(shè)備可靠性的重要因數(shù)。據(jù)相關(guān)資料表明：電子元器件溫度每升高2，可靠性下降10，溫升50是工作壽命只有溫升25時(shí)的16，故為了避免由于溫度過高造成功率器件的損壞，需在電路中設(shè)置過熱保護(hù)電路。本文采用鉑熱電阻PTl00，對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)。PTl00是一種穩(wěn)定度和線性度較好的鉑絲熱電阻傳感器，可工作在-200至650的范圍。本電路限制其工作范圍為0至80，查廠家的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，在O時(shí)的電阻值為100歐，80的電阻值為1309歐。因?yàn)镻Tl00是隨溫度變化而電阻變換的，需將阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓變換，故本文設(shè)計(jì)了一個(gè)由鉑熱電阻、運(yùn)算放大器和鏡像恒流源組成的電路，來實(shí)現(xiàn)溫度對(duì)電壓的轉(zhuǎn)換。溫度采集及保護(hù)電路如圖11。圖11 溫度采集和保護(hù)電路鏡像恒流源產(chǎn)生穩(wěn)定電流25mA為PTl00供電，將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)經(jīng)RC濾波和設(shè)定值比較后送入單片機(jī)的P0.3口，保護(hù)電路部分將80時(shí)的電壓值作為基準(zhǔn)。當(dāng)超過此基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器產(chǎn)生高電平，單片機(jī)檢測(cè)到高電平，便在P0.7口輸出高電平，即發(fā)出一個(gè)TSHOT信號(hào)到UCC3895，從而控制UCC3895封鎖/允許輸出脈沖，實(shí)現(xiàn)故障時(shí)控制器快速關(guān)斷PWM輸出。當(dāng)溫度重新降下來時(shí)，P0.7口仍然輸出低電平，三極管S3關(guān)斷。芯片內(nèi)部的恒流源開始以電流IRT給電容C23充電，SSDISB的電壓緩慢上升。差分放大器的輸出電壓在SSDISB的箝位作用下也緩慢上升，移相角度逐漸加大，所以充電電源的輸出電壓逐漸升高，實(shí)現(xiàn)了充電電源的軟啟動(dòng)。4.5 C8051f002 單片機(jī)系統(tǒng)4.5.1 C8051f002 8位單片機(jī)簡(jiǎn)介控制系統(tǒng)的單片機(jī)選用Cygnal集成產(chǎn)品公司推出的C8051f002。首先，我們了解下C8051F系列單片機(jī)。C8051F單片機(jī)是完全集成混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC），具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS51指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803805X匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。這些外設(shè)或功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBUS、12C、UART、SPI、定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器、定時(shí)器陣列(PCA) 、數(shù)字I/O端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器(WDT)和時(shí)鐘振蕩器等。所有器件都有內(nèi)置的FLASH程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的內(nèi)部RAM，有些器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的RAM，即XRAM。 C8051f002完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，工作電壓2.7V3.6V， 具有8個(gè)數(shù)字I/O 引腳，下面列出了一些主要特性：1、高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051 兼容的CIP-51 內(nèi)核（可達(dá)25MIPS）， 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；2、真正12 位100 ksps 的8 通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)和真正8 位500 ksps 的ADC，帶PGA 和8 通道模擬多路開關(guān)；3、兩個(gè)12 位DAC和兩個(gè)電壓比較器，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；4、具有5 個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列；5、片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器；6、硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/ I2C 和兩個(gè)UART 串行接口；7、32K 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH 存儲(chǔ)器；8、可尋址64K 字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；9、有256字節(jié)的片內(nèi)RAM，運(yùn)行速度可達(dá)20 MIPS；10、5 個(gè)通用的16 位定時(shí)器； C8051f002單片機(jī)所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH 存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051 固件。片內(nèi)JTAG 調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU 進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG 調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。 4.5.2 晶振電路的設(shè)計(jì)晶振電路是單片機(jī)工作的基礎(chǔ)，同時(shí)它也是產(chǎn)生電磁輻射的主要來源，其性能好壞直接影響到系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，所以時(shí)鐘電路在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有至關(guān)重要。每個(gè)單片機(jī)都有一個(gè)內(nèi)部振蕩器和一個(gè)外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)復(fù)位后從內(nèi)部振蕩器啟動(dòng)。內(nèi)部振蕩器的啟動(dòng)是瞬間完成的，它可以被允許或禁止。其振蕩頻率可以用內(nèi)部振蕩器控制寄存器OSCICN來改變。外部振蕩器需要一個(gè)外部諧振器（并行方式的晶體）連接到XTAL1/ XTAL2引腳。必須在OSCXCN為這些振蕩源寄存器中某一配置振蕩器電路一個(gè)外部CMOS時(shí)鐘也可以通過驅(qū)動(dòng)XTAL1引腳提供系統(tǒng)時(shí)鐘。XTAL1/ XTAL2引腳的耐壓值是3.6V，而不是5V。即使在單片機(jī)已經(jīng)切換到內(nèi)部振蕩器時(shí)，外部振蕩器仍能保持允許狀態(tài)運(yùn)行。C8051f002支持四種不同的外部振蕩器配置，這里我們選用外部晶體配置。主時(shí)鐘可以通過一個(gè)晶體并接在XTAL1和XTAL2而得到。這種配置需將XOSCMD設(shè)置為“110”以直接使用晶體頻率，或設(shè)置為“111”以使能二分頻，并且要根據(jù)晶體頻率等效負(fù)載電容和晶體的等效串聯(lián)電阻ESR來設(shè)置XFCN。應(yīng)查詢OSCXCN中的XTLVLD（晶體振蕩器有效位），或用該位產(chǎn)生中斷，判斷晶體振蕩器頻率是否穩(wěn)定。一旦XTLVLD變?yōu)楦唠娖剑梢园袰LKSL位置1，以使用外部振蕩器作為系統(tǒng)時(shí)鐘。另外晶體振蕩器電路對(duì)PCB布局非常敏感，將晶體盡可能地靠近器件的XTAL引腳，布線應(yīng)盡量短，并用地平面屏蔽，以防止其他引線引入噪聲或干擾。4.5.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)單片機(jī)的復(fù)位電路可以很容易地將控制器處于預(yù)定的缺省狀態(tài)。在進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)時(shí)CIP-51停止執(zhí)行程序，將外部端口引腳置于已知狀態(tài)，將SFR初始化為缺省值，并禁止中斷定時(shí)器。在退出復(fù)位狀態(tài)時(shí)，程序計(jì)數(shù)器將復(fù)位，程序從ox0000開始執(zhí)行。所有的SFR都將初始化為預(yù)定值。在復(fù)位期間，內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容不改變，復(fù)位前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)保持不變，但由于堆棧指針SFR被復(fù)位，堆棧實(shí)際上已經(jīng)丟失，盡管堆棧中的數(shù)據(jù)沒發(fā)生變化。IO口鎖存器的復(fù)位值為oxFF。內(nèi)部的弱上拉有效，使外部IO引腳處于高電平狀態(tài)。如果復(fù)位源是VDD監(jiān)視器，或是一個(gè)向PORSF寫1的操作，則/RST引腳被驅(qū)動(dòng)為低電平，直到VDD復(fù)位超時(shí)時(shí)間結(jié)束。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中為了防止程序進(jìn)入死循環(huán)，影響充電電源安全，需要設(shè)計(jì)復(fù)位電路來保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。本設(shè)計(jì)的復(fù)位電路包括上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩部分。上電復(fù)位是單片機(jī)一上電便對(duì)片內(nèi)的寄存器和IO口初始化，方便執(zhí)行新的程序；手動(dòng)按鍵復(fù)位用于由于單片機(jī)受到外部干擾或出現(xiàn)當(dāng)程序工作異常時(shí)，手動(dòng)復(fù)位單片機(jī)。4.5.4 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)單片機(jī)的外圍電路如圖12。圖12 單片機(jī)外圍電路圖單片機(jī)在充電器工作過程中主要起幾個(gè)作用，包括對(duì)檢測(cè)到的電流值，電壓值，電池溫度等進(jìn)行采集和變換，通過得到的數(shù)據(jù)判斷電池的狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)讀到的充電前人工設(shè)置電流和電壓值來決定輸出電流或是電壓的參考值，多臺(tái)充電器聯(lián)機(jī)充電時(shí)負(fù)責(zé)和上一級(jí)的管理單位的聯(lián)絡(luò)和通信。因此需要用到單片機(jī)的ADC模塊，PWM模塊，用于多機(jī)通信用的串口，一定數(shù)量的輸入輸出口。C8051f002有8通道的12位ADC模塊和8通道的8位ADC模塊。2個(gè)12位分辨率的DAC模塊以及PWM模塊以及串口，系統(tǒng)資源完全可以滿足使用時(shí)的需要，而且由于C8051f002單片機(jī)可以在線編程，所以程序的調(diào)試可以通過直接燒寫后根據(jù)工作現(xiàn)象再結(jié)合串口調(diào)試工具來進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，從而使系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)濟(jì)方便。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)內(nèi)部集成的12位ADC模塊的AIN0，AIN1兩通道分別對(duì)經(jīng)過檢測(cè)電路的電池端電壓VF0，充電器的輸出電流IFB進(jìn)行轉(zhuǎn)換，存入單片機(jī)的寄存器中，同時(shí)采集輸出電壓VF1來作為反饋值。DAC0和DAC1分別輸出充電器輸出電壓Vref和電流的給定值Iref，和反饋電壓、電流值比較，到PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。P0.3口用于接收電池的過熱信號(hào)。電池溫度超過80時(shí)，P0.3接收到高電平，則P0.7口輸出T-SHUT 高電平信號(hào)，從而封鎖UCC3895的脈沖輸出。4.6 輔助電源電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)要正常運(yùn)行，電子元件工作時(shí)需要外電源對(duì)它們進(jìn)行供電，本系統(tǒng)中需要的供電電源規(guī)格如下：控制電路中的邏輯芯片需要+5V工作電源,單片機(jī)需要+3.3V工作電源；比較器，移相控制芯片UCC3895， IR2110，電流傳感器，電壓傳感器需要+15V的工作電源；需要說明的是比較器，電流傳感器，電壓傳感器都是可以工作在正負(fù)電源供電的情況下的，只是在本系統(tǒng)的應(yīng)用中，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的需要對(duì)電路進(jìn)行了處理和簡(jiǎn)化，而移相控制芯片UCC3895，IR2110的工作電壓則是一個(gè)電壓范圍，在這里也作了處理，統(tǒng)一設(shè)計(jì)為+15V供電。以上電源統(tǒng)稱為輔助電源，在對(duì)電源功率沒有很大要求時(shí)可以采用線性電源供電，當(dāng)然也可以采用開關(guān)電源作為輔助電源，在本系統(tǒng)中采用線性電源作為供電電源。具體連接圖見圖13。圖13 輔助電源電路A相，B相或C相任意一相和中線配合構(gòu)成220V交流電。220V交流電經(jīng)過變壓器T2后得到電壓大約為12V的交流電經(jīng)過整流橋，C10，C6的整流濾波后得到大約17V的直流電，經(jīng)過三端穩(wěn)壓器件U2 7815后得到15V的直流輸出，7815的最大輸出電流為1.5A，輸出功率可以滿足各路元件的需求，15伏的直流輸出通過U2 7805得到5V的直流輸出，為部分電壓要求為5V的元件提供工作電壓。5V的直流輸出再通過精密電阻分壓得到3.3V的電壓給單片機(jī)供電和提供基準(zhǔn)電壓。其中整流橋上四個(gè)0.01uF的電容是為了防止二極管上出現(xiàn)諧波疊加，損害管子。4.7 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)硬件抗干擾效率高，若硬件措施得當(dāng)，可以將絕大多數(shù)干擾拒之門外。硬件抗干擾技術(shù)主要有以下幾種：(1)電氣隔離。在輸入輸出通道上通過電磁隔離器件傳輸信息可將單片機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)從電氣上隔離開來，阻擋很大一部分干擾。(2)硬件濾波。RC低通濾波器可以大大減弱各類高頻干擾信號(hào)(如各類“毛刺”干擾)。(3)良好的接地。有兩種接地：一種是為人身或設(shè)備安全目的，把設(shè)備的外殼接地，這種接地叫外殼接地或安全接地；另一種是為電路工作提供一個(gè)公共的電位參考點(diǎn)，這種接地稱為工作接地。兩種接地系統(tǒng)都要設(shè)計(jì)合理，同時(shí)，系統(tǒng)的數(shù)字地與模擬地要分開。(4)屏蔽。高頻電源、交流電源、強(qiáng)電設(shè)備、電弧產(chǎn)生的電火花，甚至雷電，都能產(chǎn)生電磁波，從而成為電磁干擾的噪聲源。用金屬外殼將器件包圍起來，再將金屬外殼接地，其對(duì)屏蔽各種通過電磁感應(yīng)引起的干擾非常有效。5. 充電器軟件的設(shè)計(jì)5.1 軟件的設(shè)計(jì)思路充電器的控制軟件是充電器的靈魂。它擔(dān)負(fù)著充電電源各元器件工作順序控制，啟動(dòng)停機(jī)控制，輸出設(shè)定，檢測(cè)信號(hào)AD采集，保護(hù)電路等多項(xiàng)任務(wù)。本設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)充電過程的管理主要靠單片機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)，在控制過程中主要需要解決以下問題：開始充電前，單片機(jī)根據(jù)得到的設(shè)置面板設(shè)置好的充電參數(shù)，對(duì)電池進(jìn)行檢測(cè)，判斷電池的新舊，選擇合適的充電方法，檢測(cè)電池充電前所處的狀態(tài)，是否存在過放電，如果有則對(duì)電池進(jìn)行補(bǔ)足充電，沒有就轉(zhuǎn)入正常的充電過程中。根據(jù)充電狀態(tài)適時(shí)轉(zhuǎn)變充電階段。各個(gè)主要充電階段保持某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)不變，不同充電階段都需要一定時(shí)間來實(shí)現(xiàn)，要適時(shí)轉(zhuǎn)變充電階段。這一過程可以通過不斷采樣磷酸鐵鋰電池端電壓，在電池達(dá)到預(yù)定的停充電壓或是電流時(shí)，停止這一階段的充電，并調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)入下一階段的充電過程。在充電過程中主要有溫度，電壓，電流三個(gè)主要參數(shù)要需要不停的檢測(cè)?？刂扑惴ㄔO(shè)計(jì)完成后，將軟件固化到單片機(jī)的EEPROM中。軟件實(shí)現(xiàn)的過程是根據(jù)采樣參數(shù)確定相應(yīng)的充電階段，使充電電壓沿著預(yù)定的趨勢(shì)變化。5.2 電壓、電流采集模塊的設(shè)計(jì)在整個(gè)電路的充電過程中，充電電流、充電電壓和電池溫度都是很重要的參數(shù)，它們?yōu)橄乱徊娇刂撇呗缘拇_定提供了重要的依據(jù)。其中，溫度信號(hào)的采集主要是通過單片機(jī)對(duì)鉑熱電阻上的電壓測(cè)量來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)電流電壓采集主要是單片機(jī)的內(nèi)部集成的ADC對(duì)電流電壓傳感器采集得到的0-5V電壓信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，它們的思路大體一致。這里我們主要講述電流和電壓采集軟件設(shè)計(jì)。電池電壓、電流的采集流程圖如圖14。5.3 DAC輸出模塊的設(shè)計(jì)由于采用三階段法，充電時(shí)充電器在各個(gè)階段輸出的電流或是電壓值是不同的，因此每階段電流電壓的給定值也有所不同，在本系統(tǒng)中電壓電流給定值的輸出主要是靠單片機(jī)內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器經(jīng)DA轉(zhuǎn)換輸出并濾波得到模擬給定值來實(shí)現(xiàn)，DAC輸出流程圖見圖15。圖14 電壓電流采集流程圖圖15 DAC輸出流程圖5.4 系統(tǒng)總體控制軟件的設(shè)計(jì)充電器開始工作時(shí)，測(cè)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(shí)間，如果沒有則進(jìn)入正常的充電過程，單片機(jī)從檢測(cè)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(gè)充電階段。電池溫度作為充電過程中的一個(gè)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(hào)的輸出并且蜂鳴器報(bào)警，防止電池過充。總體控制流程圖見圖16。圖16 系統(tǒng)總流程圖結(jié) 論本論文針對(duì)目前比較熱的新能源技術(shù)磷酸鐵鋰鋰離子電池，設(shè)計(jì)了基于磷酸鐵鋰電池電動(dòng)汽車的快速充電器，以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電的功能。采用移相全橋軟開關(guān)電路，設(shè)計(jì)了開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)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(duì)充電時(shí)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(jì)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(duì)鎳氫電池、鉛酸蓄電池快速充電方法的參考，對(duì)現(xiàn)階段流行的充電方法進(jìn)行了對(duì)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(duì)整個(gè)充電電源做了重點(diǎn)設(shè)計(jì)。進(jìn)行了充電電源主回路，濾波電路參數(shù)的計(jì)算和設(shè)計(jì)，完成了電池電壓檢測(cè)的硬件電路設(shè)計(jì)，電流檢測(cè)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(gè)階段對(duì)電壓電流給定值的DAC輸出，以及開始充電時(shí)電池狀態(tài)的檢測(cè)判斷，充電開始和充電結(jié)束的控制。在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，由于專業(yè)水平和所學(xué)知識(shí)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(shí)，C8051f002單片機(jī)引腳功能的了解和程序設(shè)計(jì)流程的掌握，電動(dòng)汽車充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和充電策略的認(rèn)識(shí)等。本設(shè)計(jì)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(shí)，還要熟悉電力電子方面的知識(shí)。開始設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)思想漸漸清晰。把整體分割到部分，然后針對(duì)各個(gè)部分集中學(xué)習(xí)，解決具體的問題。最后在自己堅(jiān)持不懈的努力和老師的耐心幫助下，問題各個(gè)擊破，設(shè)計(jì)的目