一種電動汽車的快速充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　由于石油危機(jī)和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染，電動汽車發(fā)展已經(jīng)是大勢所趨。蓄電池為電動汽車提供動力，而蓄電池充電性能直接影響蓄電池的使用和壽命，蓄電池一般分為鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。由于蓄電池種類繁多且容量不一，不同種類和容量的蓄電池往往需要不同的充電器匹配，如果蓄電池的充電器匹配不好會出現(xiàn)過充過熱等不安全現(xiàn)象，從而影響蓄電池的正常使用并縮短蓄電池壽命。因此，設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)控制的能為各類蓄電池充電的多功能充電系統(tǒng)是十分必要的。多功能充電系統(tǒng)能快速穩(wěn)定地為不同類型和不同容量的蓄電池充電，我們在軟件上針對不同類型的蓄電池設(shè)計(jì)了相應(yīng)的充電方法，使每種蓄電池都能在最佳充電方法下充電。對于不同容量的蓄電池，在選擇好充電方法時只要設(shè)定充電參數(shù)即可快速穩(wěn)定地為蓄電池充電。

　　1 硬件電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用移相全橋軟開關(guān)電路，即將Boost電路與全橋變換器合成一起組成單級PFC電路，該電路結(jié)構(gòu)簡單、效率高，可以實(shí)現(xiàn)對輸入電流的整定，又可以工作在較大功率場合，發(fā)揮了全橋電路的優(yōu)勢。

　　系統(tǒng)主要由充電主電路和充電控制回路組成，圖1為多功能快速充電系統(tǒng)硬件原理圖。

　　1.1 系統(tǒng)工作原理

　　本設(shè)計(jì)采用了開關(guān)電源技術(shù)，最大功率為3500W，先將220V單相工頻交流電，經(jīng)4個二極管組成全橋電路進(jìn)行整流，再經(jīng)過大電容濾波得到300V左右的直流電，此時直流電中紋波較大。直流電通過由4個絕緣柵雙極晶體管（IGBT）組成的全橋逆變器，得到電壓可調(diào)的高頻交流電，經(jīng)高頻變壓器耦合到副邊，再經(jīng)全橋整流，最后經(jīng)電感電容濾波得到紋波很小的直流電為蓄電池充電。多功能充電系統(tǒng)能為不同類型的蓄電池及容量不同的蓄電池充電，其充電過程中的充電電壓、電流通過單片機(jī)實(shí)時控制，整個充電系統(tǒng)為反饋控制系統(tǒng)，單片機(jī)通過實(shí)時檢測充電過程中的電流、電壓及溫度監(jiān)測整個充電過程，有效地避免了充電過程中過流、過壓及過熱現(xiàn)象，使充電過程安全穩(wěn)定地進(jìn)行。

　　逆變橋前的空氣開關(guān)是為了防止電路中出現(xiàn)短路或大電流損壞蓄電池或電子器件。單片機(jī)通過檢測充電電流、電壓及溫度與充電前的設(shè)定值進(jìn)行比較，控制輸出4路PWM波到4個IGBT的柵極，從而控制其集電極到發(fā)射極電流通斷時間，達(dá)到控制輸出電壓的目的。

　　由于IGBT需隔離驅(qū)動，本設(shè)計(jì)選用了三菱公司IBGT專用驅(qū)動芯片M57962L，圖2是其應(yīng)用電路。

　　由于選用了4只IGBT組成全橋逆變器，每個IGBT需要一個M57962L芯片驅(qū)動，而每個M57662L芯片需要3個電壓等級即15V、l0V、5v為其供電，其中5v電壓同時為MC9S12XS128單片機(jī)供電，本文設(shè)計(jì)了一款功率為50W的變壓器，為單片機(jī)及4個M57962L芯片供電，其次級繞組輸出3組電壓，經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓后，得到上述所需的3個電壓。

　　1.2 充電控制回路

　　選用飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)作為控制核心進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，其內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器8KB、程序存儲器128KB，2個SCI、1個SPI、1個IIC、1個CAN、16路A/D、8路PWM、8路ECT模塊，其工作頻率為80MHz，運(yùn)算速度快，處理能力大大提高。該芯片集成了l6路l2位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，能直接對蓄電池的充電電壓、電流及溫度進(jìn)行檢測，8路PWM可直接輸出到M57962L芯片控制IGBT的通斷，簡化了單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)。

　　1.2.1 電壓檢測

　　本系統(tǒng)選用電阻分壓式結(jié)構(gòu)，并聯(lián)在充電電路中監(jiān)測電壓信號，電壓信號從PAD0口經(jīng)單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換器傳至單片機(jī)進(jìn)行處理，這種結(jié)構(gòu)能根據(jù)外面的實(shí)際電壓自動選用相應(yīng)的量程檢測電壓，使電壓越小時，檢測到的電壓精度越高，有助于更精確地控制充電過程中的充電電壓的變化。

　　1.2.2 電流檢測

　　　本系統(tǒng)選用霍爾式電流傳感器檢測充電電流信號，并將檢測到的電流信號經(jīng)過一定的換算處理從PAD1口經(jīng)單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器傳至單片機(jī)進(jìn)行處理，該傳感器精度高，能精確的檢測到充電電流0.1A的變化。