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          一種電動(dòng)汽車的快速充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

          作者: 時(shí)間:2015-06-11 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            引言

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/275544.htm

            由于石油危機(jī)和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染,電動(dòng)汽車發(fā)展已經(jīng)是大勢(shì)所趨。蓄電池為電動(dòng)汽車提供動(dòng)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(huì)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?cè)谲浖厢槍?duì)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(duì)于不同容量的蓄電池,在選擇好充電方法時(shí)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,即將電路與全橋變換器合成一起組成單級(jí)電路,該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的整定,又可以工作在較大功率場(chǎng)合,發(fā)揮了全橋電路的優(yōu)勢(shì)。

            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(gè)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(shí)直流電中紋波較大。直流電通過由4個(gè)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(shí)控制,整個(gè)充電系統(tǒng)為反饋控制系統(tǒng),單片機(jī)通過實(shí)時(shí)檢測(cè)充電過程中的電流、電壓及溫度監(jiān)測(cè)整個(gè)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(cè)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(gè)IGBT的柵極,從而控制其集電極到發(fā)射極電流通斷時(shí)間,達(dá)到控制輸出電壓的目的。

            由于IGBT需隔離驅(qū)動(dòng),本設(shè)計(jì)選用了三菱公司IBGT專用驅(qū)動(dòng)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(gè)IGBT需要一個(gè)M57962L芯片驅(qū)動(dòng),而每個(gè)M57662L芯片需要3個(gè)電壓等級(jí)即15V、l0V、5v為其供電,其中5v電壓同時(shí)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(gè)M57962L芯片供電,其次級(jí)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(gè)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(chǔ)器8KB、程序存儲(chǔ)器128KB,2個(gè)SCI、1個(gè)SPI、1個(gè)IIC、1個(gè)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(duì)蓄電池的充電電壓、電流及溫度進(jìn)行檢測(cè),8路PWM可直接輸出到M57962L芯片控制IGBT的通斷,簡(jiǎn)化了單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)。

            1.2.1 電壓檢測(cè)

            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(cè)電壓信號(hào),電壓信號(hào)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(dòng)選用相應(yīng)的量程檢測(cè)電壓,使電壓越小時(shí),檢測(cè)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(cè)

            本系統(tǒng)選用霍爾式電流傳感器檢測(cè)充電電流信號(hào),并將檢測(cè)到的電流信號(hào)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(cè)到充電電流0.1A的變化。

            1.2.3 溫度檢測(cè)

            本系統(tǒng)選用熱敏電阻檢測(cè)充電過程中電池溫度信號(hào),實(shí)際應(yīng)用時(shí)將熱敏電阻貼在電池上檢測(cè)電池溫度,該熱敏電阻能準(zhǔn)確檢測(cè)到充電過程中電池溫度的變化量,溫度信號(hào)經(jīng)PAD2口傳至單片機(jī)進(jìn)行處理,防止充電過程中電池過熱,使充電過程能平穩(wěn)、安全的進(jìn)行。

            1.2.4 液晶顯示模塊

            本系統(tǒng)選用帶中文字庫的12864液晶屏,液晶屏模塊與單片機(jī)的PA、PB口相連。

            能實(shí)時(shí)顯示充電過程中的充電電壓、充電電流以及電池的端電壓和溫度,并在空閑時(shí)能顯示日歷、4路PWM波的占空比等。

            1.2.5 按鍵輸入

            選用4x4矩陣鍵盤。通過按鍵可切換到蓄電池充電方法選擇、充電參數(shù)設(shè)定、日歷調(diào)整、4路PWM波的占空比顯示及充電電壓、充電電流、電池的端電壓和溫度顯示等界面。

            1.2.6 PWM輸出

            PWM的輸出頻率由一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)定的高頻交流電交變周期決定,本系統(tǒng)PWM波形選用左對(duì)齊的方式,每路PWM的占空比:[(PWMPERx—PWMDTYx)/PWMPERx]×100%,其中PWMPERx表示PWM通道寄存器,PWMDTYx表示PWM通道占空比寄存器。

            2 軟件設(shè)計(jì)

            多功能快速充電系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件用C語言編寫,經(jīng)過匯編、仿真調(diào)試寫入單片機(jī)的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)層次化、功能模塊化,軟件的可讀性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性強(qiáng)。

            多功能快速充電系統(tǒng)針對(duì)不同類型的蓄電池,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的充電方法,軟件主要由初始化、充電前電池好壞檢測(cè)、充電階段和充電保護(hù)等部分組成。

            本系統(tǒng)主要應(yīng)用磷酸鐵鋰進(jìn)行試驗(yàn),其充電階段由小電流充電階段、恒流充電階段、恒壓充電階段3部分組成,其程序流程圖如圖3所示。

            

           

            充電階段:電池檢測(cè)程序完成后,開始對(duì)電池進(jìn)行小電流充電,充電速率約為1/5C左右;當(dāng)小電流充電至電池電壓達(dá)到參考值時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入恒流充電階段,此階段為蓄電池的快速充電階段,充電速率為1-2C;當(dāng)充電電壓達(dá)到設(shè)定的電池的最大充電電壓時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入恒壓充電階段,隨著電池電壓逐漸上升,充電電流逐漸減小;當(dāng)充電電流減d,N設(shè)定參考值時(shí),系統(tǒng)判斷蓄電池充足停止充電。

            充電保護(hù)部分:充電過程中不斷監(jiān)測(cè)電池電壓是否超過安全值、溫度或溫度變化率是否達(dá)到限定值,如有上述情況立即終止充電。檢測(cè)電池電壓是為了防止鋰離子電池和鉛蓄電池過充,檢測(cè)溫度和溫度變化率是否達(dá)到限定值,是為了防止鎳氫和鎳鎘電池過充。

            上述充電階段是針對(duì)鋰離子電池設(shè)計(jì)的,實(shí)際中主要用磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)于其它類型蓄電池,在軟件上設(shè)定了相應(yīng)的充電方法:鉛蓄電池充電階段同鋰離子電池,即先小電流預(yù)充,再恒流充電、最后恒壓充電,當(dāng)恒壓充電電流小到一定程度時(shí),系統(tǒng)判斷電池充足并停止充電;鎳鎘電池,先小電流預(yù)充,再快速恒流充電,當(dāng)檢測(cè)到電池電壓第一次下降時(shí),系統(tǒng)判斷電池充足并停止充電;鎳氫電池,先小電流預(yù)充,再快速恒流充電,當(dāng)電池電壓出現(xiàn)零增長(zhǎng)時(shí),判斷電池充足并停止充電。

            鉛蓄電池和鋰離子電池自放電率低,電池充滿后可直接停止充電,鎳氫和鎳鎘電自放電率高,如夜間無人看守充電時(shí),可在電池充足后采用涓流充電方式給電池補(bǔ)充電荷,使蓄電池保持充足電狀態(tài)。

            3 結(jié)語

            實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的多功能快速充電系統(tǒng)能正常工作,輸出的直流電壓平穩(wěn)、紋波小,充電過程控制精度高,能快速穩(wěn)定地為各類蓄電池充電,并在蓄電池充滿電后及時(shí)停止充電,有實(shí)際應(yīng)用推廣價(jià)值。

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