电动汽车的快速充电设计

电动汽车的快速充电设计I电动汽车的快速充电设计摘 要本论文以移相全桥直流变换器为基础，系统研究学习了移相全桥直流变换器的控制策略和电路拓扑结构中的重要问题，设计出电动汽车用磷酸铁锂电池快速充电器。充电方法的选择对锂电池的寿命和性能影响很大，在研究磷酸铁锂电池的工作原理及其充放电特性，确定了本充电电路采用三阶段充电法（恒流，恒压，浮充） 。采用移相全桥软开关电路，选定 IGBT 为开关器件，减少了开关损耗和开关噪声。设计了基于 C8051f002 单片机和 UCC3895 的辅助控制电路，通过对充电电路的输出电压和输出电流，电池温度的监控，针对不同的充电阶段单片机输出不同的电压和电流的给定值。保护电路和辅助电源电路的完成保证了整个充电电路功能的实现。最后完成相关系统软件的设计，通过软件来优化充电控制，保证了充电的安全可靠。关键词 电动汽车 ZVZCS 软开关 IGBT UCC3895电动汽车的快速充电设计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电动汽车的快速充电设计III目 录摘 要 IABSTRACT .II1. 前言 .11.1 电动汽车概况 .11.2 新一代锂动力电池的发展 .11.3 本文研究的主要内容 .22. 系统的结构框图及设计方案 .32.1 系统框图 .32.2 方案的选择 .43. 主充电电路工作原理 .54. 控制系统硬件电路的设计 .74.1 调节器电路设计 .74.1.1 模拟 PI 调节器 74.1.2 充电控制策略 84.1.3 电压电流双调节器的设计 84.2 脉冲发生电路及驱动电路 .94.2.1 移相脉冲生成方法 94.2.2 UCC3895 的应用特性和电路设计 104.3 驱动电路设计 .124.4 检测电路的设计 .134.4.1 充电器输出电压和电池电压的检测 144.4.2 输出电流的检测电路 15电动汽车的快速充电设计IV4.4.3 温度采样及保护电路 164.5 C8051f002 单片机系统 .174.5.1 C8051f002 8 位单片机简介 174.5.2 晶振电路的设计 184.5.3 复位电路设计 184.5.4 单片机外围电路设计 194.6 辅助电源电路的设计 .204.7 系统的抗干扰设计 .215. 充电器软件的设计 .225.1 软件的设计思路 .225.2 电压、电流采集模块的设计 .225.3 DAC 输出模块的设计 225.4 系统总体控制软件的设计 .24结 论 .25致 谢 .27参考文献 .28附录 1 源程序清单 30附录 2 主电路和辅助电源电路原理图 34附录 3 控制电路各部分原理图 35电动汽车的快速充电设计11. 前言1.1 电动汽车概况电动汽车是 21 世纪清洁、高效和可持续的交通工具，是一种电力驱动的道路交通工具。从环境方面考虑，在城市交通中使用电动汽车可实现零排放或极低排放。即使考虑到给这些电动汽车提供能量的发电厂的排放，仍能显著降低全球的空气污染。电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。现在，零排放电动汽车的技术已经逐渐成熟，并已开始商品化，一次充电的行程基本能满足近程交通的要求。大规模应用的主要问题是初始成本高和续驶里程不理想。在目前的实际应用中，最常用的动力电池为阀控铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。但铅酸电池比能量低、使用寿命短；镍氢电池的镍材料比较稀少，而且存在记忆效应；普通的锂离子电池像锰酸锂、钴酸锂虽说具有比能量大、电动势高、无记忆效应、放电电压平稳、循环寿命长、安全性好等优点，但也存在工作电压变化大、内部阻抗高、不能与其他二次电池互换使用等缺点。世界各国从 20 世纪 80 年代开始，掀起了大规模的开发电动汽车的高潮。电动汽车的出现，将会大幅度带动充电电源技术的发展。但电动汽车的市场化一直受到一些关键技术的困扰。目前电动汽车难以得到普及的主要原因之一就是缺乏合理的确保电动汽车电池组安全、高效、用户友好、牢固的充电技术。通过开发快速充电系统，可以实现随时随地方便及时地对动力电池进行充电，能够有效延长电动汽车的续驶里程，从而能有利于电动汽车的推广。所以说电动汽车的电池快速安全充电是电动汽车投入市场前，必须解决的关键技术之一。因此，适合电动汽车的充电器势在必行。1.2 新一代锂动力电池的发展近几年，出现了一种新的锂电池磷酸铁锂电池，给电动汽车的推广带来了曙光。磷酸铁锂是一种锂电池的正极材料，也称为锂铁磷电池，特色是不含钴等贵重元素，原料价格低且磷、锂、铁存在于地球的资源含量丰富，不会有供料问题。磷酸铁锂电池和铅酸电池、镍氢电池和普通锂电池相比有很多优势，凭借这些优势，磷酸铁锂电池又列入了“十五”期间的“863”国家高科技发展计划，成为国家重点支持和鼓励发展的项目。优势如下：电动汽车的快速充电设计21、使用安全，磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧。2、该电池寿命超长，循环使用次数高，在室温下 1C 充放电循环 1500 次，容量保持率 95上；3、该电池重量很轻，是铅酸电池的 13，镍氢电池的 63，体积小，商品设计可轻量化；4、放电平台稳定，可作大电流高功率充放电高倍率放电特性：10C 充放电效率达到 96以上，容量保持率 90以上，可实现 10C 放电，这是其作为动力电池的最大优势。磷酸铁锂电池凭借其显著的优势，吸引了国内外的很多电池生产商。但由于其主要技术参数与锰酸锂和钴酸锂电池具有较大的差别, 因此过去大量生产的锂离子电池充电控制专用集成电路、厚膜电路和模块等不能对磷酸铁锂电池进行充电,而且磷酸铁锂电池支持大电流快速充电，所以必须尽快开发研制出通用型磷酸铁锂动力电池快速充电器，大大缩短电动汽车的充电时间，加速电动汽车的推广。1.3 本文研究的主要内容电动汽车电池充电一般采用两种基本方法：接触式充电和感应耦合式充电。软开关技术是实现高效率的有效措施，是针对硬开关提出的。硬开关开关过程是通过突变中断功率流完成能量的变换过程。硬开关开关过程中，电压电流均不为零，出现了重叠，因此导致了开关损耗。而且电压和电流的变化很快，波形出现了明显的过冲，这导致了开关噪声的产生。而软开关过程是通过电感和电容的谐振，使开关器件中的电流(或两端电压)按正弦或准正弦规律变化，开关开通前电压先降为零，或开关关断前电流先降为零，就可以消除开关过程中的电压电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减小甚至消除开关损耗和开关噪声。在该毕业设计中，本文设计了电动汽车用磷酸铁锂动力电池的快速充电器。电池输出电压 144V，容量 120AH。采用传统的接触式充电方式，控制方式采用三阶段充电控制法，采用了以 C8051f002 为核心的主控制板，以实现充电过程各阶段控制及保护等相关的各项功能。通过对全桥变换器的研究学习，该充电器采用了一种具有副边简单辅助电路的零电压零电流开关移相全桥变换器拓扑结构，该拓扑结构具有辅助电路结构简单、无耗能元件和有源开关、副边整流管电压应力小、整体效率电动汽车的快速充电设计3高等优点。利用该拓扑研制了 36kW 零电压零电流开关移相全桥变换器工程样机，其输入为三相四线制 380V50Hz，最大输出直流电压为 150V，最大输出电流为240A。2. 系统的结构框图及设计方案2.1 系统框图该电动汽车的快速充电器是以 C8051F002 单片机为控制核心，主要包括整流滤波电路、IGBT 功率模块、高频变压器、电压电流采集电路、单片机控制电路、脉冲发生电路以及驱动电路，保护电路等。系统框图如图 1。3 8 0 V 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、图 1 充电系统框图充电器电路主要包括主充电电路和单片机控制电路两部分，整个电路的工作过程为 380V 的交流电先由 EMI 滤波，抑制电网的差模干扰和电路内部的共模干扰。然后经过全桥整流由输出电容进行滤波，得到约 530V 左右的直流电。经过由 4 只IGBT 构成的逆变桥，得到正负脉冲，经高频变压器耦合到副边得到高频交流电，再经过输出整流管整流。最后经过大电感和电容滤波后得到稳定的直流输出。由于采用单片机控制，根据不同的电池每个阶段充电电压和充电电流都不同。所以使用 cygnal 公司的 C8051F002 单片机作为充电过程控制设备，充电时单片机检测充电电池的充电电流，充电电压，电池温度，防止电路过压和过流。电池温度过高，还可以通过检测电池电压电流值来决定是否在切换到下一个的充电阶段。同时通过单片机的集成 AD 转换器给出每一阶段的充电的电压值或是电流值，与采样所得电动汽车的快速充电设计4的反馈的电压电流值相比较，经过 PI 调节器输出给移相控制芯片 UCC3895，通过调整改变移相角来改变功率管的导通时间，达到在电池不同阶段得到不同稳定的输出值的目的。2.2 方案的选择主电路中的直流全桥变换器可选择的方案很多，以下进行分析选择。方案一：采用典型的 ZVS 全桥变换器。这种电路可以实现四个管子的零电压开通和关断，这种电路的最大优点是它无需额外的谐振回路，不需要额外的元件就可以实现软开关，器件应力小，这种电路对于 MOS 管可以明显的减小开关损耗。在高电压和大功率应用场合，IGBT 将取代 MOSFET 作为开关器件。由于 IGBT 的少数载流子存贮效应，所以在关断时存在着拖尾电流，会增大损耗。方案二：原边串联隔直电容和饱和电抗器的 ZVZCS 全桥变换器。这种电路中饱和电抗器在正常工作时工作在饱和状态，在换相期间可以阻止下半个周期导通时的电流上升。还可以扩大软开关的实现范围。电路在换相期间依靠隔直电容使原边电流复位，实现零电流关断。缺点是饱和电感的损耗比较大，影响了整个系统的效率。方案三：采用副边带简单辅助电路的 ZVZCS 变换电路。该电路使用一个电容和两个二极管构成副边辅助电路，无需辅助有源开关器件，辅助电路构成简单，控制方法简单，能很好的实现主开关器件的 ZVZCS。不包含耗能元件和有源开关，副边整流管电压应力小，成本低，而且适合于大功率场合。方案四：用副边有源箝位电路实现原边电流复位电路。这种电路没有使用耗能元件，在副边增加有源箝位开关 S，并通过对有源箝位开关的适当控制，为滞后桥臂创造零电流开关条件。超前桥臂在零电压导通与关断的过程中，输出滤波电感参与了谐振过程，而输出滤波电感通常取值较大，超前桥臂开关管可以在很大的负载范围内满足零电压开关条件。开关管的导通与关断的死区时间间隔受原边电压最大占空比的限制。此电路的主要缺点是控制上稍微复杂一些，以及有源箝位开关采用的是硬开关，但是有箝位开关在一个开关周期中仅工作很短一段时间，对变换器整体效率影响很小。综上所述，选用方案三的副边带简单辅助电路的 ZVZCS 变换电路。电动汽车的快速充电设计53. 主充电电路工作原理本论文对多种 ZVZCS 全桥变换器进行了比较研究，选用了新型带简单辅助谐振电路的移相控制 ZVZCS 全桥变换器。这种变换器只是在变压器副边附加由一个小电容和两个二极管构成的辅助谐振电路，不包含耗能元件和有源开关，副边整流管电压应力小、整体效率高而且价格便宜等优点，在中大功率场合很有发展前途。主充电电路基于 ZVZCS 全桥变换器拓扑结构。该变换器采用了移相控制方式，开关管 Q1 和 Q3 构成超前桥臂，Q2 和 Q4 构成滞后桥臂，C1 和 C2 为超前臂的外接并联电容，Lik 为变压器漏感，起谐振电感的作用。N1， N2 分别为变压器原、副边绕组匝数，匝比 N1：N2=15:8，箝位电容 Cc，二极管 Dh，Dc 共同构成副边辅助谐振电路。主电路主要的原理图如图 2。LlkL220uHT125:8C2120uFC3120uFCc45uF1234BRIDGE1D3D1 D3D4 Dh800V/150ADcC12.3mHQ1Q2Q3Q4 C42820uF/450VD5电 池C5 60uF隔 直 电 容Vg1Vg2Vg3Vg4A BC0.01U0.01U0.01U0.01U图 2 主电路原理图首先我们假定所有的开关管和其他元器件都是理想的，并且输出滤波电感足够大，在半个开关周期内可以认为是一个恒流源。电路在半个开关周期内一共可分为6 个工作过程，具体工作原理如下：过程 1：S1 和 S4 刚同时导通，辅助电路电容 Cc 与变压器漏感 Lik 发生谐振，通过 DcCo 支路充电，VCc 开始升高，半个谐振周期过后，VCc 达到最大值，谐振停止。过程 2：半个谐振周期后,Dc 关断，整流桥输出电压恢复到正常值 Vs/k，原边电流 Ip 回落到 Ip/k，这段时间变换器输入能量经变压器传送到负载,是普通的 PWM传能阶段。过程 3：传能阶段结束后，Sl 关断，原边电流从 Q1 支路转移到电容 C1，C3 支路，电容 C1 开始充电，C3 开始放电，在这一阶段内，由于输出滤波电感很大，负电动汽车的快速充电设计6载可等效为一恒流源。C1 两端电压不能突变，Q1 实现零电压关断。过程 4：原边电流开始下降，当整流桥输出电压下降到 Vrec=VCc，Dh 导通，Cc向负载提供能量。直到 C2 放电完毕，反向二极管 D3 导通，开关管 Q2 可以在零电压下完成导通。Q4 续流，原边电流迅速下降，负载电流主要由箝位电容 Cc 提供，ICc迅速上升。过程 5：当原边电流下降到 0 时，Q4 仍在导通，此时 Q4 可实现零电流关断。过程 6：，当 Cc 放电完毕，Dh 关断，整流二极管开始导通，副边开始续流。Q3导通，因为变压器漏感存在，原边电流不可能突然上升。Q3 的开通为零电流开通。半个开关周期工作过程结束，进入下半个周期，其工作过程和前半个周期相同。由以上分析可知，超前臂 IGBT 的开通和关断是靠 IGBT 上并联电容上的电压不能突变实现的。滞后臂 IGBT 的开通是通过漏感上电流不能突变实现 ZCS，滞后臂IGBT 的关断是在关断之前，使原边电流下降为零，实现 ZCS。电动汽车的快速充电设计74. 控制系统硬件电路的设计本设计控制系统主要包括调节器电路，脉冲生成电路，驱动电路，检测电路和单片机及其外围电路。4.1 调节器电路设计在经典控制理论中，PI 控制是最早发展起来的控制策略之一，它不仅历史悠久，而且也是生命力最强的控制方式之一。近些年来，尽管控制理论取得了突破性的进展，诞生了许多新的概念和设计方法。但是，与自适应控制、模糊控制等现代控制方法相比 PI 控制仍被在工程中广泛应用，主要是有以下特点：(1)PI 控制器结构及设计方法简单，不需要太多的验前知识，十分适用于工程应用。(2)PI 控制器是广大工程技术人员所熟悉的，便于使用和调整。(3)PI 控制器的少许改进往往会获得明显的效果。因此，本次设计的控制系统采用了 PI 调节器来实现对输出电压、输出电流的无静差控制。4.1.1 模拟 PI 调节器在模拟系统中 PI 调节器是一种线性调节器，其原理如图 3。CRfR23467REFVi Vo图 3 模拟调节器该控制器中比例调节器的作用是对于偏差做出瞬间快速反应。偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使控制量向偏差减小的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数 K=R/Rf。只有当偏差存在时，比例调节器才有控制量输出，因此对于大部分控制对象，单用比例调节器会产生静态误差。积分调节器的作用是把偏差累计的结果，作为它的输出。在调节过程中，只要偏差存在，积分器的输出就会不断增大，直至偏差为零，输出才可能维持某一常量，使系统在设定值不变的条件下趋于稳定。因此它能消除系统输出的静差。电动汽车的快速充电设计84.1.2 充电控制策略本文设计的充电器针对一般的电动轿车用磷酸铁锂动力电池，电池的端电压为144V，容量 120AH。本设计采用了三阶段充电法恒流，恒压，浮充。综合了恒流充电和恒压充电的优点。三阶段充电过程中电压电流的变化如图 4。图 4 三阶段充电过程充电开始，我们先检测电池组的端电压，对过放电的电池，采用短时间的小恒电流涓流充电，这样有利于激活电池内的化学反应物质。若电池没过放电，则可以直接进入恒流阶段。由于磷酸铁锂电池支持快速充电，我们设定充电电流为I=2C=240A，通过 PI 调节器使输出为恒定电流，过程中一直检测电池的端电压和温度。当端电压上升到 144V 时，转入恒压阶段。通过 PI 调节器保持充电器输出144V，此时电池电流会逐渐降低，过程中一直检测电池电流。当电流下降到 C/20 时，转到浮充阶段。保持输出电压为 134V，当检测到电池电流为 C/100 时，停止充电，整个充电过程结束。4.1.3 电压电流双调节器的设计本充电器采用三阶段充电策略，在充电过程中根据电池的电压电流值来确定电池该处于何充电阶段，而在不同的充电阶段需要保持输出不同的恒定的电压和电流值。我们之前学过很多闭环控制的相关知识。闭环控制就是把反馈值和给定值比较，把比较得出的偏差信息再输入到控制装置，以调整其控制功能，使系统的输出时刻趋于理想值，使偏差值趋于最小。因此，我们可以对输出电压和电流分别进行闭环电动汽车的快速充电设计9控制，控制器采用 PI 调节器，原理图如图 5。23467U14LM25823467U16LM393R24 1KR25 30KC32 10uF23467U15LM258R261KR2710KC3310uFVF1IFB I/O I/OC/CTGI/O I/OC/CTG-5V+5VVrefIrefPI_OUT+5V+5VGNDGNDGND+5VU17U18图 5 充电器电压电流调节器当前输出电压、输出电流的实际反馈值与经过 D/A 转换和滤波得到的给定值进行模拟 PI 调节运算。输出电压、输出电流的两个 PI 调节器是并联结构，两个 PI 调节器的输出结果经过 CD4053 传输门取最小值。在刚开始充电的时候充电电压达不到 U，电压 PI 的输出是饱和输出。这个阶段中只有电流 PI 起作用。充电电源在电流环的作用下恒流充电，充电电压逐渐上升。当充电电压超过 U，电压 PI 退出饱和状态。当电压调节器的输出低于电流调节器的时候，最终输出值取电压调节器的值。这样就完成了从恒流充电到恒压充电的自动转换。此后由于电流不断减小，电流调节器始终处于饱和状态，只有电压 PI 起作用，充电电源在电压闭环控制下恒压充电。当微处理器检测到充电电流小于设定的停机电流时，转到浮充阶段。4.2 脉冲发生电路及驱动电路4.2.1 移相脉冲生成方法充电电源采用的零电压零电流软开关全桥变换器拓扑需要进行移相控制。一般产生移相脉冲的方法可以分为两种：一种是通过微处理器来实现，另一种是使用集成的控制芯片。使用微处理器产生控制脉冲：由于开关频率较高，使用微处理器产生脉冲时对处理器的性能要求较高，一般都用 DSP 来控制。在软件的实现上，对程序的实时性要求很高，程序的编写难度较大。但是使用微处理器直接产生脉冲有它的优势：首先它成本低，节省了一块集成控制芯片及其外围电路；其次控制板的通电动汽车的快速充电设计10用性好，通过软件修改可以很方便的把控制方式由移相控制改为脉宽控制等其他控制方法。使用集成控制芯片产生控制脉冲：这种方式几乎可以不需要处理器的参与而独立工作，降低了处理器的负担。所产生的移相脉冲的频率，死区时间，等参数均可以通过外围电路配置。如 UCC3895 的频率最高可以达到 1MHz，完全可以满足一般应用的需要。它只需要 03.6V 的电压信号，就可产生与之对应的移相信号。它是纯硬件的方法产生的脉冲，响应速度快，工作稳定可靠。在工程应用中可靠性是我们需要首要考虑的问题。集成控制器在这一点上有明显的优势。它是成熟的工业产品，已经在市场上经过了多年的检验。该充电电源在今后的应用中需要与监控系统，电动汽车，电表等通过 CAN 总线和 485 总线进行通讯，处理器的负担已经很重。集成控制器不依赖于处理器，降低了程序开发和后期程序改进的难度。综合以上考虑，该充电电源使用了一片 UCC3895 来产生移相脉冲。UCC3895 是 Unitrode 公司生产的又一种高性能 PWM 移相型控制器。它除了具有UC3875 的功能外。最大的改进是增加了自适应死区设置，以适应负载变化时不同的准谐振软开关要求。另外还新增加了 PWM 软关断能力 UCC3895 有可编程输出开通延时和自适应延时设置，既可用于电流模式，又可用于电压模式。可实现输出脉冲占空比从 0到 100相移控制；内置 7MHz 带宽的误差比较放大器，最高工作频率达1MHz 等。由于应用电路比较简单方便，且采用了 BCDMOS 工艺，使得它的功耗更小，工作频率更高，更加符合电力电子装置高效率、高频率、高可靠的发展要求。4.2.2 UCC3895 的应用特性和电路设计脉冲产生电路原理图如图 6，图中 ADS 引脚是该控制芯片新增的控制管脚其功能是设置输出延时死区最大值与最小值之比。电动汽车的快速充电设计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图 6 UCC3895 的应用电路ADS 引脚可通过式 1 所列关系改变 DELAB 和 DELCD 脚上的电压，从而改变输出延时。VDEL=0.75（V CS一 VADS）+0.5V （1）这里我们采用固定死区时间的电压控制方式，所以 CS 和 ADS 引脚接地。VDEL=0.5V。芯片的 RAMP 引脚可以工作在电压或平均电流控制模式下，我们这里采用的是电压控制模式，该引脚接振荡器输出 CT。在峰值电流模式下 RAMP 可以接电流信号。引脚带有内部放电晶体管。该晶体管在振荡器死区时间内被触发。同步振荡器的工作频率由定时电容 CT 和定时电阻 RT 决定。电容 CT 在由 RT 控制的电流 8IRT的积分作用下产生一个锯齿波。由式 2 可近似得到振荡周期。TOSC=5RTxCT48+120ns （2）DELAB 和 DELCD 引脚是用来控制死区时间的。同一桥臂上的两个管子的死区延时可由下式 3 确定。Tdelay=25x10-12xRDEL/VDEL+25ns （3）EAN、EAP 是差分放大器的反向输入端和同向输入端。UCC3895 正是根据这个差分放大器的输出来确定移相角的。我们把 EAN 接地，EAP 接 PI 调节器的输出端。EAOUT 引脚是差分放大器的输出端。SSDISB 引脚是一个很重要的引脚，它是控制软启动和封锁脉冲的引脚。当它的电压低于 0.5V 的时候，芯片会立刻封锁脉冲，所有的脉冲输出引脚全部为低电平。当 SSDISB 高于 0.5V 的时候，它的电压会箝位差分放大器的输出，可以起到软启动的作用。如图 6 所示，在 SSDISB 引脚与地之间接了一只电解电容 C23，一只三极管电动汽车的快速充电设计12S3 和一只电阻 R29 与这个电容并联。SSDISB 与内部的恒流源相接，恒流源的输出电流为 IRT。当停机的时候，三极管导通，SSDISB 的电压为 0V。这时，各脉冲输出引脚为低电平状态。当充电电源启动的时候，处理器给出一个启动信号。保护电路在没有其他故障信号的情况下会给出一个低电平到三极管的基极，三极管关断。芯片内部的恒流源开始以电流 IRT给电容 C23 充电，SSDISB 的电压缓慢上升，实现 UCC3895 的软启动。充电器发生故障的时候，保护电路会输出一个高电平到 S3 基极，三极管导通，通过 R29 给电容 C23 放电，移相角随之减小，当引脚电压低于 0.5V 的时候，封锁脉冲。为了在发生故障的时候快速的停机，我们在这里使用的电阻 R29 阻值很小，目的是能迅速把电容上的电放完。4.3 驱动电路设计在电力电子系统中，设计 IGBT 的驱动电路和保护电路是应用的关键。IGBT 栅极驱动电路应具备如下基本功能：（1）提供足够的栅极电压来开通 IGBT 并在开通期间保持这个电压；在最初开通阶段，提供足够的栅极驱动电流来减少开通损耗和保证 IGBT 的开通速度。（2）在最初开通阶段，提供足够的栅极驱动电流来减少开通损耗和保证 IGBT 的开通速度。（3）在关断期间，提供一个反向偏置电压来提高 IGBT 抗暂态 dv/dt 的能力和抗EMI 噪声的能力并减少关断损耗。（4）在 IGBT 功率电路和控制电路之间提供电气隔离。对 IGBT 逆变器，一般要求的电气隔离为 2500V 以上。（5）在短路故障发生时，驱动电路会通过合理的栅极电压动作进行 IGBT 保护，并发出故障信号到控制系统。开关电源中常用的 IGBT 驱动方式有隔离变压器驱动方式和专用驱动芯片驱动方式。专用驱动芯片因为电路连接简单，可靠性高，有着广泛的应用。在本系统中使用的驱动芯片是 IR2110。IR2110 是 IR 公司的桥式驱动集成芯片，它采用了高度集成的电平转换技术简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了电路的可靠性。IR2110 采用了CMOS 制造工艺，逻辑电源电压的输入范围为 5 到 20 伏，可适用于 TTL 或是 CMOS 电电动汽车的快速充电设计13路，具有独立的高端和低端 2 个输出通道。其内部功能图如图 7。图 7 IR2110 内部功能图引脚 1 和 7 是两路独立的输出，分别是 LO(低端输出)HO(高端输出)，引脚 3 和6 分别是 VCC(低端电源电压)和 VB(高端浮置电源电压)，引脚 9(VDD)是逻辑电路电源电压，引脚 2(COM)是低端电源公共端，引脚 5 和 13 分别是 VS(高端浮置电源公共端)VSS(逻辑电路接地端)，引脚 10(HIN) 是逻辑输入控制端，引脚 11(SD)是输入关闭端，引脚 12(LIN)是低端逻辑输入端。IR2110 浮置电源采用自举电路，其高端工作电压可达 500V，工作频率达500kHz，两路通道均带有滞后欠压锁定功能。在本系统中共使用了两只 IR2110 芯片，每只 IR2110 都接收来自移相控制芯片 UCC3895 的控制信号，其输出端输出两路信号对同一桥臂两只功率管的开通和关断进行控制，驱动电路的连接图见图 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图 8 驱动电路原理图C24 和 C27 为自举电容，它的使用可以保证下桥臂的迅速关闭，上桥臂导通时，电动汽车的快速充电设计14管子的栅极依靠 C24 和 C27 的储能来驱动。D10 的使用是为了防止上桥臂导通时高电压窜入到 VCC 端。IR2110 的开通延迟时间比关断延迟时间要长，这保证了上下两只功率管不会同时导通，为了更加安全可以加上二级管 D9 和D10。Rg1，Rg2，Rg3，Rg4 是限流电阻，防止电路中流过的电流太大，阻值一般都比较小，这里取 20 欧姆。4.4 检测电路的设计要保证系统正常安全的工作，监测和保护措施必不可少的，一方面单片机根据相关电路采集到的数据来判断系统所处的工作阶段，对预设的参考电压和参考电流值进行输出，一方面判断这些参数是否正常，如果不正常，则动作采取保护措施甚至是暂时关掉系统，直到异常结束后再重新启动，继续工作。工作时系统要监测的参数主要包括充电电压，充电电流和充电时电池的温度等等，以实现对输出电压和电流的控制及对电路的保护。本设计的检测电路主要以采集充电器的输出电压，输出电流，电池的端电压和温度：(1)输出电压，采集输出电压是为了生成调节器的反馈信号和输出过压保护信号；(2)输出电流，输出电流生成调节器的电流反馈信号；（3）电池电压，为了确定电池充电处于哪个阶段；（4）电池温度，一旦温度过高，单片机会输出信号封锁 UCC3895 的 PWM 输出。为了做到主电路与控制电路之间的电气隔离，这里检测电压、电流分别使用了霍尔电压传感器和电流传感器，温度检测用铂热电阻。4.4.1 充电器输出电压和电池电压的检测电池电压的检测为了确定电池充电处于何阶段，而充电器输出电压的检测是为了和给定值比较，输出设定的恒定电压值。两者的检测电路完全一样，但是两者的检测点有所不同。前者的测量点在输出滤波电容两端（AC 两点） ，而后者的测量点紧贴电池的两端（BC 两点） 。设计的充电器采用使用了南京中旭 HNV025A 型霍尔电压传感器。它是利用霍尔磁平衡原理的传感器，能够测量直流、交流以及各种波形的电压，并且在电气上是高度绝缘的。它的主要参数有：电源电压15V(5)，额定输入电流10mA，次级额定电流25mA，响应时间 1 、 、Y、 、 A D C 、 I 、I + +N图 14 电压电流采集流程图、 、 、 I O 、 、 、 D A C、 、 、 、 D A C 0 H 、 L 、 、 、 、 、 D A C 1 H 、 L 、 、 、 、 、 、 、 、 I O 、图 15 DAC 输出流程图电动汽车的快速充电设计245.4 系统总体控制软件的设计充电器开始工作时，测电池电压，看电池是否处于过放电状态，如果电池已经过放电，则在正式充电前给电池一段充电补足时间，如果没有则进入正常的充电过程，单片机从检测到的电流电压值来确定电池所处的充电阶段，来决定是否需要进到下一个充电阶段。电池温度作为充电过程中的一个监控参数，看电池是否过热，如果过热需要封锁 UCC3895 的脉冲输出，待磷酸铁锂电池温度回到正常允许的温度后继续回到前一阶段充电。直到电池充满，单片机一直封锁脉冲信号的输出并且蜂鸣器报警，防止电池过充。总体控制流程图见图 16。、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、YYYYNNNNYNNYYN图 16 系统总流程图电动汽车的快速充电设计25结 论本论文针对目前比较热的新能源技术磷酸铁锂锂离子电池，设计了基于磷酸铁锂电池电动汽车的快速充电器，以实现随时随地为电动汽车动力电池充电的功能。采用移相全桥软开关电路，设计了开关器件的驱动电路和电路中的磁性元件，实现了电路的软开关；基于 UCC3895 和单片机 C8051f002 的辅助控制电路，通过对充电时电池的温度，电压和电流进行监控，来改变主充电电路的工作状况，通过软件来优化充电控制的目的，最终实现最佳充电曲线。本课题研究立足于实际应用需要，设计围绕安全化、快速化、智能化的要求展开，主要完成如下任务：通过对镍氢电池、铅酸蓄电池快速充电方法的参考，对现阶段流行的充电方法进行了对比和研究，选用了三阶段式充电的充电方法。利用高频开关电源技术，以比较先进的移相零电压零电流全桥变换器为核心，对整个充电电源做了重点设计。进行了充电电源主回路，滤波电路参数的计算和设计，完成了电池电压检测的硬件电路设计，电流检测的电压转换电路以及温度保护电路，较好的实现了电路功能。软件方面，实现了温度，电压，电流参数采集的编程，充电状态的切换以及在各个阶段对电压电流给定值的 DAC 输出，以及开始充电时电池状态的检测判断，充电开始和充电结束的控制。在实际设计的过程中，由于专业水平和所学知识的局限性，有很多东西要重新学习，例如磷酸铁锂电池的充电特性的认识，C8051f002 单片机引脚功能的了解和程序设计流程的掌握，电动汽车充电拓扑结构和充电策略的认识等。本设计需要弱电和强电的结合，不仅要弄懂单片机控制知识，还要熟悉电力电子方面的知识。开始设计时困难重重，不知从何下手。后来在赵老师的指导下，有的放矢的参考了一些资料，大致的设计思想渐渐清晰。把整体分割到部分，然后针对各个部分集中学习，解决具体的问题。最后在自己坚持不懈的努力和老师的耐心帮助下，问题各个击破，设计的目标最终得以完成。在此次毕业设计中，尤其是在实验阶段，感想很多、收获很多。这些感想、收获来源于实践经验，因而相对于前几年的理论学习更加直接和深刻，是极为宝贵的精神财富，对今后的学习研究甚至其它工作都具有重大的指导意义。毕业设计时间很短，但这次设计的整个过程由赵老师指导并由我一人所做，真