30A60V電動汽車充電器控制電路的設計說明

1、 . . . I / 55 . . . I / 55畢業(yè)設計（論文）任務書附表一 題目來源：橫向課題名稱30A/60V 電動汽車充電器控制電路的設計設計人學號指導教師、職稱指導時間/地點每周二/周四 導師辦公室/實驗室專業(yè)班級一、設計（論文）容依據電動汽車充電電池的接收特性曲線的走勢以恒流充電、恒壓充電交替進行的方式對其分段，構造出一條新的符合接收特性變化特點且能縮短充電時間的充電特性曲線。設計電路使這種充電方式能夠實現，且在恒流向恒壓、恒壓向恒流轉變時實現充電模式智能切換。并能在各個階段維持充電電流、電壓的恒定。將電動汽車電池充電時充電電流和充電電壓進行實時采樣，并通過 PI 調節(jié)的比例積分

2、環(huán)節(jié)使其與不同階段需達到的恒流或恒壓值（由單片機控制產生不同占空比的 PWM 方波實現）進行比較，將兩者誤差進行放大，通過后端連接 SG3525 芯片的調節(jié)作用，控制前端開關電源 IGBT部分產生占空比增加或縮小的交流方波，使其輸出端的穩(wěn)壓、穩(wěn)流值增大或減小，通過反饋作用使誤差值和設定值的誤差向逐漸減小的趨勢進行，直至每階段的采樣電流/電壓值與恒流/恒壓要求的數值一致，由 SG3525 進行狀態(tài)穩(wěn)定。利用二極管的單向導通特性，在控制電路電流調節(jié)和電壓調節(jié)輸出端分別連接二極管，通過設定正確的電流/電壓參考值，使控制電路電流調部分和電壓調節(jié)部分輸出端在不同的恒流、恒壓階段交替起作用。即電流調節(jié)部分

3、的二極管正向導通時，電壓調節(jié)部分的二極管關斷；反之亦然。最終達到根據充電接收特性走勢實現分階段恒流、恒壓的自動切換并在每階段保持充電電流、充電電壓值穩(wěn)定的預期設計目標。 . . . II / 55二、設計（論文）的主要技術指標按照充電進行的順序，分別是 30A 恒流充電（此時充電電壓逐漸升高） ，70.4V 恒壓充電（此時充電電流逐漸減?。?，15A 恒流充電（此時充電電壓逐漸升高） ，72.4V 恒壓充電（此時充電電流逐漸減低） ，充電電流降到 3A 時充電器停機，待電池端電壓降至 68.8V 時重新啟動，以恒壓 68.8V 并限制電流在 3A 以進行浮充充電。通過單片機產生的不同恒流恒壓階

4、段的基準值（最大值 5V，頻率為 25KHz 的占空比可調PWM 方波） ，在不同充電階段其占空比分別為：30A(10.937us/40us)，15A(5.000us/40us)，3A(0.5625us/40us)，70.4V(13.375us/40us)，72.4V(13.831us/40us)，68.8V(13.000us/40us)?？刂齐娐份敵龆穗妷核腿?PWM 控制芯片 SG3525 的 1 管腳（比較器反相輸入端） ，與 2 管腳（比較器同相輸入端）固定基準電壓 2.5V 進行比較，根據采樣電流、電壓的實時變化，通過芯片對前端電路 IGBT 部分進行調控，使其輸出電壓穩(wěn)定在 2.5

5、V。電路中采用一個四運放集成塊 LF347 一個雙運放集成塊 TLC2272，均為雙電源供電，供電電壓5V，來完成對電流電壓的調整和比較作用。在驗證控制電路可行性方面利用仿真軟件完成。首先通過確定不同充電階段電流電壓的采樣值和輸出值(2.5V)逆向調試得出對應的給定方波占空比，再由得到的方波占空比正向模擬充電過程，驗證理論推斷的可行性。 . . . III / 55三、進度安排2012.2.202012.2.27 通過相關現有技術查閱資料論證設計方案的可行性，準備開題答辯。2012.2.272012.3.5 完成開題答辯，著手準備進行具體設計。2012.3.52012.3.12 對國外電動汽車

6、充電電路控制系統(tǒng)資料進行查閱，準備外文文獻翻譯。2012.3.122012.4.9 在現有技術的基礎上根據控制電路實現功能進行模塊化設計，由每個模塊的具體實現功能選擇實現方式和電路。通過每星期的導師指導論證其可行性，并與時進行修改。與同學進行討論學習，了解前端電路開關電源部分和后端單片機控制部分的工作原理，使對電路有更好的全局把握。2012.4.92012.4.23 在電路框架的基礎上對其進行細化，對實現電路功能的參數選擇進行討論與設定，根據實際應用場合的不同要求，盡可能使參數理論值接近實際應用的需要。2012.4.232012.4.30 對理論計算得出參數值利用仿真軟件進行電路仿真，觀察實驗

7、結果，分析產生錯誤的原因，并對參數進行不斷調試，通過對不同輸出值的比較敲定最佳實現方案。2012.4.302012.5.27 根據兩個月來的理論分析和實際操作過程，通過參考大量的相關資料文獻，著手進行畢業(yè)論文的編寫。與時與導師進行溝通，得到修改意見。2012.5.252012.6.10 提交論文終稿并完成論文答辯。 . . . IV / 55四、畢業(yè)設計（論文）提交的文檔與基本要求1畢業(yè)論文一份（包含封皮、目錄、中英文摘要、容與參考文獻）2不少于 5000 漢字的科技翻譯資料一份3、畢業(yè)論文簡介（A4 紙 12 頁） （包含題目、專業(yè)、年級、 、指導教師、畢業(yè)論文所做的工作、解決的問題、創(chuàng)新之

8、處等）4畢業(yè)設計任務書5開題報告6畢業(yè)設計工作中期檢查表畢業(yè)設計（論文）開題報告附表二課題名稱30A/60V 電動汽車充電器控制電路的設計學生學號專業(yè)班級電子信息工程五班一、選題的目的意義電動汽車行業(yè)在近些年來迅速發(fā)展崛起，作為重要其中的動力系統(tǒng)，如何延長電動汽車充電電池的循環(huán)使用壽命已成為現階段影響電動汽車發(fā)展最核心的技術問題之一。除去充電電池在使用時由于自身物理特性造成的性能損耗，錯誤的充電方式和充電習慣才是造成電池使用壽命縮短的最主要原因。因此，研究符合電池接收能力的智能充電系統(tǒng)有著十分重要的意義。本論文所要研究的控制電路可以在開關電源和單片機的配合下，自動完成恒流、恒壓充電模式的切換，

9、構造出一條吻合電池接收特性曲線走勢的充電曲線，在不傷害電池的情況下智能完成充電過程。二、國外研究綜述王維斌在間歇式脈沖三段式充電器的設計中介紹了適用于電動車高性能鉛酸蓄電池的間歇式脈沖三段式的設計方法。具體介紹了三段式：恒流階段、恒壓階段、涓流階段的工作原理、優(yōu)缺點和實現方法；并實現了三段充電的自動智能切換。不僅對鉛酸蓄電池有良好的充電效果，而且對電池的充電損耗有修復功能，可大大提高蓄電池的使用壽命。Yiran Hu 和 Stephen Yurkovich 在Battey State of Charge Estimation in Automotive Applications中說明了在現代電

10、動車管理系統(tǒng)中運用自控系統(tǒng)對充電過程進行分階段調控的重要性。介紹了多種對電動車不同充電狀態(tài)進行估算的方法，并對其優(yōu)缺點進行了詳細的對比。論證了根據電池在不同狀態(tài)的估算結果采用合適的充電方式的必要性。三、畢業(yè)設計（論文）所用的方法 首先對論文課題進行可行性分析論證，通過查閱資料對現有的電動汽車電池充電方式進行研究和分析，理解各充電方式的實現手段與優(yōu)缺點。以現在最為常見的三段式充電為理論基礎，繼續(xù)對充電階段進行細化，使其更加符合充電電池接收特性曲線的走勢，并考慮其實現智能切換充電模式并在每階段保持恒定電流值/電壓值的實現方式。先構造電路框架，再由每部分的具體功能選擇實現方式和電路，得到具體電路框架

11、。最后對運用仿真軟件對實現效果進行驗證。 . . . V / 55四、主要參考文獻與資料獲得情況1 華中理工大學電子學教研室, 康光華. 電子技術基礎(模擬部分)M. 第四版. :高等教育, 1999:277-310.2 王遠. 模擬電子技術M. 第一版. :機械工業(yè), 1994:312-317.3 大學電子學教研室, 家龍, 王小海. 模擬集成電子技術教程M. 第一版. :高等教育, 2002:213-216.4 北方交通大學敏昌. 模擬集成電路系統(tǒng)M. 第二版. :中國鐵道, 1998:167-180.5 吳運昌. 模擬集成電路原理與應用M. 第一版. :華南理工大學, 1995:198-

12、201.五、指導教師審批意見簽字： 年 月 日畢業(yè)設計工作中期檢查附表三 2012 年 3 月 20 日課題名稱30A/60V 電動汽車充電器控制電路的設計姓 名專業(yè)和班級電子信息工程五班指導教師一、畢業(yè)設計具體容、目標和可能遇到的問題畢業(yè)設計具體容：電動汽車充電器的控制電路，它能夠在與前端電路開關電源和后端單片機的配合下控制充電器自動完成不同充電階段恒流充電和恒壓充電的模式轉換，并在各階段穩(wěn)定起作用電流值和電壓值。設計目標：通過對充電電流和充電電壓進行采樣，并將其與恒流、恒壓階段的電流、電壓設定值（通過單片機產生占空比可調的方波 PWM 信號實現，具體占空比數據需由對電路各階段的仿真得到）通

13、過 PI 調節(jié)器進行比較，通過后端芯片 SG3525 對前端電路開關電源的調控作用，逐漸減小兩者間誤差，直至趨于一致，并在各階段穩(wěn)定狀態(tài)下保持恒定電流/電壓值?？赡苡龅降膯栴}：由于一個系統(tǒng)實現對多個不同階段的作用，因此參數的選擇十分重要（如運放的型號、所加電阻電容的取值等） ，需使其滿足各個階段的設計要求。模擬電子技術的實現是很有難度的，經驗和知識覆蓋面程度會對結果有產生很大的影響。另外，理論與實際的差別、電路仿真與實際應用之間的不同也是會遇到的問題。 . . . VI / 55二、采取的研究方法、技術路線、實驗方案與可行性分析首先對現有的充電器控制電路方面的相關技術進行學習和研究，和自己的基

14、礎構思進行比對，找出可用的部分和以前所沒有注意到的問題，充實自己的設計思路并避免出現同樣的失誤。敲定設計方案后請導師對設計漏洞、設計思路進行講解。將電路根據功能的不同將進行模塊化，并將各模塊具體的實現方式利用所學知識和查閱資料進行細化，確定各個部分的實現電路。圍繞每個模塊進行基本的參數選擇分析，得出大致圍后整合所有模塊對其進行調整。最終得出可實現功能的完整電路。由于模擬電路設計需要對所選參數進行不斷的對比論證，僅根據資料所介紹的計算值并不一定能滿足實際需求，但是一直在真實環(huán)境下進行實驗并不現實。故決定采用仿真的方式，在大致參數確定后通過仿真對比發(fā)現問題，并進行優(yōu)化。對于控制電路的研究已經有一定

15、的理論和技術基礎，加之仿真的環(huán)境提供了足夠的調試空間，使設計能夠在理論和實際的結合下完成。三、指導教師對學生出勤、文獻閱讀等方面的評語簽字： 年 月 日畢業(yè)設計工作中期檢查附表四 2012 年 4 月 24日課題名稱30A/60V 電動汽車充電器控制電路的設計姓 名專業(yè)和班級電子信息工程五班指導教師一、階段性結果 控制電路各組成模塊已基本成型，主要通過運算放大器實現：包括放大、比例、積分電路等，其中比例積分電路對調整采樣值使其最終吻合設定值起主要作用。在決定電流和電壓的主導作用方面則利用了二極管的單向導通特性。為了更好地把握整體電路，對前端電路(開關電源部分)、后端電路(單片機控制部分)和調節(jié)

16、電壓電流值的 PWM 控制芯片 3525也做了相應的研究和學習。通過導師和同組同學的講解，對前端電路開關電源部分和后端單片機控制部分都有了簡單的了解，對整體電路有了更好的把握，在具體的設計時也能一并考慮前后端的匹配連接問題。 . . . VII / 55二、存在的問題 電路需要作用在幾個不同的階段，每個階段根據恒流恒壓值的不同輸入值都會發(fā)生變化，如何使用一套電路參數使其在變化的輸入量環(huán)境下完成恒流恒壓充電模式的自動切換。對于模擬電子技術來說，參數的選擇是最重要的一環(huán)，但是理論值往往和實際值有差距，對經驗不夠豐富的人來說更增加了選擇的困難。對于構成電路的基本模塊來說，只有基礎框架結構在實際操作中

17、是遠遠不能滿足要求的。如何綜合考慮元器件的特性，在其基本結構上引入正確的輔助器件使其更符合實際應用的需求也是當前所遇到的問題。 . . . VIII / 5530A/60V電動汽車充電器控制電路的設計摘要：隨著電動汽車產業(yè)的快速發(fā)展，對其各個部件的設計要求也有了很大提高。動力系統(tǒng)作為其中的核心環(huán)節(jié)，充電電池的各項性能指標對系統(tǒng)整體的性能有很大影響。而對于缺乏專業(yè)知識的消費者來說，充電電池的使用壽命成為了最直觀的判斷標準。除去由于充電電池物理特性造成的不可抗影響外，如何通過改變充電方式來延長其使用壽命已成為近些年研究的重點。本文通過對現有充電方式工作原理的分析對比，在三段式充電模式的基礎上加入更

18、多的恒流充電和恒壓充電環(huán)節(jié)，提出了更加符合充電電池接收特性曲線的五段式充電模式。本文的研究核心控制電路通過對比例放大電路和PI調節(jié)器的運用，將充電電流、電壓采樣值與相對應的恒流、恒壓值的誤差進行比較并輸出至PWM控制芯片SG3525，引起芯片對前端電路輸出電流、電壓的的調節(jié)，使誤差逐漸減小直至達到穩(wěn)態(tài)輸出?？刂齐娐纷畲蟮奶攸c是能夠在外圍電路的輔助下自動完成恒流、恒壓充電模式的切換并在每個充電階段保持電流、電壓值的穩(wěn)定。最大的創(chuàng)新之處在于利用二極管的單向導通性，通過電路參數的合理設置，用一個SG3525芯片同時完成對恒流、恒壓階段的控制。關鍵詞：電動汽車，充電器，比例電路，PI調節(jié)器，仿真 Ab

19、stract：With the rapid development of electric automobile industry, the design requirements to all part of it have been improved greatly and power system should be the core part. All performance indexes of rechargeable batteries could have great influence on the performance of the whole system. As .

20、. . IX / 55to the consumers who are short in professional knowledge, the service life of rechargeable batteries would be the most direct standards of judgment. And therefore, except the irresistible influence caused by the physical characteristics of batteries, extending the service life through cha

21、nging charge methods has already become the research emphasis in recent years. The thesis analyzes and contrasts the existing working principle of charging method, adds more elements as constant-current charging and constant-voltage charging on the basis of 3-stage charging mode, proposes the 5-stag

22、e charging mode which would be more suitable for the receiving characteristics of rechargeable batteries. The research core of this thesis control circuit through the application of PI regulator, output amplifier of charging current, voltage sampling value and the relative differences of constant-cu

23、rrent and constant-voltage values on the control chip SG3525 of PWM, lead to the adjustment of output current and voltage in front-end circuit, reduce the difference gradually and reach the steady output. The biggest characteristics is that shift the constant-current charging and constant-voltage ch

24、arging automatically under the help of peripheral circuit, and keep the steady current and voltage values in every charging stage. The biggest innovation of this thesis lies in taking advantage of the unilateral conduction of diode, through the reasonable settings of circuit parameters and a SG3525

25、chip, achieve the control in constant-current and constant-voltage stages. Key Words: Electric automobile, Charger, Proportional circuit, PI regulator, Simulation . . . X / 55目錄前言 11 蓄電池的充電方式 21.1 蓄電池充電特性曲線 21.2 幾種常見充電方式 31.2.1 恒壓充電 31.2.2 恒流充電 41.2.3 涓流充電 41.3 三段式充電 41.4 五段式充電 52 前端電路開關電源介紹 62.1 選用

26、開關電源的原因 62.2 開關電源工作原理 62.2.1 前期整流濾波部分 72.2.2 IGBT 部分 72.2.3 后期整流濾波部分 73 控制電路的設計 83.1 設計思路與理念 83.2 電路模塊介紹 103.2.1 采樣模塊 113.2.2 PWM 信號模塊 113.2.3 比例放大模塊 113.2.4 PI 調節(jié)模塊 123.3 關鍵元器件集成運放的選擇 143.4 電路的設計細節(jié)與參數選擇 163.4.1 分壓電路 163.4.2 比例放大電路 183.4.3 運放調零電路 203.4.4 濾波電路 233.4.5 PI 調節(jié)電路 244 控制電路的工作流程 265 電路仿真結果

27、 275.1 調零仿真結果 275.1.1 電流部分調零 285.1.2 電壓部分調零 285.2 恒流恒壓值仿真 285.2.1 恒流數值仿真 295.2.2 恒壓數值仿真 305.3 部分充電過程試仿真 32 . . . XI / 55結論 33致 34參考文獻 35附錄 37 . . . 1 / 55隨著近年來一系列積極政策的出臺，我國的汽車行業(yè)發(fā)展迅速，汽車產銷實現了“井噴”式增長，并在2009年一躍首次成為世界第一大消費國。然而我國的石油正面臨著資源短缺、開采過度、能源利用率低的困境，石油進口量也以每年兩位數的百分比增長。由對不可再生資源日益增長的需求和不斷減少的能源供給引發(fā)的愈發(fā)尖

28、銳的矛盾亟需尋找到解決的方式。另一方面，能源的過度消耗直接刺激了二氧化碳氣體排放量的快速增長，而在目前我國的二氧化碳排放中，約有25%來自于汽車。預計到2030年，二氧化碳的排量將由2005年的281億噸增至423億噸。汽車尾氣的污染已經成為城市大氣污染的重要因素，減排二氧化碳的壓力將越來越大。因此，大力發(fā)展新能源汽車，用電代油，是保證能源和環(huán)境安全的必要措施。當前的純電動汽車技術還存在不少問題，然而對于主導市場份額的消費者來說，面對檔次相仿的電動汽車，在缺乏相應專業(yè)知識的情況下，蓄電池的使用壽命便成為其最為關注的問題之一。同時，相較于傳統(tǒng)汽車，電動汽車除了在環(huán)境保護方面占據優(yōu)勢之外，與不斷上

29、漲的油價相比，低廉的電費也正是吸引眾多潛在消費者的最大賣點之一。這就要求電動汽車的充電電池更要能真正的做到高質量，高循環(huán)充電率。不同的蓄電池擁有不同的充電接收特性曲線，在理想情況下，如果能完全跟隨此曲線的走勢進行充電，則將在最大程度上的延長充電電池的使用壽命，從而降低因為頻繁更換電池增加購買成本的可能性。但在實際生活中，由于技術手段的限制，達到這樣的充電效果是不可能的；另一方面，單純的恒流或者恒壓充電的方法雖然易于實現且占據大部分的市場份額，但是這兩種方式都在一定程度上對充電電池的性能有傷害或者無法在短時間完成充電，加上不正確的充電習慣的影響，電池的壽命將在一次次的充電后急速縮短。本文所介紹的

30、充電電池控制電路能通過和單片機程序的配合，在充電時自動檢測電流與電壓值，并在其變化到給定值時智能完成多階段恒流充電和恒壓充電模式的轉換，并在各階段中維持電流、電壓的穩(wěn)定性。在現有的技術條件和控制成本的前提下，使充電狀態(tài)盡可能接近且不超過蓄電池的接收特性曲線，從而延長充電電池的使用壽命。對于在充電特性方面要求高的電動汽車行業(yè)來 . . . 2 / 55說，增加這樣一個控制電路的必要性也就不言而喻了。性能良好耐用的電池不僅可以作為商家吸引消費者的主打牌，也可以免去因電池售后維修和更換所帶來的企業(yè)支出。本文首先對幾種常見充電方式進行介紹分析，并在其基礎上進行優(yōu)化改進，引出五段式充電模式的概念。再根據

31、控制電路所要達到的控制效果將其用模塊流程圖表現出來，通過各模塊的實現功能來討論具體電路的選擇。電路基本框架敲定后進行針對元器件參數選擇的分析論證，將電路細化并完成整體設計。最后通過仿真軟件對方案的完成效果進行驗證。1 蓄電池的充電方式1.1 蓄電池充電特性曲線自 1859 年鉛酸的充放電特性被普蘭特發(fā)現后，鉛酸蓄電池經歷了長久的發(fā)展過程，其制造技術手段已經相當成熟，時至今日，鉛酸蓄電池依舊是電池領域應用最廣泛的產品。在對鉛酸蓄電池進行充電時，可由電流隨時間的變化繪制出蓄電池的充電特性曲線。同時，蓄電池具有一條由本身特性決定的顯示充電時可用最大安全電流的接收特性曲線（如上圖所示） ；即充電電流一

32、旦超過某一時刻的最大接收值，就會對蓄電池性能造成一定的損傷，長期積累會導致電池使用壽命的縮短。 圖 1.1 鉛酸蓄電池接收能力曲線 . . . 3 / 55當充電特性曲線能夠完全與蓄電池接收曲線重合時，就可以實現理想狀態(tài)下在不損壞蓄電池性能的情況下以最大允許電流或電壓在最短時間完成充電的設想。但是現階段的充電方式往往都只能單純的滿足減少充電時間或保護電池性能的要求，因此，研究處于兩者平衡點的充電方式是必然的發(fā)展趨勢。1.2 幾種常見充電方式1.2.1 恒壓充電顧名思義，恒壓充電即是在充電過程中將蓄電池兩極間電壓維持在恒定值的充電方式。在恒壓充電過程中，充電電流是逐漸減小的，即達到了自動調節(jié)充電

33、電流的效果，與蓄電池接收能力曲線走勢一樣。如果設定的電壓恒定值適宜，就既能保證蓄電池的完全充電，又能盡量減少析氣和失水。雖然兩曲線基本走勢一樣，但在隨著恒壓充電的進行，充電電流的下降速度趨于平緩，無法下降到接收曲線的要求值，這時再進行充電就會對蓄電池性能造成一定的影響。兩曲線對比如上圖所示。總體來說，恒壓充電有以下優(yōu)點和缺點：1、充電特性曲線更接近于蓄電池接收特性曲線。2、充電電路易于實現。3、恒壓充電電解水很少，避免了由于硫酸鉛濃度上升而造成的電池老化。4、但是使用這種方法會造成充電初期電流過大，容易使蓄電池極板彎曲，導致電池報廢，且無法在短時間完成。 圖 1.2 恒壓充電特性曲線與接收特性

34、曲線 . . . 4 / 55綜合考慮以上優(yōu)缺點，恒壓充電現階段已經很少使用，只有在要求低充電電壓、大電流時才采用。1.2.2 恒流充電與恒壓方式相對應，在充電過程中，充電電流維持在恒定值，也是一種目前被廣泛采用的充電方法，充電電路多用開關電源控制實現。充電時可以根據蓄電池的容量和接收特性曲線來確定合適的充電電流值，利用小電流、長時間的充電方式在不傷害蓄電池性能的情況下完成充電。圖1.3 恒流充電特性曲線與接收特性曲線為了盡量減少充電時間，充電電流值的選擇不能過小，但是這樣就會造成在電池即將充滿的后期階段充電特性曲線超過蓄電池接收曲線的情況。所以現階段在恒流充電的基礎上，將后期恒流充電階段置換

35、為小電流連續(xù)充電，充電特性曲線如上圖所示。1.2.3 涓流充電大部分電池充滿電后，電量會由于自放電現象不停流失，涓流充電可通過對保持在近似完全充電狀態(tài)的蓄電池進行連續(xù)小電流充電以補償流失電量?，F在大多數接入直流電源系統(tǒng)的蓄電池，在完全充電后都會進入涓流充電狀態(tài)，以備放電時使用。涓流充電常在以恒流、恒壓為主的充電過程中起輔助作用。對于串聯(lián)蓄電池組來說，涓流充電能夠很好的均衡各個電池的端電壓和比重，并起到蓄電池維護和化學特性激活的作用。因此又稱維護（浮充）充電。 . . . 5 / 551.3 三段式充電三種基本的充電方式各有利弊，如果能將它們綜合利用使其能夠彌補自身的缺點，那么找到縮短充電時間和

36、保護電池性能之間的最佳平衡點也就不再困難。三段式充電就是很好的一個例子。利用三種基本充電方式的特點對其進行簡單的綜合，就可實現三段式充電。1、恒流充電階段：在初始恒流充電階段要選擇合適的充電電流值，過大會導致電池極板的損壞，而過小則會延長充電時間。電池放電越深，恒流充電的時間越長，反之則較短。2、恒壓充電階段：恒流充電后，保持此時的充電電壓進行恒壓充電，充電電流下降。一般來說，充電電流下降到10mA/Ah以下時即認為電池已基本充滿，即可轉入浮充電狀態(tài)。3、涓流充電階段：恒壓充電結束后轉入浮充充電階段，大約需要24小時左右來使蓄電池容量恢復到100%。在這一階段，由于電池已處于近似完全充電的狀態(tài)

37、，所以即使持續(xù)時間再長，其容量也不會再明顯增長。1.4 五段式充電由上文對三段式充電的介紹可知，交替切換恒流恒壓充電模式可以使充電特性曲線呈階梯狀逐漸下降，符合蓄電池接收曲線的走勢。由此考慮，如果在此基礎上引入更多的恒流、恒壓階段切換，那么所產生的充電特性曲線將更加逼近電池的接收特性曲線。但是由此一來，就需要更多的控制環(huán)節(jié)來完成調控使系統(tǒng)復雜化。綜合考慮，決定在三段式充電的基礎上分別增加一個恒流階段和恒壓階段，構成五段式充電模式，其充電特性曲線如下圖所示： . . . 6 / 55圖 1.4 五段式充電特性曲線曲線為充電電池接收特性曲線曲線為充電過程中電流變化曲線，即充電特性曲線曲線為充電過程

38、中電壓變化曲線充電過程分為以下五個階段：1、30A 恒流充電直至電壓升至 70.4V，切換為恒壓充電模式。2、70.4V 恒壓充電直至電流下降為 15A，切換為恒流充電模式。3、15A 恒流充電直至電壓升至 72.4V，切換為恒壓充電模式。4、72.4V 恒壓充電直至充電電流下降為 3A，停止充電(停機)。5、電壓下降至 68.8V，重新啟動，進入電流小于 3A 的浮充充電過程。下面就根據充電特性曲線對電路進行分析和設計。2 前端電路開關電源介紹2.1 選用開關電源的原因要實現恒流、恒壓的分段充電，并且保證每階段充電時電流、電壓值的精確與穩(wěn)定度，前端電路即采用開關電源來維持恒定的電流、電壓值。

39、開關電源是利用現代電子電力技術，通過控制開關管開通和關斷的時間比率，調整輸出波形的占空比，并能在各個調整階段維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM: Pulse Width Modulation）來進行控制。 . . . 7 / 55現在常用的開關電源有兩種：一種是直流開關電源，另一種是交流開關電源；本文中所介紹的前端電路使用的是直流開關電源。其功能是將電能質量較差的原生態(tài)電源所提供的不能穩(wěn)定在固定值的電壓，轉換成滿足設備要求的高穩(wěn)定度、高精度直流電壓。由此看來，直流開關電源能夠很好地完成精確調節(jié)和穩(wěn)定電流、電壓的任務。下面就對其工作原理進行簡單的介紹。2.2 開關電源

40、工作原理構成電路的前端電路根據功能可劃分為三個階段：前期整流濾波階段（針對電網電壓進行） ，IGBT 階段，后期整流濾波階段（針對 IGBT 部分輸出電壓進行） 。2.2.1 前期整流濾波部分前期整流濾波電路圖請參見附錄圖 2。輸入端接入 220V 50Hz 的電網電壓，首先通過橋式整流利用二極管的單向導電性將正負變化的交流電壓變?yōu)閱蜗虻拿}動電壓，即脈動直流電；再通過濾波電路利用電容將脈動電壓的交流諧波部分濾除，最終輸出相對穩(wěn)定的直流電壓。在整流方式和濾波電容的選擇方面，主要考慮兩個因素：用于構成整流電路的二極管所承受的反向電壓，電路處于高頻工作環(huán)境還是低頻工作環(huán)境。2.2.2 IGBT 部分

41、IGBT 部分電路圖請參見附錄圖 3。在這部分電路中起主要作用的是四支 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，即絕緣柵雙極型晶體管，同時也是在芯片 SG3525 的控制下完成PWM 脈沖寬度調制以改變輸出電壓值的核心元器件。其工作原理如下：位于對角線上的晶體管各為一組。當兩組晶體管依次導通時，會在變壓器上依次產生左正右負、左負右正的電壓，由此將前端電路輸出的直流電轉變成變壓器所需 . . . 8 / 55的交流電。理論上來說，兩組晶體管在不同時導通的情況下，可在一個交流電周期導通和關斷各 50%的時間。但在實際應用中，兩組晶體管的依次導通的間隙必須留

42、有同時關斷的時間，即死區(qū)控制，否則會造成短路。另外，并聯(lián)在每個晶體管旁的吸收電容和吸收電阻可以防止交流方波出現“毛刺現象” 。串聯(lián)在變壓器旁的電容主要起到“隔直流通交流”的作用。 2.2.3 后期整流濾波部分后期整流濾波部分電路圖請參見附錄圖 4。這部分電路采用了全波整流，因為經過變壓作用，交流方波電壓最大值降至約 112V，即使每個二極管均承擔二倍的電壓最大值即也很容VV2242112易實現。經過與第一階段相類似的整流和濾波過程，最終得到可供電動汽車充電器使用的穩(wěn)壓電源。通過對穩(wěn)壓電源電壓值進行取樣，經由控制電路的調節(jié)，配合單片機程序控制，即可完成分段恒流恒壓的充電過程。下面將重點介紹電動汽

43、車充電器的核心電路控制電路部分。3 控制電路的設計3.1 設計思路與理念前文已經介紹過，此控制電路要能夠通過與前端電路開關電源和單片機的配合完成以下幾個充電階段恒流充電和恒壓充電的自動轉換，并穩(wěn)定每一階段的電流值或電壓值。1、30A 恒流充電直至電壓升至 70.4V，切換為恒壓充電模式。2、70.4V 恒壓充電直至電流下降為 15A，切換為恒流充電模式。3、15A 恒流充電直至電壓升至 72.4V，切換為恒壓充電模式。4、72.4V 恒壓充電直至電流下降為 3A，停止充電(停機)。5、電壓下降至 68.8V，重新啟動，進入浮充充電過程。 . . . 9 / 55從結果來看，電路控制充電器順次以

44、 30A、70.4V、15A、72.4V 的恒流、恒壓對蓄電池進行充電。完成 72.4V 恒壓充電過程后，單片機控制充電器停止充電過程。直至檢測到電壓下降至 68.8V，充電過程重新開啟，完成最后一階段恒壓 68.8V 電流不大于 3A 的涓流充電。由充電過程進行分析，第一恒流階段中，充電電壓慢慢升高。當電壓上升到 70.4V 時，控制電路與時完成恒流充電和恒壓充電的轉換，并維持充電電壓的恒定。在第二階段中，隨著恒壓充電的進行，充電電流逐漸下降直至 15A，此時控制電路繼續(xù)自動轉換充電模式，并維持充電電流的穩(wěn)定，完成下一階段的 15A 的恒流充電?？芍?，要完成對充電電流和充電電壓的具體控制，電

45、路中至少需要四個輸入量。即：電流采樣和電流給定，電壓采樣和電壓給定。其中采樣值可從前端電路開關電源輸出端得到，以實現對充電電流和充電電壓的即時監(jiān)控。在給定值方面，考慮到其會隨著充電階段的推移發(fā)生變化，但在各個階段是維持恒定的。因此，決定通過單片機控制產生占空比可調的 PWM 方波，從而實現給定值的設定。由于電流信號和電壓信號要分別起作用，初步將電路設計為上下基本對稱的兩部分：電流調節(jié)部分和電壓調節(jié)部分。此外，為了設計整體電路時的方便，應使上下兩部分電路的輸入匹配，即對電流進行采樣時通過電阻等元器件使其轉化為對應電壓信號?？紤]到電流采樣值和電壓采樣值會相差較大，故在控制電路前端加入集成運放構成的

46、比例電路對二者進行調節(jié)，使輸出趨于一致，這樣在決定兩部分元器件參數時就可以進行近似考慮。要對采樣信號和給定信號之間的誤差進行自動調節(jié)，并使其最終輸入趨于一致，這里選用集成運放構成的 PI 調節(jié)器來完成這一過程。通過 P（比例調節(jié)）和 I（積分調節(jié)）的共同作用，改變控制電路的輸出值，推動調節(jié)功能的進行，最終消除自控系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。電流值、電壓值的調整則是由 PWM 控制芯片 SG3525 完成的?？刂齐娐穼⑤敵鲋到尤?SG3525 的 1 號管腳（即誤差放大器反相輸入端） ，SG3525 的 2 號管腳（即誤差放大器同相輸入端）電壓值穩(wěn)定在 2.5V。根據集成運放的特性，1 號管腳也應始終穩(wěn)定在

47、 2.5V。這就使得當控制電路輸出電壓偏高或偏低時，即 1號管腳接收電壓高于或低于 2.5V 時，SG3525 自動通過 PWM 脈寬調制對開關電 . . . 10 / 55源 IGBT 電路部分兩組晶體管的導通和關斷時間進行控制，增加或減小輸出電壓波形的占空比，使控制電路輸出電壓重新回落或上升至 2.5V。由此就完成了對電流或電壓的調控，并保證電路的整體穩(wěn)定性。圖 3.1 控制電路簡化圖考慮到電流和電壓誤差值經過 PI 調節(jié)器處理輸出后都要與 2.5V 進行比較，且恒流和恒壓階段是交替進行的。經仔細分析，這里需要進行一個非 A 即 B 的選擇，即“或門”的作用，如若利用二極管的單向導通性質加

48、以電壓的調整可得以實現。由于 SG3525 的 2 管腳穩(wěn)定在 2.5V，1 管腳電壓在 2.5V 上下小圍波動，并最終穩(wěn)定在 2.5V。在恒流階段，在理想狀態(tài)下，只要電流調整部分的輸出大于等于 3.2V（2.5V 穩(wěn)定電壓+0.7V 二極管正向導通管壓降） ，二極管即可導通。而與此同時，只要電壓調整部分的輸出小于 3.2V，其作用就可以被壓制住。以此決定不同階段起作用的是電流部分還是電壓部分。在細節(jié)方面，因為電路圍繞運放進行設計，為了提高輸出結果的精度，在運放外部加入調零電路是必要的。其次，從整體電路來看，考慮到最終完成的充電器需要在顯示屏顯示上實時電流和電壓值，需將輸出模擬信號通過數模轉換

49、將其變?yōu)閿底中盘?。另外，單片機也需要時刻接受采樣值，以確定不同數值的電流電壓對應方波的輸出時間。因此電流和電壓的采樣支路除了接入 PI 調節(jié)器外，還需另接一路輸出至外圍電路?？紤]到單片機等外圍器件對工作電壓有限制，故在輸出端前再加入一個比例電路，適當調節(jié)采樣電壓，使之與下級電路要求的輸入電壓相匹配。3.2 電路模塊介紹根據上述的設計理念，將控制電路的實現模塊化，通過各模塊的不同作用可得到下方的示意圖： . . . 11 / 55圖 3.2 控制電路模塊流程圖以恒流充電階段的電流調節(jié)部分為例，采樣信號經過第一級放大電路得到一個大小相位合適的輸出值，分別送入 PI 調節(jié)器和第二級放大電路。送入 P

50、I調節(jié)器的信號通過與相對于此恒流階段需要達到的穩(wěn)定電流值所對應的給定電流值進行比較。在恒流階段，電流調節(jié)部分的輸出電壓使二極管導通，并壓制電壓部分二極管的作用，此時電壓采集信號與給定信號的放大誤差就被送入SG3525 的第一管腳，通過與 2.5V 基準值的比較，利用 PWM 對前端電路 IGBT 部分進行調節(jié)，使誤差逐漸減小進入穩(wěn)態(tài)。下面對各個模塊的作用進行分析。3.2.1 采樣模塊采樣電流對應的電壓信號：在前端電路開關電源輸出端串連接入精密電阻，通過對精密電阻上產生的電壓降進行采集，即可得到電流對應的電壓信號。3.2.2 PWM 信號模塊單片機給定的方波信號：由單片機產生占空比可調的 PWM

51、 方波，在不同的充電階段通過改變占空比來調整設定值。這些占空比需要通過對最終電路的仿真調試得出，即固定電流或電壓的采樣值，仿真各個恒流階段和恒壓階段的轉 . . . 12 / 55換點的電路狀態(tài)，通過調整給定方波的占空比，直到經由二極管輸出端輸出2.5V 上下（波動圍很?。┑碾妷簽橹?。此時的方波占空比可作為參考在編寫單片機程序時使用，當然在實際應用中，需要以仿真值為基準，進行多次調試，才能得出各階段所需 PWM 波形最準確的占空比。3.2.3 比例放大模塊比例放大：由集成運放構成比例放大器是運放的一個基本應用，考慮到控制電路中采樣信號要經由比例放大與設定值進行比較，則兩者需要一正一負，相加抵消

52、后得出誤差值；而采樣值則需經兩次比例放大后連接外圍電路，此輸出值需要為正。若采用負反饋放大器，則會出現以下流程：采樣值（正）比較值（負）輸出值（正）比例放大比例放大完全符合各節(jié)點的要求。因此這里就選用負反饋電路組成放大器。下圖是一個典型的電壓并聯(lián)負反饋電路。輸出電壓與輸入電壓反相。OuIu同相輸入端通過電阻接地，作為補償電阻可保證集成運放輸入級差分放大RR電路的對稱性。圖 3.3 比例電路假定運放在理想狀態(tài)下，即滿足“虛短”和“虛斷”的條件。則可得出以下方程：fONNIFRNPPNRuuRuuiiiiuu00 . . . 13 / 55即可得出輸入電壓和輸出電壓的關系：。IfOuRRu由此可見

53、，電路中的四個負反饋比例放大器均起到反相放大的作用。采樣值通過適當的比例縮放可得到一個負值電壓，分別作為 PI 調節(jié)器的部分輸入和后端比例放大器的全部輸入，同時要考慮到兩者的輸出圍，并保證運放工作在線性區(qū)，因此放大倍數的選擇顯得尤為重要。3.2.4 PI 調節(jié)模塊PI 調節(jié)器：PI 調節(jié)器對采樣電流電壓值與設定電流電壓值進行比較調節(jié)，是比例控制和積分控制共同作用的結果。1、比例（Proportional）控制 如上文所介紹的，比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成簡單的比例關系。當且僅有比例控制時，系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error） 。 2、積

54、分（Integral）控制 在自控系統(tǒng)中，常用積分電路作為調節(jié)環(huán)節(jié)。穩(wěn)態(tài)時，積分電容的作用相當于把運算放大器輸出和輸入間的反饋回路斷開，這時運放的放大倍數就是它的開環(huán)放大倍數。雖然此數值并不是無窮大，但是在這樣的狀態(tài)下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差極小，可以忽略其影響。首先對積分電路進行簡單的介紹，基本的積分電路如下圖所示：圖 3.4 積分電路同樣在理想情況下，由“虛短”和“虛斷”特性可得到以下方程式： . . . 14 / 55dtuRCdtiCuuuRuiiICOCOIRC11若對上式在到時間段進行積分，則有：1t2t21)(11ttOIOtudtuRCu其中為積分起始時刻的輸出電壓。)(1tuO在實際應

55、用中，為了防止低頻信號增益過大，常在電容上并聯(lián)一個電阻加以限制，如上圖所示。在積分控制中，調節(jié)器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。如果輸入端接受任何一個突變的控制信號，它的輸出只能逐漸增長，控制效果反映的比較慢。因此，如果將其與動態(tài)反應較快的比例控制結合起來構成 PI 調節(jié)系統(tǒng)，就可以既做到靜態(tài)準又做到響應快。對一個自動控制系統(tǒng)來說，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這自控系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error） 。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項” 。積分項取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很

56、小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動電路進行調整使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例(P)+積分(I)調節(jié)器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。最簡單的比例積分電路如下圖所示：圖 3.5 比例積分電路假設流經和的指向輸出端的電流分別為和，在理想狀態(tài)下，由1R2R1Ri2Ri . . . 15 / 55“虛短”和“虛斷”可求出輸入輸出值的關系：3.3 關鍵元器件集成運放的選擇集成運放為控制電路中的主體元器件，基本上整個電路都是圍繞運放來進行的設計，因此選擇適合電路的運放顯得尤為重要。由前文分析可知，電流控制部分和電壓控制部分各需要三個運放（兩個用作放大器，一個用作 PI 調節(jié)器），

57、則整個控制電路需要接入六個集成運放。出于對電路整合性考慮，決定使用一個四運放集成塊和一個雙運放集成塊配合完成。其次要考慮運放的線性工作區(qū)，其極限值為所加的電源電壓。電路中有通過負反饋構成的比例放大器，即運放的輸出會出現負值，因此選擇雙電源的集成運放是必要的，同時也可以更好地保障輸入信號的放大線性度。由上可知，選擇運放的基本條件為高精度的雙電源四運放和雙電源雙運放。為了提高電路的精度，相較于使用 BJT（Bipolar Junction Transistor 雙極結型晶體管，又常稱為雙載子晶體管）的輸入運放來說，JFET（即 PN JFET：PN Junction FET，通常也稱 JFETPN

58、 結型場效應晶體管）在工作時的輸入阻抗要更高，輸入偏置電流就變得很小，無需再加入平衡電阻來平衡運放兩個輸入端的失調電流。考慮到電路要對采樣電流、電壓值和輸出至 SG3525 的電壓值進行即時監(jiān)測，就要考慮運放的 SR 壓擺率（slew rate，也稱為轉換速率） ，壓擺率是運算放大器輸出電壓的轉換速率，單位有通常有 V/s，V/ms 和 V/us 三種。它反映了一個運算放大器在速度方面的指標和對信號變化速度的適應能力。當輸入信號變化率的絕對值小于 SR 時，輸出電壓才按線性規(guī)律變化。因此信號變化速度越快越大、頻率越高，要求運放的 SR 也越大。SR 的計算公式如下所示：，其中CididVSRm

59、axmaxdtdVCi dtuCRRRudtiCRiuiRuiiIIRROCIRR12121112221 . . . 16 / 55在確定 SR 之后，由下面的公式可得到運放可處理的最大工作頻率。，其中為最大輸出電壓 maxmax2 VSRfmaxV對于運放的另一個參數增益帶寬（GBW：Gain Bandwidth）來說，一般 SR較大的運放，其 GBW 也相對較高。由于 GBW 是一個常數，則由計算公式：，其中為電路放大增益uAfGBWmaxuA可以看出當工作頻率變大時，所能得到的增益就越小。但一般來說，只要不要求特別高的放大倍數運放的 GBW 都是比較合適的。綜合以上分析，通過在 TI（T

60、EXAS INSTRUMENTS 儀器）上進行相應參數的篩選和查閱，最終確定使用四運放 LF347 和雙運放 TLC2272。下面是兩種運放的基本參數介紹。圖 3.6 四運放集成塊管腳分布與基本參數圖 3.7 雙運放集成塊管腳分布與基本參數3.4 電路的設計細節(jié)與參數選擇按照前期對設計思路的分析討論，可以將控制電路最基本的結構框架用具體電路圖表示如下： . . . 17 / 55圖 3.8 控制電路基本框架下面將對控制電路的設計細節(jié)與重要參數的討論。3.4.1 分壓電路由上文可知，控制電路需采樣的最大電壓值為 72.4V，最大電流值為 30A，最終的目標是使兩者的采樣值趨于一致（電流信號轉換為