1、摘要I本科毕业论文（20 届）纯电动汽车充电器设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要II摘要随着世界上能源问题与环境问题越来越突出，电动汽车有着零排放和高效的特点，因此受到越来越高的重视，但是纯电动汽车的充电问题依然是制约电动汽车快速发展的瓶颈。本文是在对大量的资料分析，电池特性及其发展现状的研究基础上,设计了可供纯电动汽车锂电池组充电使用的快速智能充电器。文中对锂电池的充电是采用先横流后恒压最后再浮充的三段式的充电方法。本文首先介绍了课题的背影及意义和电池的充电方法。之后设计了主电路的拓扑，主电路部分主要包括功率因数校正电路及 DC-DC 变换
2、电路，并对主电路的参数与器件进行了选择与设计。而后对控制电路进行了设计，控制电路主要是基于 DSP 来实现对充电器的控制，DSP 依据估算的电池 SOC 值划分三阶段充电，而恒流恒压主要通过 PID 调节实现。同时本文还设计了电压，电流，温度等的检测电路，为防止过流过压及温度过高还设计了保护电路。最后设计了充电器的软件部分，着重介绍了 SOC 算法及基于 SOC 的三阶段充电控制流程。关键字：纯电动汽车，DSP，PFC ，充电器AbstractIIAbstractWith the worlds energy problems and environmental issues become mo
3、re and more prominent, electric vehicles have zero emissions and efficient features and therefore subject to more and more attention, but the pure electric vehicle charging problem still is the bottleneck in the fast development of electric vehicles. This paper designs available pure electric vehicl
4、e lithium batteries used in the rapid smart charger on the basis of a lot of data analysis, present situation and characteristics of the battery. In the paper, charging of lithium battery is using the first cross-flow, constant pressure last float three-stage charging method. This paper first Introd
5、uction back and significance of the subject and battery charging methods, After design the topological of the main circuity, the main part of the main circuit, including power factor correction circuit and DC-DC converter circuit, and the selection and design for the parameters and devices of the ma
6、in circuits. Then the paper design the control circuit, the control circuit to implement the feedback control of the charger is based on DSP, the DSP based on the estimated SOC of battery is divided into three stages charging, and the realization of constant current constant voltage base on PID regu
7、lator. The article also designed the detection circuit of the voltage, current, temperature, etc., in order to prevent overcurrent, overvoltage and temperature the paper has also designed a protection circuit. Last design the software portion of the charger, highlighting the SOC algorithm and the SO
8、C-based three-stage charge control process。Keywords: pure electric vehicles, DSP, PFC , charger目录III目录摘要 .IABSTRACT.II目录 .III第一章 绪 论 .11.1 课题背景及意义 .11.1.1 电动汽车发展简介 .11.1.2 纯电动汽车充电设备的发展现状 .11.2 电动汽车的关键技术 .21.2.1 电池技术 .21.2.2 电力驱动及其控制 .31.2.3 总线控制系统 .41.2.4 电池管理系统 .41.3 蓄电池的充电方法 .51.4 论文的主要内容 .7第二章 充电
9、器硬件电路设计 .92.1 充电器总体方案的确定 .92.2 PFC 电路设计 .102.2.1 功率因数校正技术 .102.2.2 PFC 硬件电路 .112.2.3 电路参数的计算 .142.2 DC-DC 变换电路设计 .152.3.1 电路拓扑结构的选择 .152.3.2 电路参数的计算 .172.4 控制器设计 .192.5 DSP 外围电路设计 .212.5.1 时钟电路设计 .212.5.2 电源及复位电路 .22目录IV2.6 检测电路设计 .232.6.1 电压检测电路设计 .232.6.2 电流检测电路设计 .242.6.3 温度检测电路 .242.7 保护电路设计 .25
10、2.8 驱动电路设计 .26第三章 软件设计 .293.1 充电器软件流程框图 .293.2 SOC 估计程序 .293.2.1 折算库伦效率 .303.2.2 卡尔曼滤波算法的设计 .313.2.3 基于卡尔曼滤波的 SOC 算法流程图 .323.3 电池三阶段充电控制程序 .333.4 恒流恒压的 PID 调节 .34总结 .36参考文献 .37致谢 .39第一章 绪论-1-第一章 绪 论1.1 课题背景及意义1.1.1 电动汽车发展简介自从 1886 年 1 月 29 日，两位德国人卡尔本茨与戈特利布戴姆勒获得世界上第一辆汽车的专利权，标志着世界上第一辆汽车的诞生，汽车已经发展了一百二十
11、多年了。汽车的产生已经深刻的改变了人类的发展方式，并极大的促进了世界经济的发展，给人们的生活带来诸多的方便。特别是现在汽车的作用越来越重要，已经成为我们生活中不可缺少的一部分。但是伴随着汽车的大发展很多问题也随之出现了，由于传统的汽车都是以石油或液化天然气为燃料，燃烧排出的尾气大部分是含有污染物的气体，对人类的身体健康带来很大的影响。特别是最近几年随着汽车价格的降低，以及我国经济的快速发展，私家车越来越多，我们能明显的感受到空气质量的下降。同时石油这种资源属于不可再生资源且探明的储量有限，因此发展一种无污染新型汽车代替现在的燃油汽车是必然趋势。而电动汽车就具有以上优点，其必将取代燃料汽车成为未
12、来汽车的发展方向。虽然电动汽车有着光明的前景，世界各国政府以及大型的汽车公司也在不遗余力的发展电动汽车，更新电动汽车技术，但我们也必须清楚地认识到在电动汽车的各个关键领域还有很多技术尚不成熟，需要大力发展。电动汽车的充电技术就是其中之一，现在电动汽车在充电方面主要存在的问题是充电时间过长及因充电控制不理想造成的电池寿命缩短等。这些问题严重的影响了电动汽车的运行里程，降低了可充电电池使用时间，造成电动汽车成本的增加。为解决上述问题，必须开发出既具有良好控制技术又能缩短充电时间的新一代电池充电器。1.1.2 纯电动汽车充电设备的发展现状电动汽车的充电设备主要有充电机，充电桩，充电站以及相应的配套设
13、施。国外如美英法日韩等都在大力发展自己的充电设备。(1)美国的加州，佛吉尼亚州等州联合一些大公司在旧金山、奥克兰等城市第一章 绪论-2-的主要公路、大型停车场、居民区等安装了大量充电设备，这些投资将涉及 10亿美金之巨。(2)现在日本预计其充电站的数量已接近 1000 座，在东京随处可见充电设备，同时日本政府还表示，要在日本的试点城市的旅店，商城，电影院等地安装充电电源，以供电动车主免费使用。(3)在英国进伦敦市区就有 60 余个充电设施，电动车主每年只要上缴 75英镑，就可不计次数的使用这些充电设备。近几年我国各地也在大力发展充电设备，在充电设备发展上与以上几个发达国家差距并不远，在政府和国
14、家电网等的支持下，截止到 2010 年在北京、上海、大连、重庆、青岛等 10 个大城市建设了 50 余座充电站。1.2 电动汽车的关键技术1.2.1 电池技术可充电电池是整个电动汽车的动力基础，但同时也是制约电动汽车在整个汽车市场快速发展的主要因素之一。要使电动汽车在整个汽车市场上具有竞争力，就要开发出具有比能量高、比功率大、使用寿命长的电池。但一直以来电池技术所面临的关键问题主要包括，电池能量密度低，电池组的重量过重，续驶里程有限。到目前为止，电动汽车车用动力蓄电池已经发展了三代了，取得明显的突破。第一代电池是铅酸电池。第二代电池是碱性电池，其中以锂离子组成的电池应用最广。第三代电池是燃料电
15、池。由于可以控制其燃料的反应过程，因此是理想的汽车用电池，但是其很多关键技术还有待提高。在第二代电池中的锂电池因体积小，能量比高，自放电小，使用寿命长，无污染，循环次数多等优点而得到大量应用。锂电池是指电化学反应体系中含有锂（包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物）的电池。锂电池可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池通常是指不可充电，并且内含金属态的锂。锂离子电池是指不含有金属态的锂，并且是可以充电。锂离子电池可供选择的正极材料很多，但目前主流产品大多采用锂铁磷酸盐。不同正极材料对比如表 1-1 所示。第一章 绪论-3-表 1-1 不同正极材料对比材料 LiCoO2 LiMn2O4 Li
16、FePo4 Li2FeO4F电压 3.7v 4.0v 3.3v 3.6v容量 140mAh/g 100mAh/g 100mAh/g 115mAh/g正极反应过程，放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱离。充电时化学反应： 。44010LiFePiXFePLiXe放电时反应： 。X锂离子电池的负极材料多采用石墨，但新的研究表明钛酸盐可能是更好的材料。负极反应过程为放电时锂离子脱离，充电时锂离子插入。充电时的化学反应为： 。6LieCLiX放电时为： 。66iXC基于以上对锂电池性能及特性的分析，锂电池相对于其他种类的电池有着明显的优点，同时现在锂电池技术已经相当的成熟，因此本文设计的充电器是基于锂电池
17、应用设计的。1.2.2 电力驱动及其控制为 电 动 汽 车 提 供 动 力 的 电 机 与 常 规 的 工 业 用 电 机 差 别 很 大 。 一 般 应 用在 电 动 汽 车 上 的 驱 动 电 机 应 具 备 频 繁 的 启 动 与 停 车 、 加 速 与 减 速 等 特 征 。此 外 驱动电机还应具有较宽的调速范围及较高的转速，足够大的启动扭矩，体积小、质量轻、效率高并且有动态制动强和能量回馈的特点。而 工 业 电 机 通 常优 化 在 额 定 的 工 作 点 。 因 此 ， 电 动 汽 车 驱 动 电 机 比 较 独 特 ， 属 于 特 种 电 机 。目前电动汽车使用的电动机中，直流电
18、动机基本上已被性能优越的交流电动机和永磁电动机以及现在的开关磁阻电动机所取代。现在世界上已经研制出了功率密度超过 且额定点的效率高于 90%的小型高效的电动机，电机已1/kwg经基本满足低速大扭矩和高速衡功率的牵引控制的要求。第一章 绪论-4-1.2.3 总线控制系统我国在车用网络、总线、通讯协议等领域的研究虽然起步较晚，但近年来发展的比较快，尤其是在电动汽车领域中，总线网络得到了广泛的应用。汽车总线传输必须要满足以下几点要求：信息能够准确及时的传送；总线上的节点能随时访问总线；节点能根据预先设定好的优先级进行总线的访问；节点成功访问总线的时间应尽量的短；最优的传输速率(波特率)；节点的故障自
19、诊断；总线具有一定的可扩充性等等。现在世界上的许多著名的汽车公司如奔驰、宝马、大众等均已采用 CAN 总线来实现汽车内部的数据通信。纯电动汽车的整车控制系统一般由两条总线组成，一条是高速 CAN 总线另一条是低速 CAN 总线，整车控制图如图 1-1 所示。其中整车控制、电池管理、故障诊断、电机控制等单元连接在高速 CAN 总线上，组合仪表、车灯控制、空调系统等单元连接到低速总线上。C A N 总 线 主 控制 器 网 关电 机 控 制E C U转 向 、 制 动E C U故 障 诊 断E C U整 车 控 制E C U电 池 管 理E C U充 电 系 统E C U车 载 记 录 仪E C
20、U其 他 控 制E C U组 合 仪 表E C U电 动 门 室E C U舒 适 控 制E C U车 灯 控 制E C U空 调 系 统E C UL I N 总 线高 速 C A N总 线图 1-1 整车控制图1.2.4 电池管理系统由于锂电池在过热、过压、过充及过放的情况下容易造成损坏，甚至会燃着或爆炸等情况，使得电池管理系统成为电动汽车的关键技术之一。电池管理系统（BMS）是保护和管理电池的核心，不仅是使电池在安全可靠运行之余电池的性能得到充分发挥的保障，而且还是驾驶者管理电池的桥梁。目前的电池第一章 绪论-5-管理系统（BMS）通常包括数据的检测、剩余电量的计算、电池充放电控制、均衡充电
21、控制、温度管理、安全运行以及数据通信等部分。现在世界上较有代表性的系统有 BADICHEQ 系统、BATTMAN 系统、 SmartGuard 系统以及BatOpt 等。虽然经过这几年世界各国的努力，电池管理系统取得了长足的发展，但在很多方面技术仍然不是很成熟，特别是数据的可靠性、SOC 估算的精度以及安全管理等方面。1.3 蓄电池的充电方法目前电动汽车的充电方法主要有传统的充电方法、无线充电方法、脉冲充电方法等。其中传统充电方法又可分为恒压充电、恒流充电和阶段充电等。(1)恒流充电恒流充电方法指的是通过改变充电装置的输出电压的大小而保证输出充电电流大小不变的充电方法，横流充电曲线如图 1-2 所示。这种充分点方法的控制原理较简单容易实现，但是大多数电池接受电流的能力，一般是随着充电过程的深入而下降的，因此到充电后期时，由于充电电流过大使电池电极极化时出气太多，从而严重的影响电池的使用寿命。tV / i Vi0图 1-2 恒流充电曲线(2)恒压充电法恒压充电法要求在整个的充电过程中保持充电装置的输出电压保持不变，充电电流逐渐减小。恒压充电曲线如图 1-3 所示，与恒流充电法相比，这种充
