1、摘 要I本科毕业论文（20 届）电动公交车充电电源设计所在学院 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 要随着能源的日渐紧缺和大气污染的日益加剧，石油资源的战略位置越来越重要，与此同时世界各国都在寻找可替代能源。汽车业的发展给环境带来了不小的危害，新能源领域受到广泛的关注，尤其是电动汽车业已经成为崭新的方向。如何选择充电方法和对充电过程进行有效控制，提高充电效率，保证充电过程快速安全是本文研究的内容。本文的研究主要包括以下几个方面 1：电池充电主要采用三个阶段充电模式：多段恒流充电模式、脉冲充电模式、定电压补足充电模式。在充电电池电量的监测方面，采用监
2、测电池电压负增量的方法，同时监测温度和电压信号。用 PID 控制保证恒流恒压充电。用 IGBT器件实现充电开关控制。本系统实现大功率恒流恒压快速充电，采用现代高频开关技术。主电路由三部分组成：三相整流电路、直流-直流变换电路、能量回馈电路。通过采集电压电流等信号，实时送入 DSP 中进行处理，通过控制 IGBT 的通断，实现充电控制。采集各重要器件的温度等信号，做到实时监测，保证系统稳定运行。关键词：镍氢蓄电池，DSP，智能充电，软开关AbstractIIIAbstractWith the shortage of sources and more worsening air pollution
3、, we pay more attention about the researching of EV (electric vehicle) a new means of transportation, we use more and more Lead-acid batteries in EV, because of its no remember effect, good performance in overcharge or discharge. The process of batteries charge and discharge Influent the reliability
4、 of the system. So design a reliably charging system is important for EV In order to make EV charger have good performance, we must to find the best charging model.How to choose the method of charging process and how to control the charging process, improve the efficiency, and ensure the process rap
5、idly and safety is the content of this paper. The study of this paper includes the following aspects：Based on the analysis of the charging theory brought and the investigation of many charging methods, a two-stage charging strategy was brought forward. At the former stage of charging, the fast charg
6、ing method was used which is the combination of mufti-section constant-current charging method with pulsant charging method. Based on the analysis of mane charge-termination control methods, an integrated control method was adopted to judge whether batteries was full-charge or not. And an improved P
7、ID control algorithm was used to realize the constant-current charging and the constant-voltage charging.Ground on the HF SPS (High-Frequency Switching Power Supply), the charging system was designed which was composed of a three-phase rectifying cell, a phase-shifted zero-voltage-switching PWM DC/D
8、C full-bridge cell and an energy recovery cell. In the DC/DC cell, IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) was selected as the switch that was driven by EXB841 module. And the charging control system was based on TMS320F2812 chip, which can produce controllable PWM signal with dead time. Using this
9、construction of power supply, switching loss was much reduced and higher frequency could be gained.Keywords: Lead-acid battery, DSP, intelligent-charging, soft-switching目 录IV目 录摘 要 .IABSTRACT .II目 录 .III第一章 绪 论 .- 1 -1.1 课题的研究背景 .- 1 -1.2 充电器的发展现状及趋势 .- 1 -1.3 论文的研究内容 .- 1 -第二章 镍氢蓄电池的研究 .- 3 -2.1 镍氢
10、蓄电池的充电特性 .- 3 -2.2 常用充电方法的研究 .- 3 -2.2.1 蓄电池的充电理论 .- 3 -2.2.2 常规充电方法 .- 4 -2.2.3 快速充电方法 .- 5 -第三章 系统的总体设计 .- 8 -3.1 系统的设计要求 .- 8 -3.1.1 系统的基本功能 .- 8 -3.1.2 系统的理想技术指标 .- 8 -3.2 充电方法的选择 .- 8 -3.3 充电结束控制方法的确定 .- 9 -3.4 系统的结构原理框图 .- 10 -3.5 充电方法的实现 .- 11 -第四章 充电器的硬件设计 .- 12 -4.1 充电系统的主回路原理与设计 .- 12 -4.1
11、.1 DC/DC 全桥变换电路的设计 .- 12 -4.1.2 能量回馈电路的设计 .- 18 -4.1.3 主回路中滤波电路的设计 .- 19 -目 录V4.2 充电系统的控制回路原理与设计 .- 20 -4.2.1 DSP 控制器 .- 21 -4.2.2 充电系统移相控制电路的设计 .- 22 -4.2.3 信息采集监测系统的设计 .- 24 -4.2.4 辅助电源的设计 .- 25 -第五章 系统的软件设计 .- 27 -5.1 充电系统的主程序设计 .- 27 -5.2 实时时钟中断服务程序设计 .- 28 -5.3 去极化子程序设计 .- 29 -5.4 PID 运算子程序设计 .
12、- 30 -总 结 .- 31 -致 谢 .- 33 -第一章 绪 论- 1 -第一章 绪 论1.1 课题的研究背景电动汽车已经成为世界各国汽车业发展的重点领域，电动汽车主要存在续航能力短和充电时间长的缺点，成为阻碍电动汽车发展的主要瓶颈。突破这个关键瓶颈主要是依靠电池技术和充电器技术的突破。镍氢电池是我国大多数电动汽车采用的动力电源，对环境的要求比较低，电池技术很难得到突破，我们主要从充电器上寻找突破口。目前的充电器充电效率很低，损耗很大，人机结合不好，不利于控制。采用DSP作为控制器，可以对充电过程实时控制，对各部分信号采集处理，及时调整参数，系统稳定性好。1.2 充电器的发展现状及趋势目
13、前主要采用接触式和感应式两种充电方法。接触式充电就是通过电缆将充电器与电池直接相连接，通过电压给电池充电；感应式充电就是利用变压器原理，通过电磁感应，将电能由充电器变送给电池。1.3 论文的研究内容本系统主要的研究对象是电动汽车镍氢蓄电池充电器。充电器和电池之间有互相促进的关系，好的充电器可以延长电池的寿命，同样，好的电池可以使充电器工作更长时间。我们设计一种高效智能的充电器十分有必要。根据课题要求，本论文所做的主要工作包括以下几个方面：(1) 电池充电主要采用三个阶段充电模式：多段恒流充电模式、脉冲充电模式、定电压补足充电模式(2) 在充电电池电量的监测方面，采用监测电池电压负增量的方法，同
14、时监测温度和电压信号。(3) 主电路由三部分组成：三相整流电路、直流-直流变换电路、能量回馈第一章 绪 论- 2 -电路。通过采集电压电流等信号，实时送入DSP中进行处理，通过控制IGBT的通断，实现充电控制。采集各重要器件的温度等信号，做到实时监测，保证系统稳定运行。(4)系统软件设计 第二章 镍氢蓄电池的研究- 3 -第二章 镍氢蓄电池的研究2.1 镍氢蓄电池的充电特性镍氢蓄电池主要由极板和电解液组成，蓄电池通过极板上的活性物质与电解液的电化反应产生电动势，进行放电和充电过程。蓄电池做到妥善维护后，它的使用寿命是很长的，通常有十年的时间。将使用情况综合考虑，电池寿命分为循环和浮充寿命。充电
15、器给电池充电过程类似于利用水压给水池注水的过程，必须存在一定的电压差才能实现电能的转移。开始充电时速率因素很重要，随着快速充电的进行，当充电电量达到容量的 80%时充电速率减慢。提高充电电压，使过充电反应开始进行，此事又恢复到快速充电，电充容量达到 100%。当达到 100%后会出现短暂时间缓慢的电压下降现象（这个现象下面作为电池充电过程的检测），必须采取措施防止电能的继续流失，在电池两端加恒定电压。适当采用一定的浮充电压，有益于电池寿命的保护。镍氢蓄电池对温度有很高的要求，因为电池内部是电化学反应，化学反应速率随温度改变而改变。镍氢电池电压与温度呈负相关，温度下降一度，电压上升 4mV，稍微
16、高于常温的 25 度最适合电池的工作，当温度过高，超过电池的使用温度，电池寿命将会受到影响。为了在一定温度范围内使电池刚好充满电，最好的办法就是预设电压温度系数，采集温度信号，使电压随温度变化做到相应改变。2.2 常用充电方法的研究2.2.1 蓄电池的充电理论给电池充电的目的就是使电池通过化学反应重新存储电能，进而通过电化学反应放电，给负载供电。充电快速就意味着大电流，电池容量额定，充电时间就很短，这就是我们想要的。但是，由于电池本身的缺点，如果充电电流过大，就会导致电池内部化学反应过于激烈，电池发热，很容易损坏电池，减少电池寿命。第二章 镍氢蓄电池的研究- 4 -电池发热主要是化学反应放热和
17、电池内阻消耗发热，想要提高充电速度，而且还不影响电池寿命只能从电池的结构想办法。下面我们主要讨论，采用智能充电的方法提高充电效率。电池充电过程电流为：(2-11)AtaoiIe为任意时刻充电电流的大小， 为开始充电时电流值。A 为充电接受比。ai图 2-1 电 池 最 佳 充 电 曲 线电流与时间有一定的线性关系，并且：(1)充电时工作在 N 区，充电电流高于正常值，就会使化学反应剧烈，温度过高，影响电池寿命。(2)充电工作在 M 区，虽然不会带来什么危害，但是会使充电速率降低，打不到我们想要的效果。(3)我们最希望充电过程沿着曲线进行，既可以缩短时间，又可以延长使用寿命。下面我们就采取控制技
18、术，使整个充电过程沿着曲线进行。2.2.2 常规充电方法充电方式的选择对电池寿命的影响至关重要，长期以来，由于充电方式选择不当或者过于落后，导致很多电池寿命减小，电池的污染对环境的承受力也是一种考验，延长电池使用寿命，对环境保护意义重大。落后的充电方法主要有以下几种：第二章 镍氢蓄电池的研究- 5 -(1)恒压充电直接为电池接上恒定的电压，对于开口电池，这种充电方式比较合适。整个充电过程只有电池电压这一个参数，不能了解电池的其他指标。接上电压后，充电电流迅速增大，肯定会超过电池的设计指标，对电池寿命有影响。(2)恒流充电恒流充电效率都很低，无论采用什么充电模式，恒流充电的电压都不高，会导致电流
19、不是很大，所以充电时间长。这不是我们想要的结果。所以现在已经淘汰了这种充电方法。(3)先恒电流后恒电压充电法将上面两种充电方法的优点结合，利用恒定电流充电前期电流稳定的特点，有效地避免恒定电压前期充电电流过大，利用恒定电压后期充电易控制的特点，实现有效控制。这种充电方式还有被很多人采用。2.2.3 快速充电方法(1)分级充电法分级充电方法顾名思义就是将充电过程分为几个阶段，采用不同的充电方式，每个过程采用最最适合的充电方法，保护了电池的同时也极大地提高了充电的效率。开始充电阶段采用的电流大一点，随着充电的进行，慢慢的降低电流，直到最后停止充电。目前大多采用两步骤充电模式和三步骤充电模式。两步骤充电模式：开始阶段采用恒定电流充电，避免电流过大损害电池，第二步骤采用恒定电压充电方法，保证电流可以进入电池，防止因为电压升高导致的电池损坏。二级恒流 三级恒流一级恒流0it图 2-2 三步骤充电模式
