1、本科毕业论文（20 届）动力锂离子电池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I摘 要随着全球能源与环境问题的日益突出，电动汽车在节能减排方面的优势使其得到迅速发展。电动汽车充电电源为电动汽车持续运行提供有效的能源补给，是电动汽车发展的关键零部件之一。因此，设计和研制能较好地满足动力锂离子电池的充电需求的动力锂离子电池充电电源，对电动汽车产业化和市场化有重要意义。本文首先确定了充电电源的总体方案，设计了一款以 SG3525 和 IR2113 芯片为控制和驱动芯片的高频逆变式充电电源，电源主电路采用高频整流电路、滤波电路、高频逆变电路等。完
2、成了主电路中变压器的设计及功率磁性元器件的设计，主要功率器件的选型等，进行了控制电路设计，控制部分采用电压外环电流内环的双闭环 PI 调节器实现主电路的恒流恒压输出，同时设计了保护电路，防止过压过流现象的发生。关键词：高频逆变，充电电源，PI，电动汽车，全桥变换AbstractIIAbstractWith the global energy and environmental issues haveing become increasingly prominent, electric vehicles in terms of energy saving and emission reducti
3、on have been developing rapidly. And electricity providing such vehicles with continuing and effective energy is one of the key components of its development. Therefore, the design and production of better charging source that can meet the needs of lithium-ion battery is extremely important to the i
4、ndustrialization and marketization of the electric vehicle.This thesis determines, in the first part, the overall scheme of a charging source, which controlled and driven by a SG3525 and IR2113 chip high-frequency inverter. The main circuit of the charging source consists of high-frequency rectifier
5、 circuit, filter circuit, high frequency inverter circuit and so on. The thesis completes the design of the transformer in the main circuit and of power magnetic component, analyses the selection of the main power device as well. Whats more, during the control circuit design, constant current and co
6、nstant voltage output in the main circuit are realized by using double closed-loop PI regulatorvoltage loop and current loop in the control part. In the meantime, a protection circuit is designed to prevent the occurrence of over-voltage and over-current.Key words: High frequency inverter,Charging p
7、ower supply,PI, Electric vehicles, Full bridge 目 录III目 录摘 要 IAbstract II目 录 III第一章 引 言 11.1 本课题所研究的背景和意义 11.2 国内外研究现状 21.3 发展趋势 31.4 论文的主要工作 5第二章 课题的总体设计方案 72.1 主回路拓扑选择 72.2 方案的设计与论证 82.3 系统的工作原理 102.4 结论 11第三章 充电电源主回路设计 123.1 充电电源设计指标 123.2 主电路参数计算 123.2.1 输入整流滤波电路计算 123.2.2 高频变压器的设计 133.2.3 MOSFET
8、 的选择 163.2.4 输出高频电感的设计 163.2.5 输出滤波电容的计算 163.2.6 隔直电容的选取 173.2.7 输出整流二极管选取 183.3 MOSFET 的缓冲电路 183.4 本章小结 19第四章 充电电源的控制电路设计 204.1 调节器的设计 21目 录IV4.1.1 模拟 Pl 214.1.2 充电控制策略 224.1.3 闭环控制 244.2 PWM 波发生电路设计 254.2.1 SG3525 的工作原理 254.2.2 SG3525 外围电路设计 284.3 驱动电路的设计 294.3.1 IR2113 的工作原理 294.3.2 IR2113 的外围电路设
9、计 304.4 检测电路设计 314.4.1 输入侧电压采集电路 314.4.2 输出侧电压采集电路 324.4.3 输出侧电流采样电路 334.5 过压过流保护电路设计 344.5.1 过压保护电路 354.5.2 过流保护电路 354.6 辅助电源的设计 364.7 本章小结 37结 论 38参考文献 39致 谢 40附 录 41第一章 引言1第一章 引 言1.1 本课题所研究的背景和意义汽车自问世以来，已逐渐成为人们生产和生活中不可缺少的工具，成为现代社会文明的重要组成部分；但是，汽车在其发展过程中，伴生了两个严重问题：环境污染和能源危机。自上世纪初开始环境污染和能源危机已引起世界各国的
10、广泛关注，其中对汽车的耗能所造成的污染尤为关注。目前世界范围内的汽车大约消耗全球原油产量的 45%，并释放出大量的温室效应气体 CO2;汽车尾气中还含有其他污染气体如 SO2 和 NO。近年来，我国汽车行业发展迅速,己成为世界第四大汽车生产国和第三大汽车消费国。据估计，2010 年全国汽车保有量将达到 5669 万辆，2020 年将高达 13103 万辆。机动车的燃油需求分别为 1.38 亿吨和 2.56 亿吨，为当年全国石油总需求的 43%和 57%，也就是说，汽车将要消耗掉一半左右的石油。因此汽车对石油的需求问题将是关系到国家能源安全的大问题。当今世界各国也面临同样的问题。因此开发电动汽车
11、成为了世界各国共同认可的急切任务。大力发展锂电池汽车，用电代油，是全世界可持续发展的战略措施。现今已有很多汽车制造厂商、电池制造厂商、化学试剂公司和各国的政府部门已投入大量资金和人力，加速 EV 的研发。作为电动汽车的动力源泉，电池的问题引起了各研究机构的广泛关注。在现有实用的电池中，锂离子电池被公认为是最有希望的动力电池。锂离子蓄电池与其他电池相比，主要有以下特点：(l)高能量密度：锂离子电池的重量是相同容量的镍福或镍氢电池的一半，体积是镍镉的 4050%，镍氢的 2030%。(2)高电压：单体锂离子电池单体的工作电压为 3.7V，相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。(3)无污染：锂离子电池不含
12、有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。(4)循环寿命高：在正常条件下，锂离子电池的充放电周期可超过 500 次。第一章 引言2(5)无记忆效应：由于锂离子电池不存在记忆效应，因此在未完全充放电的情况下不会减小容量。但若过充的话则会影响锂电池的寿命。基于上述特点，锂离子电池十分适宜于作为电动汽车的动力源。目前北京已有锂离子蓄电池纯电动公交车示范运行线并运行良好，说明锂离子电池应用于电动汽车会取得良好的效果。对于蓄电池的使用和维护来说，能充分、安全、高效的对其进行充电是一个很重要的问题，其效果直接影响到了电池的性能和寿命。电动汽车的发展正处于一个方兴未艾的时期，本实验室也积极参于到了该课题的研究中。
13、文中所设计的充电器正是基于实验室课题针对动力锂电池组而设计的。1.2 国内外研究现状国际发展史：1955 年，美国的科学家罗耶首先研制成功了利用磁心的磁饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。20 世纪 60 年代末，由于微电子技术的快速发展，高反压、大电流的功率开关晶体管出现，从此，直流变换器就可以直接由工频电网电压经整流、滤波后输入供电，终于将体积大、重量重、效率低的工频降压变压器甩掉了，从而迅速地扩大了它的应用范围，在此基础上诞生了无工频变压器的开关稳压电源。目前面临四个困难：（1）随着电力电子技术和微电子技术的高速发展以及集成度高、功能强的大规模集成电路的不断出现，电子设备的体积在不断地
14、缩小，重量在不断地减轻，内部功率损耗在不断地减小。因此开关电源的小型化、微型化、模块化就成了技术人员研究和探讨的核心。（2）开关电源的效率与功率开关的变换速度成正比，要进一步提高开关电源的转换效率，就必须提高其工作频率。但是，当工作频率提高以后，对整个电路中的元器件又有了新的要求。例如，高频电容、储能电感等新问题。（3 ）开关电源电路中的功率开关工作在频率较高的开关状态，其高频电压和 电流就会产生较强的尖峰干扰和谐振噪声。随着开关电源的发展，虽然这些缺点 得以改进， 但是在一些对输出稳定度和输出纹波要求较高的精密电子测量仪器和仪表中，却不能得到使用。所以，克服开关电源的这一缺点，进一步提高它的
15、输出稳定度和降低它的输出纹波电压，扩大它的适用范围，就第一章 引言3成了第三个困难。（4 ）寻求新的驱动方式和新的功率开关去解决驱动导通的上升时间内损耗、驱动关断的下降时间内的损耗、导通后由于管压降不能为零而产生的损耗和关断后由于漏电流不能为零而引起的损耗这将成为第四个困难。随着科技人员不断努力探索，终于研制出了具有零流关断和零压开通的复合，综合性能优势在门极驱动与功率开关 IGBT（芯片：IXDN404、SIE20031 ）保护。这种复合功率开关 IGBT 把晶体管和 MOSFET 管的优点集于一体，既具有 MOSFET 管的输入驱动所需功率非常小的输入特性，又具有晶体管的导通后管压降非常小
16、的输出特性。解决如上不少的难题，实现了突破性的进展。国内发展情况： 我国的开关电源设计、研制和生产开始于 20 世纪 60 年代初期，到 60 年代中期进入了实用阶段。70 年代初期开始设计、研制和生产无工频降压变压器的开关电源。1974 年研制成功了我国第一台工作频率为10kHZ、输出直流电压为 5V 的无工频降压变压器的开关电源。虽然这些年取得了进步，但和发达国家相比，我们的技术还很落后。由于我国的半导体技术与工艺跟不上时代发展，导致我们自己研制和生产的无工频降压变压器的开关电源关键器件，如开关晶体管，高频开关变压器磁性材料都是国外的。因此，我们最根本的问题是要提高我国的半导体技术和工艺。
17、开关电源优缺点（1）优点： 内部功率损耗小，转换效率高。 体积小，重量轻。 稳压范围宽，线性调整率高。滤波效率大为提高，滤波电容的容量和体积大为减小。电路形式灵活多样。与线性稳压电源相比，其工作频率比线性电源工频高了几个数量级，开关电源比普通的线性电源效率高。由于线性电源功率管工作在线性区，由 P=UI 得，随着 I 越来越大功率就越大。而开关电源工作在开、关两种状态，当电阻很小时为开，当电阻很大时为关。当开关断开时，电流很小；当开关闭合时，电压很小，所以发热功率 UI 就会很小。这就是开关电源效率高的原因。（2 ）缺点： 存在较严重的开关噪声和干扰电路复杂，不便于维修 成本高，可靠性低。1.
18、3 发展趋势开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20世纪 80 年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。第一章 引言420 世纪 90 年代，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管(GTR)为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为零。所以其功耗小，效率可高达 70%-95%。而功耗小，散热器也随之减小。开关
19、型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。另外，由于功耗小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为 22010%，而开关型稳压电源在电网电压在110-260 伏范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另
20、外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用 MOSFET 的开关电源转换频率可达几百千赫。为提高开关频率，必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面。一、小型化、薄型化、轻量化、高频化开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实
21、质上就是尽可能减小其中储能元件的体积；在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。二、高可靠性开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此第一章 引言5提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。三、低噪声开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，
22、在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。四、采用计算机辅助设计和控制采用 CAA 和 CDD 技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率 MOSFET、IGBT 等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨
23、大的推动作用。1.4 论文的主要工作本论文共分四章，现将各章内容介绍如下：第一章为引言，主要介绍研究动力锂离子电池充电电源设计的研究背景和意义，并大体介绍了充电技术的国内外发展历史和现状，进一步讲述了开关稳压电源的发展趋势和前景。 第二章为总体方案设计与论证，主要介绍了实现本课题的方案。本章共分两个方案来实现充电要求，第一种方案选择以功率元器件 MOSFET 来实现，第二种方案选择以功率元器件 IGBT 来实现。通过对两种方案的比较，选择方案二作为最佳方案。第三章为主回路设计，主要对主回路参数分析和设计，然后给出了整个动力锂离子电池充电电源的主回路的电路图。然后根据动力锂离子电池充电电源的参数指标，分别阐述了对输入回路、滤波回路、功率开关管、隔直电容、变压器、输出回路等元器件的选型和参数设计工作。首先对前级滤波电路的电容进行了设计计算，然后详细介绍了变压器设计的相关步骤，给出了变压器变比、
