纯电动汽车充电器设计【毕业作品】.doc

BI YE SHE JI（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AbstractWith the world's energy problems and environmental issues become more 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 vehicle 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 Introduction 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 main 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 regulator. 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 SOC-based three-stage charge control process。Keywords: pure electric vehicles, DSP, PFC , charger目录摘要IABSTRACTII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222.6 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252.8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1.1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。表1-1不同正极材料对比材料LiCoO2LiMn2O4LiFePo4Li2FeO4F电压3.7v4.0v3.3v3.6v容量140mAh/g100mAh/g100mAh/g115mAh/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：。放电时反应：。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：。放电时为：。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，电机已经基本满足低速大扭矩和高速衡功率的牵引控制的要求。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。 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。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，这种充电曲线更接近于最佳的充电曲线。由于充电的最后阶段充电电流小，有效的避免了电池的过冲。但这种充电方式开始阶段充电电流过大，以对蓄电池的寿命在成影响，因此除小电压大电流的充电场合还有应用外，其他应用场合已很少采用。图1-3恒压充电曲线(3)阶段充电法由以上分析可知不管是恒流充电还是恒压充电都存在不少问题，为弥补以上问题大都采用阶段充电法。阶段充电法可分二阶段充电法与三阶段充电法两种。二阶段充电法是指先恒流后恒压相结合的方法，先以恒定的电流充至预设的电压，然后以恒定的电压充完，而三阶段充电法则是指在二阶段充电完成时在进行一次小电流的浮充，三阶段充电曲线如图1-4所示。图1-4三阶段充电曲线阶段充电法集恒流充电与恒压充电的优点于一身，既避免了恒压充电初始阶段大电流的冲击，又避免了恒流充电的过充。这种充电方法还能有效的减小电极出气量，延长电池的使用寿命。因此现在充电大都采用阶段充电法。(4)无线充电技术电动汽车的无线充电方法是近几年国外才研究出来的成果，其原理就像移动电话似的,将电能转化成一中符合特殊标准要求的激光或者激光束，在汽车上安装一个专用的信号接收器即可。但这种技术尚不成熟，还不具备规模推广的条件。(5)脉冲式充电法大量实验表明要想提高充电的速度，必须得减弱或者消除充电过程中出现的极化现象。而极化现象的产生与充电电流的大小和方式有着密切的关系，由于传统的充电方式的充电电流是不间断且方向不变的，因此不可能消除极化现象。但脉冲充电方式可达到消除极化现象的效果，脉冲充电如图1-5所示。图1-5脉冲充电曲线由图1-5可知脉冲充电方式即先用一个脉冲对电池进行充电，之后停止一段时间，如此循环下去。在停充的这段时间使电池继续进行化学反应过程，这样既可使得浓差极化与欧姆极化都得到消除，使电池的内压减轻，使下一个脉冲充电过程可顺利的进行。但对于锂电池来说，若采用脉冲方式对其充电，则会产生大量的热量和气体，严重老化电池。现世界上对锂电池组大都采用三阶段充电法，这是因为其充电曲线与锂离子自身的特性较符合，这样既可提高充电效率又可延长使用寿命，因此本设计中也采用了三阶段充电方式。1.4论文的主要内容本文设计的充电器是专供纯电动汽车充电使用的，应做到智能，高效，快速。充电器作为一个工程应用装置，其涉及到的知识非常的广泛。本文主要完成的工作如下：首先介绍了课题背景，国内外发展现状，及充电电源与充电方法等内容，其中着重介绍了电池的各充电方法原理及其优缺点。之后设计了充电器的硬件电路，硬件电路是本设计的主要工作，主要包括由功率因数校正电路和DC-DC变换电路组成的功率变换电路和控制电路设计。其中功率因数校正电路设计成基于UC3854的平均电流控制的Boost型电路，DC-DC变换电路设计成全桥变换电路。控制电路主要完成以DSP为基础的反馈控制，包括DSP的资源分配，DSP的时钟、电源、复位电路，电压电流温度等的检测电路，保护电路和驱动电路等。最后完成了软件设计，主要完成主程序的设计，SOC算法及SOC估计程序，基于SOC的三段充电控制程序以及PID调节程序等。第二章 充电器硬件电路设计2.1充电器总体方案的确定充电器主要指标：输入电压：380V/AC输入频率：5565Hz最大充电电压：304v最大充电电流：25A满载功率因数值：0.95保护功能：过压，过流，欠压，过温，短路等保护。充电过程：根据锂离子电池的三阶段充电曲线充电。基于充电器的基本要求，充电器的总体结构如图2-1所示。图2-1充电器总体方框图由图2-1可知，此充电器的整体电路主要由主电路和控制电路组成。其中主电路是实现能力传递的单元，主要包括功率因数校正（PFC）变换器和DC-DC变换器，电网输出的三相交流电先经过PFC电路功率校正后使PF值达到国家规定的要求，然后再经过DC-DC变换电路使PFC输出的电压达到电池充电时所需要的大小值。控制电路主要包括微控制器（MCU），驱动电路，保护电路，采样电路与检测电路等，实现对充电过程中电压电流值的适时调整，同时实现充电过程中电压，电流，温度等的实时检测及充电出现异常情况时的保护，保证充电过程的顺利进行。同时次充电器的单元微控制器还能实现与电池管理系统之间信息的相互传递。考虑到充电器所涉及方面广泛以及设计时间短等，因此不可能把电池的方方面面都设计到，本文主要设计了PFC电路、DC-DC变换电路、检测电路、保护电路、驱动电路、主控制器及其外围电路、驱动电路等。2.2 PFC电路设计2.2.1功率因数校正技术以开关电源为代表的电力电子设备的大量应用，给工农业生产和人们生活带来了极大的进步的同时也给我们带来了很多的负面问题。通常情况，开关电源的输入大都采用以二极管构成的不可控整流电路，如图2-2所示。图2-2电容滤波的三相桥式整流电路及其波形虽然这种电路的结构简单，成本低廉，可靠性高，但是由于二极管整理电路对输入电流不具有可控性，只有当电源的电压高于电容的电压时二极管才导通，而当电源的电压比电容的电压低时二极管就截止，输入的电流为零。这样电源峰值电压附近的电流就存在脉冲，输出电流就不再是正弦波，而是有谐波，从而造成了电网功率因数的降低。而国家相关部门规定当输出功率达到1500w以上的电源满机工作时,其功因数必须大于0.9，因此本文设计的充电器为达到这一要求，必须首先设计功率因数校正电路。现在的功率因数校正电路大都采用有源功率因数校正。基本原理是通过以全控形的器件构成的开关电路来控制电流的波形，可使总谐波的含量降低到5%以下，功率因数达到0.99以上，彻底的解决整流电路中存在的谐波污染以功率因数低等问题。其工作过程如下所示：交流输入电压首先经过桥式整流，再通过DC-DC变换电路，使的交流输入电流电源电压成同相的正弦波且保持输出电压稳定，其中本文的DC-DC变换电路采用的是升压式斩波电流。升压斩波式有源功率因数校正电路（Boost-PFC）中电流控制型不仅调整精度高，而且反应速度快，因此得到了广泛的应用。根据电路中电感电流是否连续，可分为连续导电模式（CCM），不连续导电模式（DCM）和临界导电模式（BCM），其导电波形如图2-3所示。图2-3电感电流波形对于功率等级在1kW以上的应用，大都选择CCM BOOST PFC电路，此种电路结构简单，且控制策略成熟，解决方案也较多，在大功率场合得到了广泛的应用。由于本文设计的充电器功率较大所以采用的是CCM BOOST PFC电路。2.2.2 PFC硬件电路电感电流连续导通模式的电流控制型有进一步划分为三种控制方式：平均电流控制型、滞环电流控制型和峰值电压控制型。与其他两种控制方式的PFC电路相比，平均电流控制型PFC电路的THD与EMI值相对较小，且对噪音不敏感，适用于大功率的场合，目前在PFC电路中应用最广泛的一种。本文选择电感电流连续导通的平均电流控制式Boost型PFC作为充电器的前端电路部分，而PFC电路的控制部分则选择集成UC3854。平均电流控制式Boost型电路工作原理图如图2-4所示。图2-4平均电流控制Boost型PFC电路原理框图工作过程如下，主电路输出电压经采样后与基准电压经误差放大器A后输出，电压放大器的输出与输入电压采样值一同作为乘法器的输入，组成了电压控制环。乘法器的输出与电流采样值经误差放大器B补偿后输出，与锯齿波相比较后产生驱动脉冲信号，组成了电流控制环。经过双闭环控制后驱动开关管Q1的通断使输出电压保持恒定，输入电流跟随输入电压变化，达到功率因数校正的目的。集成芯片UC3854是美国公司生产的PFC专业控制器件，也是目前为止应用最多的一种芯片，此芯片共有16个引脚，其内部结构如图2-5所示。基于UC3854的典型PFC电路如图2-6所示，其工作原理如下，电压输出信号接到11端口，电压输入信号接入6号与8号端口，三个电压信号经处理后连接到乘法器的三个输入端进行计算，其输出信号与通过4号和5号端口输入的电流信号进行比较产生控制信号，经放大，驱动后通过16号端口输出PWM波控制IGBT的通断，使电路达到要求的指标。图2-5 UC3854芯片内部结构框图图2-6 基于UC3954的PFC应用电路2.2.3电路参数的计算(1)整流二级管参数整流二极管耐压值: (2-1)式中为交流输入最大有效值。整流二极管最大电流: (2-2)式中为输出功率取为，为输入最小电压取为300V。(2)输入滤波电容选择滤波电容C1连接在输入端，主要作用是消除波纹线性失真维持电压稳定，其值可由式(2-3)计算出。 (2-3)其中为电流波纹系数取值0.2，r为电压波纹取值0.02,为开关频率取值为75KHz，同时考虑到电容偏差问题取C1大小为2.7。(3)输出电容选择 (2-4)其中为电压波纹取值为15V，考虑到电容的偏差取C2大小为2.7。(4)IGBT的选择IGBT的选择主要看它的耐压耐流值，开关损耗等。对于电路中器件的损坏做到越小越好，电路中Q1两端的电压等于电路输出电压，同时考虑到安全裕量问题，则IGBT的耐压值要大于800V,流过Q1的电流值可由式(2-5)确定：(2-5)(5)功率二极管的选择功率二极管的选择主要看正向导通电路，反向峰值电压，器件损耗等。二级管的额定电压不小于800V，通过二极管电流与电路电流相等，可由式（2-6）计算出。 (2-6)(6)升压电感的选则设计时假定流过电感电流的波动值是输出电流的20%，电感电流大峰值时输入电压最小为300V，且假定电路的传输效率为89%，则电流的输入值为： (2-7)电感L1最大峰值电流时的占空比为： (2-8)取电感电流变化为，则可求的电感量： (2-9)2.2 DC-DC变换电路设计2.3.1电路拓扑结构的选择主电路是功率传递的主要单元，因此要慎重选择他的拓扑结构，根据变压器是否隔离，DC-DC变换器可分为隔离型与非隔离型，由于非隔离型不能实现电路的多路输出等功能，在小功率场合比较实用，本设计选择的是隔离式。而常见的隔离式电路拓扑又可分为正激式、反激式、推免式、全桥式和半桥式。他们的优缺点对比如表2-1所示。表2-1各种带隔离的DC-DC变换电路比较电路正激反激推免全桥半桥优点电路简单，成本低，电路可靠。电路最简单，成本非常低。变压器双向励磁，通路损耗小变压器双向励磁，且易达到大功率变压器无偏磁，开关少成本低缺点变压单相励磁，利用率低难以达到大功率，且利用率低有偏差结构复杂，成本高有直通问题可靠性低功率范围几百几千瓦几几百瓦几百几千瓦几百几百千瓦几百几千瓦应用领域各种中小功率电路小功率电子电路输入电压低的场合大功率工业用电处工业用电，计算机电源经表2-1分析,本设计选择全桥电路作为主电路的拓扑，原理图如图2-7所示。图2-7全桥电路原理图首先直流电要经过四个开关管进行逆变，产生交流电作用在变压器的原边，当开关S1与S4导通时，在变压器感应电压的作用下二极管VD1与VD4导通，电感电流增加，当开关S2与S4开通时二极管VD2和VD3导通，电感电流也增加，当开关都关断时电感电流减小。二级管的接替导通又使交流电变为直流电，通过调整开关管的导通占空比就可改变输出直流电压U0的大小。在桥式电路中根据桥的输出端的LC网络与变压器的原边连接方式的不同，又可分为并联谐振电路，串联谐振电路与串并联谐振电路，他们的连接方式如图2-8所示。图2-8谐振变换器拓扑为了有效利用感应耦合器磁化电感和匝间电容，本文设计了具有使用价值的串并联谐振全桥变换器如图2-9所示。图2-9串并联谐振全桥变换器2.3.2电路参数的计算(1)高频变压器的设计变压器变比的确定：由于PFC电路的输出电压为直流600V，考虑到波动等因素，取原边电压最小值为580V，要使变压器满足设计要求则电路的原边电压最小时电路的输出电压也要达到充电电压304V。考虑到占空比取为0.8，则 (2-10)变压器磁芯的选择：本文采用AP法来确定磁芯，AP值应满足式(2-11)： (2-11)式中，为电路视在功率，当电路的传输效率为0.85时，其值由式(2-12)算出。 (2-12)为方波波形系数，其值为4，是磁芯填充系数，大小为0.4，为开关器件工作频率，为电路磁通密度取为0.2T，J为电流密度大小为4A/。由计算参数可选ONLI308040磁芯，其=376.8满足要求。原副边匝数的计算：变压器的原边匝数可由式(2-13)确定: (2-13)其中为输入电压，为ONLI308040磁芯的有效截面积，取原边匝数14匝，则副边匝数=/n=14/1,53=9.15匝，取副边匝数为10匝。(2)IGBT的选择由于前级电路的输出电压为600V，则考虑到安全余量器件的额定电压不低于800V，器件的电流与电路的电流大小相同，可由下式确定 (2-14)考虑到安全余量，器件的耐流值应不小于25A，因此可选择公司的BSM100GB120DN2K型IGBT器件。(3)输出滤波电感设计在工程计算中，输出滤波电感电流脉动为电流最大值的10%，由于输出电流最大值为25A，所以取电感电流脉动大小为2.5，电感值的大小有下式确定。 (2-15)式中，为电感两端电压最大值，为电流脉动值，为开关的导通时间，其大小由式确定 (2-16)(4)输出滤波电容的设计输出电容主要是为保持输出电压稳定，其计算公式如(2-17): (2-17)其中为电感电流，为电感工作频率，为电压波纹，其大小一般为输出电压的1%，于是 =304×0.01=3.04V。2.4 控制器设计本文选择的控制器是TI公司的TMS320LF2407A，此芯片是16位定点DSP，转为控制领域设计的芯片，该芯片集成了完善的外围设备，包括事件管理、A/D转换、串行通信接口、中断管理、CAN通信等模块。其中事件管理模块包括定时器、比较器、PWM信号发生器等，可方便的用于控制领域。该芯片的特点如下：(1)数据与程序分开的哈佛结构，时钟频率达到40MIPS，很多指令可在一个周期内完成。(2)16通道输入的10位A/D转换，可保证采集信息的实时性与准确性，时间管理器可产生带死区的PWM控制信号。(3)片内FLASH程序存储器达到32K，并可拓展存储空间，使得本设计中的程序执行SOC计算及PID校正的复杂算法。(4)采用静态CMOS工艺，使得端口电压降至3.3V。本设计中DSP资源分配如图2-10所示。图2-10 DSP资源分配(1)A/D模块用于电压、电流、温度等检测信号的输入(2)事件管理器用于产生4个PWM控制信号，经驱动电路后，控制四个功率管的导通与关断(3)CAN模块用于与电池管理系统的信号传递(4)PDPINTA引脚用作故障保护基于TMS320LF2407A的双闭环反馈控制，用以完成充电器的三阶段充电，其原理图如2-11所示。其工作过程如下，充电器首先检测电池组电压，电流，温度等参数经信号变换后，送DSP进行处理，处理器经SOC技术评估出电量的剩余值，根据阶段充电曲线计算出现阶段的期望充电电压与电流，期望值与电压电流的采样值分别进行比较，之后经PWM发生器产生控制信号，经驱动电路后控制IGBT器件的导通占空比，以使充电电流电压达到要求值。同时此电路要完成电池组各单体电池电压之间的均衡，以及当检测的充电电压电流温度等信号超过设定只时，或输入电压过低时，PDPINTA出现低电平，及时的关断PWM通道，停止充电达到保护电池及充电器的目的。图2-11控制电路方框图2.5 DSP外围电路设计2.5.1时钟电路设计在DSP芯片内有一个基于PPL(锁相环)的时钟模块，该模块主要有两种工作方式即晶振工作方式和外部时钟工作方式。由于晶振工作方式的电路结构简单，成本低，因此本文的时钟电路设计为晶振工作方式。在该模式下，外部晶振的两个引脚直接连接到DSP的引脚，DSP的工作时钟频率由DSP的内部振荡电路与晶振共同产生。本文设计的时钟电路如图2-12所示。图2-12时钟电路其中电容，晶振的频率为10MHz,这样在内外部电路的共同作用下即可产生40MHz的工作时钟频率。2.5.2电源及复位电路由于本文选择的DSP芯片型号为TMS320LF4207A,此芯片的供电电压为3.3V内核使用电压为1.8V。为的到满足要求的稳定的3.3V输入电压，文中选择了TPS7333Q电压稳压器作为DSP的输入电源。TPS333Q电压稳压器是TI公司为满足其一系列的DSP芯片电压要求而专门设计的电压转换IC。而且此种芯片集成了延时复位功能，可大大的增加电路的稳定性，其主要特点如下：(1)内部集成了电压监控器件，保证输出电压稳定在3.3V。(2)低电平有效的复位信号，脉冲有效宽度可持续200。(3)工作电流极低且与负载电流大小无关，电流典型值为。(4)休眠状态时电压极低最大为。(5)输出工作电流范围。TPS7333Q内部集成的比较器可对输出电压进行检测，以判断电压输出情况，当欠压情况发生时，输出引脚导通，将输出拉低为低电平，当欠压持续时，引脚会输出持续的低电平，欠压情况一旦消失，即开始一次持续200ms的复位信号。当200ms的延时过后，引脚又会变回高电平。电源电路如图2-13所示，同时还设计里手动开关复位电路如图2-14所示，与TMS320LF2407A内部的复位电路配合使用产生复位。 图2-13开关复位电路图 2-14电源电路2.6 检测电路设计2.6.1电压检测电路设计本设计选用的电压检测器件是霍尔电压传感器HNV025A，它基于霍尔磁平衡原理，能准确的测量各种波形的电压，并且在电气上是绝缘的，主要参数： (1)额定输入电压。(2)初级额定输入电流。(3)次级额定电流。(4)响应时间。因为电压传感器的输入级和输出级都是电流信号，因此在在输入级要加电阻把电压信号变换为固定大小的电流信号，在输出级再加一个电阻，把电流信号变换成符合控制器输入大小的电压信号，电压检测电路如图2-15所示。图3-15电压检测电路以充电器的最大输出电压304V为基准来计算输入电阻，由于输入电流的大小为，因此考虑到实际情况在此取输入电阻为30，这样可使传感器工作在额定值附近，输入电路及功耗为： (2-18) (2-19)电压传感器的输出端连接一个130的电阻，这样输出电流信号就变成了电压信号，电压信号，满足所选DSP芯片3.3V输入电压信号的要求。后级的运算放大器可看成电压跟随器，利用输入阻抗高输出阻抗低的特性作为缓冲电路使用，输入电压与输出电压大小相同。跟随器输出的电压信号在经过滤波后的连接到控制器。2.6.2电流检测电路设计电流采集电路所选用的器件为霍尔电流传感器CHB-100P，此器件是基于霍尔原理，有良好的抗干扰能力和线性度且价格便宜，能在电隔离的情况下测量各种波形的电流，其参数如下：(1)额定电源电压。(2)初级输入电流最大值。(3)次级输出电流。将测量电流的导线穿过传感器，传感器的输出端就会输出与被测电流对应的小电流信号，然后经输出电阻变为对应的电压信号，输出电阻选为36,然后次电压信号经后级电路处理后变为满足控制器的端口输入电压。原理图如图2-16所示。图2-16电流检测电路2.6.3温度检测电路本文需要测量的温度包括电池的温度已经充电器的温度，对温度的测量要做到实时、准确。因此本文选择DALLAS公司生产的数字温度传感器DS18B