I 30動(dòng)汽車充電器控制電路項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 附表一 題目來源：橫向 課題名稱 30A/60V 電動(dòng)汽車充電器控制電路的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)人姓名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師姓名、職稱 指導(dǎo)時(shí)間 /地點(diǎn) 每周二 /周四 導(dǎo)師辦公室 /實(shí)驗(yàn)室 專業(yè)班級(jí) 一、設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容 依據(jù)電動(dòng)汽車充電電池的接收特性曲線的走勢(shì)以恒流充電、恒壓充電交替進(jìn)行的方式對(duì)其分段，構(gòu)造出一條新的符合接收特性 變化特點(diǎn)且能縮短充電時(shí)間的充電特性曲線。設(shè)計(jì)電路使這種充電方式能夠?qū)崿F(xiàn)，且在恒流向恒壓、恒壓向恒流轉(zhuǎn)變時(shí)實(shí)現(xiàn)充電模式智能切換。并能在各個(gè)階段維持充電電流、電壓的恒定。 將電動(dòng)汽車電池充電時(shí)充電電流和充電電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并通過 節(jié)的比例積分環(huán)節(jié)使其與不同階段需達(dá)到的恒流或恒壓值（由單片機(jī)控制產(chǎn)生不同占空比的 波實(shí)現(xiàn)）進(jìn)行比較，將兩者誤差進(jìn)行放大，通過后端連接 片的調(diào)節(jié)作用，控制前端開關(guān)電源 分產(chǎn)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?zhàn)饔檬拐`差 值和設(shè)定值的誤差向逐漸減小的趨勢(shì)進(jìn)行，直至每階段的采樣電流 /電壓值與恒流 /恒壓要求的數(shù)值一致，由 行狀態(tài)穩(wěn)定。 利用二極管的單向?qū)ㄌ匦?，在控制電路電流調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)輸出端分別連接二極管，通過設(shè)定正確的電流 /電壓參考值，使控制電路電流調(diào)部分和電壓調(diào)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(diào)節(jié)部分的二極管正向?qū)〞r(shí)，電壓調(diào)節(jié)部分的二極管關(guān)斷；反之亦然。 最終達(dá)到根據(jù)充電接收特性走勢(shì)實(shí)現(xiàn)分階段恒流、恒壓的自動(dòng)切換并在每階段保持充電電流、充電電壓值穩(wěn)定的預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。 、設(shè)計(jì)（論文） 的主要技術(shù)指標(biāo) 按照充電進(jìn)行的順序，分別是 30A 恒流充電（此時(shí)充電電壓逐漸升高）， 壓充電（此時(shí)充電電流逐漸減?。?， 15A 恒流充電（此時(shí)充電電壓逐漸升高）， 壓充電（此時(shí)充電電流逐漸減低），充電電流降到 3電池端電壓降至 恒壓 A 以內(nèi)進(jìn)行浮充充電。 通過單片機(jī)產(chǎn)生的不同恒流恒壓階段的基準(zhǔn)值（最大值 5V，頻率為 25占空比可調(diào) 在不同充電階段其占空比分別為： 30A(0 15A(03A(0 0 0 0 控制電路輸出端電壓送入 制芯片 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(zhǔn)電壓 行比較，根據(jù)采樣電流、電壓的實(shí)時(shí)變化，通過芯片對(duì)前端電路 分進(jìn)行調(diào)控，使其輸出電壓穩(wěn)定在 電路中采用一個(gè)四運(yùn)放集成塊 個(gè)雙運(yùn)放集成塊 為雙電源供電，供電電壓 5V，來完成對(duì)電流電壓的調(diào)整和比較作用。 在驗(yàn)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 (向調(diào)試得出對(duì)應(yīng)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(yàn)證理論推斷的可行性。 、進(jìn)度安排 過相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)查閱資料論證設(shè)計(jì)方案的可行性，準(zhǔn)備開題答辯。 完成開題答辯，著手準(zhǔn)備進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。 國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車充電電路控 制系統(tǒng)資料進(jìn)行查閱，準(zhǔn)備外文文獻(xiàn)翻譯。 在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上根據(jù)控制電路實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，由每個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)功能選擇實(shí)現(xiàn)方式和電路。通過每星期的導(dǎo)師指導(dǎo)論證其可行性，并及時(shí)進(jìn)行修改。與同學(xué)進(jìn)行討論學(xué)習(xí)，了解前端電路開關(guān)電源部分和后端單片機(jī)控制部分的工作原理，使對(duì)電路有更好的全局把握。 電路框架的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行細(xì)化，對(duì)實(shí)現(xiàn)電路功能的參數(shù)選擇進(jìn)行討論與設(shè)定，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的不同要求，盡可能使參數(shù)理論值接近實(shí)際應(yīng)用的需要 。 理論計(jì)算得出參數(shù)值利用仿真軟件進(jìn)行電路仿真，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)試，通過對(duì)不同輸出值的比較敲定最佳實(shí)現(xiàn)方案。 據(jù)兩個(gè)月來的理論分析和實(shí)際操作過程，通過參考大量的相關(guān)資料文獻(xiàn)，著手進(jìn)行畢業(yè)論文的編寫。及時(shí)與導(dǎo)師進(jìn)行溝通，得到修改意見。 交論文終稿并完成論文答辯。 四、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）提交的文檔及基本要求 1畢業(yè)論文一份 （包含封皮、目錄、中英文摘要、內(nèi)容及參考文獻(xiàn)） 2不少于 5000 漢字的科技翻譯資料一份 3、畢業(yè)論文簡(jiǎn)介（ 12 頁(yè)）（包含題目、專業(yè)、年級(jí)、姓名、指導(dǎo)教師、畢業(yè)論文所做的工作、解決的問題、創(chuàng)新之處等） 4畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 5開題報(bào)告 6畢業(yè)設(shè)計(jì)工作中期檢查表 業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 附表二 課題名稱 30A/60V 電動(dòng)汽車充電器控制電路的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 專業(yè)班級(jí) 電子信息工程五班 一、選題的目的意義 電動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)，如何延長(zhǎng)電動(dòng)汽車 充電電池的循環(huán)使用壽命已成為現(xiàn)階段影響電動(dòng)汽車發(fā)展最核心的技術(shù)問題之一。除去充電電池在使用時(shí)由于自身物理特性造成的性能損耗，錯(cuò)誤的充電方式和充電習(xí)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(guān)電源和單片機(jī)的配合下，自動(dòng)完成恒流、恒壓充電模式的切換，構(gòu)造出一條吻合電池接收特性曲線走勢(shì)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(guó)內(nèi)外研究綜述 王維斌在間歇式脈沖三段式充電器的設(shè)計(jì)中介紹了適用于電動(dòng)車高性能鉛 酸蓄電池的間歇式脈沖三段式的設(shè)計(jì)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(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法；并實(shí)現(xiàn)了三段充電的自動(dòng)智能切換。不僅對(duì)鉛酸蓄電池有良好的充電效果，而且對(duì)電池的充電損耗有修復(fù)功能，可大大提高蓄電池的使用壽命。 u 和 說明了在現(xiàn)代電動(dòng)車管理系統(tǒng)中運(yùn)用自控系統(tǒng)對(duì)充電過程進(jìn)行分階段調(diào)控的重要性。介紹了多種對(duì)電動(dòng) 車不同充電狀態(tài)進(jìn)行估算的方法，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比。論證了根據(jù)電池在不同狀態(tài)的估算結(jié)果采用合適的充電方式的必要性。 三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所用的方法 首先對(duì)論文課題進(jìn)行可行性分析論證，通過查閱資料對(duì)現(xiàn)有的電動(dòng)汽車電池充電方式進(jìn)行研究和分析，理解各充電方式的實(shí)現(xiàn)手段及優(yōu)缺點(diǎn)。以現(xiàn)在最為常見的三段式充電為理論基礎(chǔ)，繼續(xù)對(duì)充電階段進(jìn)行細(xì)化，使其更加符合充電電池接收特性曲線的走勢(shì)，并考慮其實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)方式。先構(gòu)造電路框架，再由每部分的具體功能選擇實(shí)現(xiàn)方式 和電路，得到具體電路框架。最后對(duì)運(yùn)用仿真軟件對(duì)實(shí)現(xiàn)效果進(jìn)行驗(yàn)證。 四、主要參考文獻(xiàn)與資料獲得情況 1 華中理工大學(xué)電子學(xué)教研室 , 康光華 . 電子技術(shù)基礎(chǔ) (模擬部分 )M. 第四版 . 北京 :高等教育出版社 , 1999:2772 王遠(yuǎn) . 模擬電子技術(shù) M. 第一版 . 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 1994:3123 浙江大學(xué)電子學(xué)教研室 , 鄭家龍 , 王小海 . 模擬集成電子技術(shù)教程 M. 第一版 . 北京 :高等教育出版社 , 2002:2134 北方交通大學(xué)馮敏昌 . 模擬集成電路系統(tǒng) M. 第二版 . 北京 :中國(guó)鐵道出版社 , 1998:1675 吳運(yùn)昌 . 模擬集成電路原理與應(yīng)用 M. 第一版 . 廣州 :華南理工大學(xué)出版社 , 1995:198五、指導(dǎo)教師審批意見 簽字： 年 月 日 V 畢業(yè)設(shè)計(jì)工作中期檢查 附表三 2012 年 3 月 20 日 課題名稱 30A/60V 電動(dòng)汽車充 電器控制電路的設(shè)計(jì) 姓 名 專業(yè)和班級(jí) 電子信息工程五班 指導(dǎo)教師 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)具體內(nèi)容、目標(biāo)和可能遇到的問題 畢業(yè)設(shè)計(jì)具體內(nèi)容：電動(dòng)汽車充電器的控制電路，它能夠在與前端電路開關(guān)電源和后端單片機(jī)的配合下控制充電器自動(dòng)完成不同充電階段恒流充電和恒壓充電的模式轉(zhuǎn)換，并在各階段穩(wěn)定起作用電流值和電壓值。 設(shè)計(jì)目標(biāo)：通過對(duì)充電電流和充電電壓進(jìn)行采樣，并將其與恒流、恒壓階段的電流、電壓設(shè)定值（通過單片機(jī)產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波 號(hào)實(shí)現(xiàn)，具體占空比數(shù)據(jù)需由對(duì)電路各階段的仿真得到）通過 節(jié)器進(jìn)行比較， 通過后端芯片 前端電路開關(guān)電源的調(diào)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。 可能遇到的問題：由于一個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)不同階段的作用，因此參數(shù)的選擇十分重要（如運(yùn)放的型號(hào)、所加電阻電容的取值等），需使其滿足各個(gè)階段的設(shè)計(jì)要求。模擬電子技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是很有難度的，經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)覆蓋面程度會(huì)對(duì)結(jié)果有產(chǎn)生很大的影響。另外，理論與實(shí)際的差別、電路仿真與實(shí)際應(yīng)用之間的不同也是會(huì)遇到的問題。 二、采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)方案及可行性分析 首先對(duì)現(xiàn)有的充電器控制電路方 面的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，和自己的基礎(chǔ)構(gòu)思進(jìn)行比對(duì)，找出可用的部分和以前所沒有注意到的問題，充實(shí)自己的設(shè)計(jì)思路并避免出現(xiàn)同樣的失誤。敲定設(shè)計(jì)方案后請(qǐng)導(dǎo)師對(duì)設(shè)計(jì)漏洞、設(shè)計(jì)思路進(jìn)行講解。將電路根據(jù)功能的不同將進(jìn)行模塊化，并將各模塊具體的實(shí)現(xiàn)方式利用所學(xué)知識(shí)和查閱資料進(jìn)行細(xì)化，確定各個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)電路。圍繞每個(gè)模塊進(jìn)行基本的參數(shù)選擇分析，得出大致范圍后整合所有模塊對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。最終得出可實(shí)現(xiàn)功能的完整電路。 由于模擬電路設(shè)計(jì)需要對(duì)所選參數(shù)進(jìn)行不斷的對(duì)比論證，僅根據(jù)資料所介紹的計(jì)算值并不一定能滿足實(shí)際需求，但是一直 在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并不現(xiàn)實(shí)。故決定采用仿真的方式，在大致參數(shù)確定后通過仿真對(duì)比發(fā)現(xiàn)問題，并進(jìn)行優(yōu)化。 對(duì)于控制電路的研究已經(jīng)有一定的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，加之仿真的環(huán)境提供了足夠的調(diào)試空間，使設(shè)計(jì)能夠在理論和實(shí)際的結(jié)合下完成。 三、指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生出勤、文獻(xiàn)閱讀等方面的評(píng)語(yǔ) 簽字： 年 月 日 業(yè)設(shè)計(jì)工作中期檢查 附表四 2012年 4月 24日 課題名稱 30A/60V 電動(dòng)汽車充電器控制電路的設(shè)計(jì) 姓 名 專業(yè)和班級(jí) 電子信息工程五班 指導(dǎo)教師 一、階段性結(jié)果 控制電路各組成模塊已基本成型，主要通過運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)：包括放大、比例、積分電路等，其中比例積分電路對(duì)調(diào)整采樣值使其最終吻合設(shè)定值起主要作用。在決定電流和電壓的主導(dǎo)作用方面則利用了二極管的單向?qū)ㄌ匦浴榱烁玫匕盐照w電路，對(duì)前端電路 (開關(guān)電源部分 )、后端電路 (單片機(jī)控制部分 )和調(diào)節(jié)電壓電流值的 制芯片 3525 也做了相應(yīng)的研究和學(xué)習(xí)。通過導(dǎo)師和同組同學(xué) 的講解，對(duì)前端電路開關(guān)電源部分和后端單片機(jī)控制部分都有了簡(jiǎn)單的了解，對(duì)整體電路有了更好的把握，在具體的設(shè)計(jì)時(shí)也能一并考慮前后端的匹配連接問題。 二、存在的問題 電路需要作用在幾個(gè)不同的階段，每個(gè)階段根據(jù)恒流恒壓值的不同輸入值都會(huì)發(fā)生變化，如何使用一套電路參數(shù)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(dòng)切換。對(duì)于模擬電子技術(shù)來說，參數(shù)的選擇是最重要的一環(huán)，但是理論值往往和實(shí)際值有差距，對(duì)經(jīng)驗(yàn)不夠豐富的人來說更增加了選擇的困難。 對(duì)于構(gòu)成電路的基本模塊來說，只有基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)在實(shí)際操作中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不 能滿足要求的。如何綜合考慮元器件的特性，在其基本結(jié)構(gòu)上引入正確的輔助器件使其更符合實(shí)際應(yīng)用的需求也是當(dāng)前所遇到的問題。 0A/60摘要： 隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)其各個(gè)部件的設(shè)計(jì)要求也有了很大提高。動(dòng)力系統(tǒng)作為其中的核心環(huán)節(jié)，充電電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)整體的性能有很大影響。而對(duì)于缺乏專業(yè)知識(shí)的消費(fèi)者來說，充電電池的使用壽命成為了最直觀的判斷標(biāo)準(zhǔn)。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(zhǎng)其使用壽命已成為近些年研究的重點(diǎn)。本文通過對(duì) 現(xiàn)有充電方式工作原理的分析對(duì)比，在三段式充電模式的基礎(chǔ)上加入更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(duì)比例放大電路和 充電電流、電壓采樣值與相對(duì)應(yīng)的恒流、恒壓值的誤差進(jìn)行比較并輸出至 起芯片對(duì)前端電路輸出電流、電壓的的調(diào)節(jié)，使誤差逐漸減小直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出?？刂齐娐纷畲蟮奶攸c(diǎn)是能夠在外圍電路的輔助下自動(dòng)完成恒流、恒壓充電模式的切換并在每個(gè)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?qū)ㄐ?，通過電路參數(shù)的合理設(shè)置，用一個(gè) 壓階段的控制。 關(guān)鍵詞： 電動(dòng)汽車 ， 充電器，比例電路， 真 of to of it be of on of As to in of be of by of in of as on be of of I of of on to of in is of in of in of of of a in PI 錄 前言 . 1 1 蓄電池的充電方式 . 2 蓄電池充電特性曲線 . 2 幾 種常見充電方式 . 3 恒壓充電 . 3 恒流充電 . 4 涓流充電 . 4 三段式充電 . 4 五段式充電 . 5 2 前端電路開關(guān)電源介紹 . 6 選用開關(guān)電源的原因 . 6 開關(guān)電源工作原理 . 6 前期整流濾波部分 . 7 分 . 7 后期整流濾波部分 . 7 3 控制電路的設(shè)計(jì) . 8 設(shè)計(jì)思路與理念 . 8 電路模塊介紹 . 10 采樣模塊 . 11 號(hào)模塊 . 11 比例放大模塊 . 11 節(jié)模塊 . 12 關(guān)鍵元器件 集成運(yùn)放的選擇 . 14 電路的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及參數(shù)選擇 . 16 分壓電路 . 16 比例放大電路 . 18 運(yùn)放調(diào)零電路 . 20 濾波電路 . 23 節(jié)電路 . 24 4 控制電路的工作流程 . 26 5 電路仿真結(jié)果 . 27 調(diào)零仿真結(jié)果 . 27 電流部分調(diào)零 . 28 電壓部分調(diào)零 . 28 恒流恒壓值仿真 . 28 恒流數(shù)值仿真 . 29 壓數(shù)值仿真 . 30 部分充電過程試仿真 . 32 X 結(jié)論 . 33 致謝 . 34 參考文獻(xiàn) . 35 附錄 . 37 1 隨著近年來一系列積極政策的出臺(tái)，我國(guó)的汽車行業(yè)發(fā)展迅速，汽車產(chǎn)銷實(shí)現(xiàn)了“井噴”式增長(zhǎng)，并在 2009年一躍首次成為世界第一大消費(fèi)國(guó)。然而我國(guó)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(jìn)口量也以每年兩位數(shù)的百分比增長(zhǎng)。由對(duì)不可再生資源日益增長(zhǎng)的需求和不斷減少的能源供給引發(fā)的愈發(fā)尖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?xì)怏w排放量的快速增長(zhǎng)，而在目前我國(guó)的二氧化碳排放中，約有 25%來自于汽車。預(yù)計(jì)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(jīng)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(dāng)前的純電動(dòng)汽車技術(shù)還存在不少問題，然而對(duì)于 主導(dǎo)市場(chǎng)份額的消費(fèi)者來說，面對(duì)檔次相仿的電動(dòng)汽車，在缺乏相應(yīng)專業(yè)知識(shí)的情況下，蓄電池的使用壽命便成為其最為關(guān)注的問題之一。同時(shí)，相較于傳統(tǒng)汽車，電動(dòng)汽車除了在環(huán)境保護(hù)方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)之外，與不斷上漲的油價(jià)相比，低廉的電費(fèi)也正是吸引眾多潛在消費(fèi)者的最大賣點(diǎn)之一。這就要求電動(dòng)汽車的充電電池更要能真正的做到高質(zhì)量，高循環(huán)充電率。 不同的蓄電池?fù)碛胁煌某潆娊邮仗匦郧€，在理想情況下，如果能完全跟隨此曲線的走勢(shì)進(jìn)行充電，則將在最大程度上的延長(zhǎng)充電電池的使用壽命，從而降低因?yàn)轭l繁更換電池增加購(gòu)買成本的可能性。但在實(shí)際生活 中，由于技術(shù)手段的限制，達(dá)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(shí)現(xiàn)且占據(jù)大部分的市場(chǎng)份額，但是這兩種方式都在一定程度上對(duì)充電電池的性能有傷害或者無法在短時(shí)間內(nèi)完成充電，加上不正確的充電習(xí)慣的影響，電池的壽命將在一次次的充電后急速縮短。 本文所介紹的充電電池控制電路能通過和單片機(jī)程序的配合，在充電時(shí)自動(dòng)檢測(cè)電流及電壓值，并在其變化到給定值時(shí)智能完成多階段恒流充電和恒壓充電模式的轉(zhuǎn)換，并在各階段中維持電流、電壓的穩(wěn)定性。在現(xiàn)有的技術(shù)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(zhǎng)充電電池的使用壽命。對(duì)于在充電特性方面要求高的電動(dòng)汽車行業(yè)來說，增加這樣一個(gè)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 2 商家吸引消費(fèi)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(duì)幾種常見充電方式進(jìn)行介紹分析，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，引出五段式充電模式的概念。再根據(jù)控制電路所要達(dá)到的控制效果將其用模塊流程圖表現(xiàn)出來，通過各模塊的實(shí)現(xiàn)功能來討論具體電路的選擇。電路基本框架敲定后進(jìn)行針對(duì)元器件參數(shù)選擇的分析論證，將電路細(xì)化并完成 整體設(shè)計(jì)。最后通過仿真軟件對(duì)方案的完成效果進(jìn)行驗(yàn)證。 1 蓄電池的充電方式 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(xiàn)后，鉛酸蓄電池經(jīng)歷了長(zhǎng)久的發(fā)展過程，其制造技術(shù)手段已經(jīng)相當(dāng)成熟，時(shí)至今日，鉛酸蓄電池依舊是電池領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品。 在對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，可由電流隨時(shí)間的變化繪制出蓄電池的充電特性曲線。同時(shí)，蓄電池具有一條由本身特性決定的顯示充電時(shí)可用最大安全電流的接收特性曲線（如上圖所示）；即充電電流一旦超過某一時(shí)刻的最大接收值，就會(huì)對(duì)蓄電池性能造成一定的損 傷，長(zhǎng)期積累會(huì)導(dǎo)致電池使用壽命的縮短。 當(dāng)充電特性曲線能夠完全與蓄電池接收曲線重合時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)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(shí)間內(nèi)完成充電的圖 酸蓄電池接收能力曲線 3 設(shè)想。但是現(xiàn)階段的充電方式往往都只能單純的滿足減少充電時(shí)間或保護(hù)電池性能的要求，因此，研究處于兩者平衡點(diǎn)的充電方式是必然的發(fā)展趨勢(shì)。 幾種常見充電方式 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(dá)到了自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流的效 果，與蓄電池接收能力曲線走勢(shì)相同。如果設(shè)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(shì)相同，但在隨著恒壓充電的進(jìn)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(shí)再進(jìn)行充電就會(huì)對(duì)蓄電池性能造成一定的影響。兩曲線對(duì)比如上圖所示。 總體來說，恒壓充電有以下 優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)： 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(shí)現(xiàn)。 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(huì)造成充電初期 電流過大，容易使蓄電池極板彎曲，導(dǎo)致電池報(bào)廢，且無法在短時(shí)間內(nèi)完成。 綜合考慮以上優(yōu)缺點(diǎn)，恒壓充電現(xiàn)階段已經(jīng)很少使用，只有在要求低充電電壓、大電流時(shí)才采用。 圖 壓充電特性曲線與接收特性曲線 4 恒流充電 與恒壓方式相對(duì)應(yīng)，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(guān)電源控制實(shí)現(xiàn)。充電時(shí)可以根據(jù)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(zhǎng)時(shí)間的充電方式在不傷害蓄電池性能的情況下完成充電。 圖 流充電特性曲線與接收特性曲線 為了盡量減少充電時(shí)間，充電電流 值的選擇不能過小，但是這樣就會(huì)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(xiàn)階段在恒流充電的基礎(chǔ)上，將后期恒流充電階段置換為小電流連續(xù)充電，充電特性曲線如上圖所示。 涓流充電 大部分電池充滿電后，電量會(huì)由于自放電現(xiàn)象不停流失， 涓流充電 可通過對(duì)保持在近似完全充電狀態(tài)的蓄電池 進(jìn)行 連續(xù)小電流充電 以補(bǔ)償流失電量 。 現(xiàn)在大多數(shù)接入 直流電源系統(tǒng)的蓄電池，在完全充電后 都會(huì)進(jìn)入 涓流充電狀態(tài)，以備放電時(shí)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(duì)于串聯(lián)蓄電池組來說，涓流 充電能夠很好的 均衡 各個(gè) 電池 的端電壓和比重，并起到蓄電池維護(hù)和化學(xué)特性激活的作用。因此 又稱維護(hù) （浮充） 充電 。 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(bǔ)自身的 5 缺點(diǎn)，那么找到縮短充電時(shí)間和保護(hù)電池性能之間的最佳平衡點(diǎn)也就不再困難。三段式充電就是很好的一個(gè)例子。 利用三種基本充電方式的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的綜合，就可實(shí)現(xiàn)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(huì)導(dǎo)致電池極板的損壞，而過小則會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間。電池放電越深，恒流充電的時(shí)間越長(zhǎng)， 反之則較短。 2、恒壓充電階段：恒流充電后，保持此時(shí)的充電電壓進(jìn)行恒壓充電，充電電流下降。一般來說，充電電流下降到 10可轉(zhuǎn)入浮充電狀態(tài)。 3、涓流充電階段：恒壓充電結(jié)束后轉(zhuǎn)入浮充充電階段，大約需要 24小時(shí)左右來使蓄電池容量恢復(fù)到 100%。在這一階段，由于電池已處于近似完全充電的狀態(tài)，所以即使持續(xù)時(shí)間再長(zhǎng)，其容量也不會(huì)再明顯增長(zhǎng)。 五段式充電 由上文對(duì)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(shì)。由此考慮，如果在此基礎(chǔ)上引入更多的恒流、恒壓階段切換，那么所產(chǎn)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(diào)控使系統(tǒng)復(fù)雜化。綜合考慮，決定在三段式充電的基礎(chǔ)上分別增加一個(gè)恒流階段和恒壓階段，構(gòu)成五段式充電模式，其充電特性曲線如下圖所示： 圖 段式充電特性曲線 6 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 曲線為充電過程中電壓變化曲線 充電過程分為以下五個(gè)階段： 1、 30A 恒流充電直至電壓升至 換為恒壓充 電模式。 2、 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 換為恒壓充電模式。 4、 壓充電直至充電電流下降為 3A，停止充電 (停機(jī) )。 5、電壓下降至 新啟動(dòng)，進(jìn)入電流小于 3A 的浮充充電過程。 下面就根據(jù)充電特性曲線對(duì)電路進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。 2 前端電路開關(guān)電源介紹 選用開關(guān)電源的原因 要實(shí)現(xiàn)恒流、恒壓的分段充電，并且保證每階段充電時(shí)電流、電壓值的精確與穩(wěn)定度，前端電路即采用開關(guān)電源來維持恒定的電流、電壓值。 開 關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)，通過控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，調(diào)整輸出波形的占空比，并能在各個(gè)調(diào)整階段維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（ 進(jìn)行控制。 現(xiàn)在常用的開關(guān)電源有兩種：一種是直流開關(guān)電源，另一種是交流開關(guān)電源；本文中所介紹的前端電路使用的是直流開關(guān)電源。其功能是將電能質(zhì)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(zhuǎn)換成滿足設(shè)備要求的高穩(wěn)定度、高精度直流電壓。 由此看來，直流開關(guān)電源能夠很好地完成精確調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電流 、電壓的任務(wù)。下面就對(duì)其工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。 開關(guān)電源工作原理 構(gòu)成電路的前端電路根據(jù)功能可劃分為三個(gè)階段：前期整流濾波階段（針對(duì) 7 電網(wǎng)電壓進(jìn)行）， 段，后期整流濾波階段（針對(duì) 分輸出電壓進(jìn)行）。 前期整流濾波部分 前期整流濾波電路圖請(qǐng)參見附錄圖 2。 輸入端接入 220V 50電網(wǎng)電壓，首先通過橋式整流利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒄?fù)變化的交流電壓變?yōu)閱蜗虻拿}動(dòng)電壓，即脈動(dòng)直流電；再通過濾波電路利用電容將脈動(dòng)電壓的交流諧波部分濾除，最終輸出相對(duì)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(gè)因素：用于構(gòu)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。 分 分電路圖請(qǐng)參見附錄圖 3。 在這部分電路中起主要作用的是四支 即絕緣柵雙極型晶體管，同時(shí)也是在芯片 控制下完成 工作原理如下：位于對(duì)角線上的晶體管各為一組。當(dāng)兩組晶體管依次導(dǎo)通時(shí)，會(huì)在變壓器上依次產(chǎn)生左 正右負(fù)、左負(fù)右正的電壓，由此將前端電路輸出的直流電轉(zhuǎn)變成變壓器所需的交流電。 理論上來說，兩組晶體管在不同時(shí)導(dǎo)通的情況下，可在一個(gè)交流電周期內(nèi)導(dǎo)通和關(guān)斷各 50%的時(shí)間。但在實(shí)際應(yīng)用中，兩組晶體管的依次導(dǎo)通的間隙必須留有同時(shí)關(guān)斷的時(shí)間，即死區(qū)控制，否則會(huì)造成短路。 另外，并聯(lián)在每個(gè)晶體管旁的吸收電容和吸收電阻可以防止交流方波出現(xiàn)“毛刺現(xiàn)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。 后期整流濾波部分 后期整流濾波部分電路圖請(qǐng)參見附錄圖 4。 這部分電路采用了全波整流，因?yàn)榻?jīng)過變壓作用 ，交流方波電壓最大值降至約 112V，即使每個(gè)二極管均承擔(dān)二倍的電壓最大值即 242112 也很容易實(shí)現(xiàn)。 經(jīng)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(dòng)汽車充電器使用的穩(wěn)壓電源。通過對(duì)穩(wěn)壓電源電壓值進(jìn)行取樣，經(jīng)由控制電路的調(diào)節(jié)，配合單 8 片機(jī)程序控制，即可完成分段恒流恒壓的充電過程。下面將重點(diǎn)介紹電動(dòng)汽車充電器的核心電路 控制電路部分。 3 控制電路的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思路與理念 前文已經(jīng)介紹過，此控制電路要能夠通過與前端電路開關(guān)電源和單片機(jī)的配合完成以下 幾個(gè)充電階段內(nèi)恒流充電和恒壓充電的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，并穩(wěn)定每一階段內(nèi)的電流值或電壓值。 1、 30A 恒流充電直至電壓升至 換為恒壓充電模式。 2、 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 換為恒壓充電模式。 4、 壓充電直至電流下降為 3A，停止充電 (停機(jī) )。 5、電壓下降至 新啟動(dòng)，進(jìn)入浮充充電過程。 從結(jié)果來看，電路控制