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對電動(dòng)汽車(chē)能源的動(dòng)力電池及其充電技術(shù)的研究,往往需要針對不同種類(lèi)的動(dòng)力電池進(jìn)行多種充電方式的充電試驗。這就要求研制的充電電源不僅能對不同種類(lèi)的動(dòng)力電池進(jìn)行充電,而且要能夠進(jìn)行多種充電方式的充電。而目前國內市場(chǎng)上銷(xiāo)售的充電電源,無(wú)論是常規充電電源還是智能化充電電源,都往往是針對某一類(lèi)動(dòng)力電池的,并且只能采用單一充電方式進(jìn)行充電。因此為了進(jìn)行動(dòng)力電池充電技術(shù)的相關(guān)研究,往往需要購買(mǎi)多臺充電電源或自行研制相應的充電電源。前者需要大量的資金和寬闊的試驗場(chǎng)地,而后者需要較強的專(zhuān)業(yè)技術(shù)和較長(cháng)的開(kāi)發(fā)周期。本課題研制了微機控制的大功率充電電源。 該電源采用PC104工業(yè)計算機作為控制核心,選取全橋變換器拓撲電路作為主電路,通過(guò)控制主電路在不同時(shí)刻的輸出電流和輸出電壓,可以實(shí)現多種充電方式充電;通過(guò)預置不同的參數,可以對多種動(dòng)力電池進(jìn)行充電;通過(guò)結合液晶顯示屏和手控盒,可以方便地實(shí)現充電方式和充電參數的預置及各采樣數據(電池端電壓、充電電流、電池表面溫度等)的顯示。 1 硬件設計 1.1 主電路設計 充電電源的主電路采用目前技術(shù)上比較成熟的全橋變換拓撲電路,其原理圖如圖1所示。三相380V交流電壓經(jīng)三相整流橋整流、電容濾波后得到約514V的直流電壓,經(jīng)全橋逆變電路變換后得到高頻脈沖電壓,再經(jīng)高頻變壓器隔離變換后,由高頻整流器整流及濾波器濾波后得到所需的直流電壓。主電路的PWM控制方式采用常規的PWM控制方式。功率開(kāi)關(guān)器件采用新型的復合器件——絕緣柵雙極晶體管1GBT,它集MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)于一體,具有輸入阻抗高、電壓型驅動(dòng)控制、開(kāi)關(guān)損耗小、飽和電壓低、通斷速度快、熱穩定性好等優(yōu)點(diǎn),是大功率全橋變換器的首選功率開(kāi)關(guān)器件。變換頻率取為20kHz,利于減小高頻脈沖變壓器及副邊濾波用扼流圈的體積和重量。二次整流器件采用快恢復二極管,利于減小整流管反向恢復時(shí)間對輸出電壓的影響。 1.2 控制系統設計 充電電源主要由主電路和控制系統組成�？刂葡到y以PC/104嵌入式工業(yè)計算機為核心,配以接口電路、采樣電路、PWM控制電路及IGBT驅動(dòng)電路等,可按照預置自動(dòng)控制充電過(guò)程,并在充電過(guò)程中進(jìn)行充電數據(包括電池端電壓、充電電流及電池表面溫度等)的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)顯示、批量存儲及分析處理等�？刂葡到y組成框圖如圖2所示。 1.2.1 PC/104嵌入式工業(yè)計算機 控制系統之所以采用PC/104嵌入式工業(yè)計算機,主要是考慮到PC/104嵌入式工業(yè)計算機具有以下幾方面的顯著(zhù)特點(diǎn):(1)小型化。PC/104采用模塊化的設計方法,單個(gè)模塊的體積為90mm×96mm×15mm。若一個(gè)PC/104系統采用三個(gè)模塊,在90mm×96mm×45mm的小空間內就能實(shí)現臺式工控機的全部功能;(2)低功耗。絕大多數模塊采用+5V電源,芯片采用CMOS芯片,功耗特別低,只有1～2W,無(wú)需外加散熱裝置;(3)PC/104在軟、硬件上與標準PC/AT體系完全兼容,可以很快掌握其軟、硬件的使用方法,而將主要精力放在軟件和接口的設計上。CPU模塊提供PC機的不同檔次的標準化產(chǎn)品,便于進(jìn)行更新和升級;(4)外圍模塊齊全,提供顯示控制、磁盤(pán)控制、通訊控制、數據采集控制等各種功能的產(chǎn)品;(5)采用一種緊湊的層疊棧接結構,各模塊間通過(guò)加固的64針和40針的直立式連接器連接,并用四個(gè)金屬托架支撐,更加堅固牢靠。本系統中采用了深圳盛博科技有限公司生產(chǎn)的PC/104總線(xiàn)SCM/Super Dx嵌入式CPU模塊,其內包含了Intel 80486 CPU(100MHz)、16M在板內存、1個(gè)與PC/AT兼容的雙向并行口、兩個(gè)RS232串行口、7個(gè)DMA、14個(gè)中斷、三個(gè)計數器、一個(gè)PC/AT鍵盤(pán)接口等。此外,為了消除頻頻讀寫(xiě)硬盤(pán)可能帶來(lái)的不穩定因素,采用32MB的Disk On Chip2000半導體固態(tài)盤(pán)取代硬盤(pán),直接裝在SCM/Super Dx嵌入式CPU模塊的32腳DIP插座上。 數據采集模塊選用了盛博科技有限公司的DMM-AT模塊。該模塊具有16路12位模擬輸入、2路12位模擬輸出、8路數字輸入、8路數字輸出、1024字節FIFO,100kHz最大采樣速率,是一款功能較全、性?xún)r(jià)比較高的接口板,可以滿(mǎn)足該系統所需的A/D、D/A轉換及手控盒開(kāi)關(guān)量輸入的需要。 液晶顯示屏擔負著(zhù)各種充電信息顯示和充電參數設定等功能。選用了北京創(chuàng )業(yè)科技開(kāi)發(fā)中心開(kāi)發(fā)的型號為KY-D29A的智能液晶顯示屏,整個(gè)液晶外形尺寸為113mm×65mm×14mm,顯示點(diǎn)陣為128×64,可經(jīng)RS232C直接與嵌入式微機連接,通過(guò)專(zhuān)用的指令可以方便地實(shí)現字符和漢字的顯示及各種幾何圖形的繪制。手控盒作為PC/104的輸入設備,通過(guò)和智能液晶顯示屏的配合使用,可以很方便地進(jìn)行各種參數的設置和各種充電數據及曲線(xiàn)的顯示。 另外,為了便于應用程序的編寫(xiě)、調試、修改及維護,還選用了盛博科技有限公司的SysExpanModule/VFI系統擴展模塊。該模塊以高分辨率的圖形控制器、軟盤(pán)驅動(dòng)器和IDE硬盤(pán)接口為PC/104系統提供擴展,使用標準自堆棧式總線(xiàn)接頭,可以通過(guò)堆棧方式與CPU模塊或其它模塊相連接。通過(guò)給主控計算機外接顯示器、標準PC/AT鍵盤(pán)、軟驅和IDE硬盤(pán),可很方便地進(jìn)行應用程序的開(kāi)發(fā)和調試。 蓄電池的電壓采樣和電流采樣電路分別由電壓霍爾傳感器與信號放大電路以及電流霍爾傳感器與信號放大電路組成。溫度采樣電路由熱敏電阻、溫度變送器和放大電路組成。 1.2.2 PWM控制及驅動(dòng)電路 PWM控制電路的核心器件選取美國通用公司生產(chǎn)的電壓型PWM控制器SG3525A。SG3525A是一種性能優(yōu)良、功能齊全、通用性很強的單片集成PWM控制器。該芯片簡(jiǎn)單可靠且使用方便靈活,通過(guò)適當地外接電路,不僅能夠實(shí)現PWM控制,還可以完成輸入軟啟動(dòng)、過(guò)載限流、過(guò)壓保護等多種功能。PWM控制電路如圖3所示�？紤]到SG3525A作單端輸出使用時(shí),變換器的最大占空比不到50%,在實(shí)際使用中將輸出端11和14的信號采用了取或的辦法以得到較大的占空比。 驅動(dòng)電路的核心器件選取日本三菱公司生產(chǎn)的IGBT專(zhuān)用厚膜集成電路M57962L。M57962L采用雙電源供電方式,可保證IGBT可靠通斷,內置高速光耦隔離輸入,隔離電壓有效值可達2500V,并具有短路、過(guò)載保護及過(guò)流慢速關(guān)斷等功能,只需外接少量的元器件,便可組成完善的IGBT驅動(dòng)及保護電路。驅動(dòng)電路如圖4所示。電源電壓VCC和VEE分別取為15V和-12V,電阻R201為IGBT柵極限流電阻,二極管D201用以進(jìn)行短路和過(guò)流檢測,串接穩壓二極管Z201可以改變M57962L模塊的過(guò)流保護起控點(diǎn),穩壓二極管Z202可以避免1腳承受過(guò)電壓。 2 軟件設計 系統采用DOS6.22作為操作系統,Turbo C 2.0作為開(kāi)發(fā)工具。為了便于程序的維護和修改,縮短程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間,采用了模塊化的程序設計方法,主要包括主程序模塊、參數設置模塊、采樣濾波模塊、輸出控制模塊、圖形顯示模塊及故障報警模塊等。除了采樣濾波模塊和輸出控制模塊采用內部定時(shí)中斷方式運行外,其余模塊采用巡回掃描方式運行。主程序流程框圖和定時(shí)采樣子程序流程框圖如圖5所示。其中M段充電模式是指由恒壓充電、恒流充電或恒壓充電和恒流充電相結合而組成的兩段以上的充電模式,如恒流恒壓充電、兩段恒流充電及三段恒壓充電等。 |
