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用于电动汽车的一种车载智能快速充电器研究

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  • 更新日期:2014-03-18 15:57
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详细介绍
随着电动汽车技术的快速发展和日趋成熟,其多种新产品不断被推向市场并逐步为消费者接受,为此,电动汽车蓄电池无损伤快速充电的需求显得十分迫切。为适应这种需求形势,提出将大功率开关电源变换技术应用于智能充电器,结合其实际充电要求,设计了一种电动汽车车载智能充电系统的总体方案,并对方案中1 引言
绿色环保、节能减排是世界各国在发展经济和建设国家中必须面对的挑战。为此,以替代传统燃油汽车并消除尾气排放造成环境污染及对石油资源过度消耗的电动汽车则成了汽车业发展的新宠和潮流,许多发达国家和发展中国家都投巨资进行电动汽车新产品的研发和市场开拓。
车载电动汽车充电器是电动汽车规模化、商业化后不可缺少的组成部分,犹如燃油汽车必需的加油站。如何实现车载充电器对蓄电池快速无损伤充电是电动汽车投放市场前必须解决的关键技术之一。本文设计的充电器是一种安装在电动汽车上的车载充电装置。本设计是通过对目前车载蓄电池的发展现状和发展前景进行分析,并以当前使用广泛的阀控密封铅酸电池进行研究后,在技术上采用了目前较为先进并成熟的逆变技术。本产品具有体积小、重量轻、效率高、调节范围大等特点。同时从功能角度考察,它也适合用于镍镉、镍氢、锂离子等类型的动力蓄电池,因此,具有广泛的实用价值。
2 智能快速充电系统的总体结构
结合当前电动汽车电能供给的典型方式和充电电源的发展状况,本文设计了一种智能充电系统,请见图1所示。系统电路采用了AC/DC-DC/DC的设计结构。首先是将220V的交流市电经EMI滤波、PFC校正电路变为380V的直流,然后用DC/DC半桥变换器及相应的控制电路,以保证输出电流和电压能够满足充电电池的需要。其中,PFC的控制电路主要由MOSFET管、Boost升压电感、控制芯片ICE2PCSO1以及直流滤波电容组成。DC/DC变换器采用半桥式拓扑,主要由高频变压器、MOSFET管以及LC滤波电路组成。控制部分通对蓄电池端电压、电流信号的采集反馈,由SG3525产生双路PWM波用控制半桥拓扑中MOSFET管的通断时间来控制充电电流和电压,该控制部分还包括对电流、电压、温度的采集监测以及实时显示。
3 系统中主要电路的设计
3.1 APFC电路的设计
本设计选择工作于连续调制模式下的平均电流型升压式APFC(有源功率因数校正)电路来实现较为合适。具体的电路设计示于图2,控制芯片选用ICE2PCSO1,由ICE2PCSO1构成有源功率因数校正电路。
3.2 半桥式逆变部分设计
DC/DC变换是这款充电电源的关键所在,同时也是难点所在。整机性能的好坏、质量优劣、成本高低等,在很大程度上取决于该逆变器的变换电路。这一部分如图3所示,主要包括变换器拓扑结构的选择、功率管的选择、变压器设计、吸收回路设计及滤波回路设计等。
 3.2.1 电路主变换拓扑结构的选择
在开关电源的各种变换拓扑中,半桥变换以其输出功率大、结构简单、开关器件少、实现等功率变换、成本较低和抗磁通不平衡能力强等优点,成为本设计充电器结构的首选。半桥电路由两只数值相等、容量较大的高压电容器组成一个分压电路,通过控制一个桥臂上两个开关管交替导通和截止,在变压器原边产生高压开关脉冲,从而在副边感应出交变的方波,实现功率变换。这种电路拓扑的一个突出优点是阻断电容C3的连接使其具有抗磁通不平衡能力,有效防止磁偏。同时将变压器初级侧的漏感尖峰电压钳位在直流母线电压,将漏感存储的能量归还到输入母线,而不是消耗在电阻元件上。
3.2.2 高频变压器的设计
由220V的市电交流输入电压经过前级的有源功率因数校正(APFC)变换电路后,得到380V的输出电压,并且,该输出电压也是后级DC/DC变换的输入电压。在变压器的作用下,原边电压是190V,副边输出电压为109V。根据资料和经验,具体设计计算如下:
①初级绕组匝数计算
                     (1)
               (2)
式中,D为变压器的最大占空比;fs为开关频率;N1为初级绕组匝数;Uin是变压器初级输入电压幅值;Ton为初级输入脉冲电压宽度(μs)。在实际操作时,初级绕组匝数取10匝。
②次级绕组匝数计算
                             (3)
                            (4)
式中,n为初级绕组和次级绕组的匝数比;Uont是变压器副边的输出电压;N2为计算得出的次级绕组匝数;因为变压器是中心抽头型结构,故次级绕组实际取6匝。
设计实际选用的软磁铁氧体磁芯是PM87型,材质为LP3。初次级绕组导线采用多股φ0.55mm的高强度漆包线并绕(原边为21股并绕、副边绕组用17股线并绕);绕组排线采用原副边交叉绕制(两段式全包),这样可实现变压器线圈的紧密耦合,减小漏感。
3.2.3 半桥变换器功率管的选择
以上论述提到,电路设计采用半桥式拓扑,开关管Q1和Q2上的电压即是变换器的输入电压,故下式成立:
                                (5)
二极管D2和D6上的电压为:
                           (6)
整流二极管D3和D5上的电压为:
                        (7)
流经开关管的最大电流值为:
                        (8)
式中,Io为负载电流;Lf是变压器的原边漏感。
由以上分析计算得到的数据和信息中,选用的功率管Q1和Q2的型号为FCH47N60的MOS管,它可承受600V的电压和47A的电流;选择的整流二极管型号为MRB40250肖特基管,其正向平均电流为40A,反向耐压最大为250V。[page]
3.2.4 吸收回路与滤波回路的设计
为了解决关断时器件的过压问题,在图3中,由D1、R1、C4组成RCD缓冲器,通过减缓Q1漏源极电压的上升速度,使下降的电流波形与上升的电压波形之间的重叠尽量小,以达到减小开关管损耗的目的。同样,由D4、R4、C8对Q2的关断过程进行保护。
在输出整流二极管之后采用LC滤波电路减小输出电流与电压的纹波。滤波电感L1的作用是使负载电流的波动减小,滤波电容C5的作用是使输出电压的纹波减小。当负载突减时,滤波电容储能;负载突增时,电容C5上的储能首先向负载补充能量,以减小输出电压的峰——峰值。
3.3 控制保护电路
控制保护电路主要完成3个功能:①控制充电系统按照当前设定的输出电压、电流值产生占空比可变的PWM波,对开关管进行驱动,以实现功率变换。②当出现过、欠压、过流、过温等故障时,控制充电电源的主回路停止工作,从而将电源的损坏程度控制在最小范围。③在充放电过程中,对相应的电压、电流、温度等参数实时显示。
3.3.1 驱动信号的产生
驱动信号的产生过程如下:将电阻分压获取的输出电压信号以及电流霍尔传感器采集的输出电流信号送到SG3525误差放大器的反相输入端,由其产生两路PWM方波信号,6N137对该方波信号光耦隔离,并送至FAN7390进行功率放大和波形变换,以驱动半桥变换器。这一部分的设计主要涉及的关键技术有:
a.振荡频率及死区时间的设置
查阅SG3525设计资料可知,SG3525振荡电路的输出是频率减半的互补方波信号。在充电器的设计中,后级电路的变换频率设定为50kHz,故SG3525正当电路的工作频率设置为100kHz,如下式(9)所表述:
                              (9)
t2=1.3R5C1                                                                (10)
当设定电路的振荡频率为50kHz,死区时间为33s时,这部分元件参数的取值为:
C1=4.7nF,R3=2.9kΩ,R5=50Ω
b.反馈补偿网络的设计
为了满足系统稳定性和静态误差的要求,这一部分的设计采用无静差的PI调节器作为补偿网络。由于充电器的负载是铅酸蓄电池,蓄电池的电压和内阻在充电过程中会发生变化,这样,反馈控制中P1调节器的难度增大,由理论推导的RC参数值参考价值不大。对于这个PI调节器,我们更注重从实验的角度出发,反复尝试得到一个比较适合的网络,即采用含有Ⅱ型误差放大器的正激变换器反馈补偿网络。为防止电压和电流环同时起作用时造成系统振荡,可在补偿网络设计中,通过提高比例积分环节中的作用,同时加大时间常数,使得补偿网络在整个系统中占主导地位,从而使闭环系统更像一个一阶惯性环节,使系统能够很好地稳定下来,以抵抗各种干扰引起的电压和电流波动。
c.半桥驱动自举电路的设计
由于半桥变换器上桥臂MOSFET的源极联接下端的开关管处于悬浮状态,需要同步的自举电路来提升栅极驱动电压。在本设计中,由R1、D1、C2组成自举电路,对上桥臂高端栅极驱动电路进行供电。
自举电容的选择条件为:
C2>2Qg/(VCC-10-1.5)                           (11)
式中,Qg为MOSFET栅极提供的电荷。选择自举二极管D1时需遵循其击穿电压大于Uin、恢复时间足够快的原则,以减少自举电容反馈给电源VCC的电荷。自举电阻R1的取值不能太大(一般取5~10Ω),否则会增加VBS的时间常数。
3.3.2 保护电路的设计
保护电路具有在过压、欠压、过流、过温时保护设备的功能。在设备出现上述故障时,控制系统首先对故障的紧急程度进行判断,当系统出现过欠压或者过温警示信号时,则实施限制输出功率保护方案;在出现过流、短路等故障时,控制主电路停止工作,保护充电电源免受损坏。若要使系统恢复正常工作,则需要重新开机。
3.3.3 单片机选择及其控制部分介绍
系统设计的总体控制采用NEC的F0881单片机作为充电器的“智能”中心,为充电过程进行控制。由于为铅酸蓄电池充电过程中的每个阶段所需要的充电电压和充电电流均有不同要求,所以必须用单片机进行智能控制。控制过程是,在充电时,单片机对电池端的电压、电流信号进行采集,分析处理,模糊推理,模糊决策等,根据不同的状态采用对应的慢脉冲快速充电方法,以及保证在各个充电阶段之间的稳定切换。并对出现的各种故障和报警信号进行处理。单片机控制部分,除对电池的充电过程信号进行采集处理外,还对设备本身的电流、电压和温度进行采集和显示等。
4 试验、测试结果与分析
根据以上设计制件的车载智能充电器的实物照片如图5所示。对其进行测试所得的参数为:体积为347×212×125(mm3);重量为79kg;在-10℃~40℃环境温度下工作时的效率>86%,并且在机内温度达75℃时会自动保护。由此可见,其基本性能达到了体积小、重量轻、可靠性高、效率高和集成度高的设计思想。
为了验证产品的实际运行效果,采用220V(20%)的宽范围交流电源作为输入电源,并使用6节120AH的铅酸蓄电池串联进行带载试验,测得其PFC校正和半桥变换器原边的电流、电压波形分别示于图6和图7。
图6所示为满载时的功率因数校正波形,可以看出开关管在输入电压、电流工频过零点是完全处于截止状态的,PFC电感处于电感电流连续的工作模式,这样保证了输入电流很好地跟随输入电压成正弦波,电路具有很高的功率
 
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