电动汽车的快速充电设计

电动汽车的快速充电设计电动汽车的快速充电设计摘 要本论文以移相全桥直流变换器为基础，系统研究学习了移相全桥直流变换器的控制策略和电路拓扑结构中的重要问题，设计出电动汽车用磷酸铁锂电池快速充电器。充电方法的选择对锂电池的寿命和性能影响很大，在研究磷酸铁锂电池的工作原理及其充放电特性，确定了本充电电路采用三阶段充电法（恒流，恒压，浮充）。采用移相全桥软开关电路，选定IGBT为开关器件，减少了开关损耗和开关噪声。设计了基于C8051f002单片机和UCC3895的辅助控制电路，通过对充电电路的输出电压和输出电流，电池温度的监控，针对不同的充电阶段单片机输出不同的电压和电流的给定值。保护电路和辅助电源电路的完成保证了整个充电电路功能的实现。最后完成相关系统软件的设计，通过软件来优化充电控制，保证了充电的安全可靠。关键词 电动汽车 ZVZCS软开关 IGBT UCC3895 THE DESIGN OF POWER SUPPLY FOR CHARGING SPEEDLY UP THE EVABSTRACTThis dissertation is devoted to the study of the important issues of control strategies of phase-shifted full-bridge DC concerter,and exploits a set of rechargeable LiFePO4 power supply which is applicable to electric vehicles .The method of charging progress have great impact on the performance and life for batteries,in the study of LiFePO4 bettary charge and discharge principle,the three-strategy charging metrod (constant current, constant voltage ,the trickle current ),and the integrated control method (temerature control ,minimum current control ).We use full- bridge phase-shifting soft-switching circuit ,and selected IGBT as switching devices , to reduce the switching loss and circuit noise .Design the auxiliary control circuit based on C8051f002 and UCC3895 .Protection circuit , auxiliary power supply circuit guarantee the completion of the entire charging circuit functions can be achieved .Finally,the relevant system software design was introduced .Realize the purpose of through software to improve charging control ,ensure the safety of our charging circuit .KEYWORDS ElectricVehicle Zero-Voltage-Zero-CurrentSwitching IGBT UCC3895目 录摘 要IABSTRACTII1. 前言11.1 电动汽车概况11.2 新一代锂动力电池的发展11.3 本文研究的主要内容22. 系统的结构框图及设计方案32.1 系统框图32.2 方案的选择43. 主充电电路工作原理54. 控制系统硬件电路的设计74.1 调节器电路设计74.1.1 模拟PI调节器74.1.2 充电控制策略84.1.3 电压电流双调节器的设计84.2 脉冲发生电路及驱动电路94.2.1 移相脉冲生成方法94.2.2 UCC3895的应用特性和电路设计104.3 驱动电路设计124.4 检测电路的设计134.4.1充电器输出电压和电池电压的检测144.4.2 输出电流的检测电路154.4.3 温度采样及保护电路164.5 C8051f002 单片机系统174.5.1 C8051f002 8位单片机简介174.5.2 晶振电路的设计184.5.3 复位电路设计184.5.4 单片机外围电路设计194.6 辅助电源电路的设计204.7 系统的抗干扰设计215. 充电器软件的设计225.1 软件的设计思路225.2 电压、电流采集模块的设计225.3 DAC输出模块的设计225.4 系统总体控制软件的设计24结 论25致 谢27参考文献28附录1 源程序清单30附录2 主电路和辅助电源电路原理图34附录3 控制电路各部分原理图35351. 前言1.1 电动汽车概况电动汽车是21世纪清洁、高效和可持续的交通工具，是一种电力驱动的道路交通工具。从环境方面考虑，在城市交通中使用电动汽车可实现零排放或极低排放。即使考虑到给这些电动汽车提供能量的发电厂的排放，仍能显著降低全球的空气污染。电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。现在，零排放电动汽车的技术已经逐渐成熟，并已开始商品化，一次充电的行程基本能满足近程交通的要求。大规模应用的主要问题是初始成本高和续驶里程不理想。在目前的实际应用中，最常用的动力电池为阀控铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。但铅酸电池比能量低、使用寿命短；镍氢电池的镍材料比较稀少，而且存在记忆效应；普通的锂离子电池像锰酸锂、钴酸锂虽说具有比能量大、电动势高、无记忆效应、放电电压平稳、循环寿命长、安全性好等优点，但也存在工作电压变化大、内部阻抗高、不能与其他二次电池互换使用等缺点。世界各国从20世纪80年代开始，掀起了大规模的开发电动汽车的高潮。电动汽车的出现，将会大幅度带动充电电源技术的发展。但电动汽车的市场化一直受到一些关键技术的困扰。目前电动汽车难以得到普及的主要原因之一就是缺乏合理的确保电动汽车电池组安全、高效、用户友好、牢固的充电技术。通过开发快速充电系统，可以实现随时随地方便及时地对动力电池进行充电，能够有效延长电动汽车的续驶里程，从而能有利于电动汽车的推广。所以说电动汽车的电池快速安全充电是电动汽车投入市场前，必须解决的关键技术之一。因此，适合电动汽车的充电器势在必行。1.2 新一代锂动力电池的发展近几年，出现了一种新的锂电池磷酸铁锂电池，给电动汽车的推广带来了曙光。磷酸铁锂是一种锂电池的正极材料，也称为锂铁磷电池，特色是不含钴等贵重元素，原料价格低且磷、锂、铁存在于地球的资源含量丰富，不会有供料问题。磷酸铁锂电池和铅酸电池、镍氢电池和普通锂电池相比有很多优势，凭借这些优势，磷酸铁锂电池又列入了“十五”期间的“863”国家高科技发展计划，成为国家重点支持和鼓励发展的项目。优势如下：1、使用安全，磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧。2、该电池寿命超长，循环使用次数高，在室温下1C充放电循环1500次，容量保持率95上；3、该电池重量很轻，是铅酸电池的13，镍氢电池的63，体积小，商品设计可轻量化；4、放电平台稳定，可作大电流高功率充放电高倍率放电特性：10C充放电效率达到96以上，容量保持率90以上，可实现10C放电，这是其作为动力电池的最大优势。磷酸铁锂电池凭借其显著的优势，吸引了国内外的很多电池生产商。但由于其主要技术参数与锰酸锂和钴酸锂电池具有较大的差别, 因此过去大量生产的锂离子电池充电控制专用集成电路、厚膜电路和模块等不能对磷酸铁锂电池进行充电,而且磷酸铁锂电池支持大电流快速充电，所以必须尽快开发研制出通用型磷酸铁锂动力电池快速充电器，大大缩短电动汽车的充电时间，加速电动汽车的推广。1.3 本文研究的主要内容电动汽车电池充电一般采用两种基本方法：接触式充电和感应耦合式充电。软开关技术是实现高效率的有效措施，是针对硬开关提出的。硬开关开关过程是通过突变中断功率流完成能量的变换过程。硬开关开关过程中，电压电流均不为零，出现了重叠，因此导致了开关损耗。而且电压和电流的变化很快，波形出现了明显的过冲，这导致了开关噪声的产生。而软开关过程是通过电感和电容的谐振，使开关器件中的电流(或两端电压)按正弦或准正弦规律变化，开关开通前电压先降为零，或开关关断前电流先降为零，就可以消除开关过程中的电压电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减小甚至消除开关损耗和开关噪声。在该毕业设计中，本文设计了电动汽车用磷酸铁锂动力电池的快速充电器。电池输出电压144V，容量120AH。采用传统的接触式充电方式，控制方式采用三阶段充电控制法，采用了以C8051f002为核心的主控制板，以实现充电过程各阶段控制及保护等相关的各项功能。通过对全桥变换器的研究学习，该充电器采用了一种具有副边简单辅助电路的零电压零电流开关移相全桥变换器拓扑结构，该拓扑结构具有辅助电路结构简单、无耗能元件和有源开关、副边整流管电压应力小、整体效率高等优点。利用该拓扑研制了36kW零电压零电流开关移相全桥变换器工程样机，其输入为三相四线制380V50Hz，最大输出直流电压为150V，最大输出电流为240A。2. 系统的结构框图及设计方案2.1 系统框图该电动汽车的快速充电器是以C8051F002单片机为控制核心，主要包括整流滤波电路、IGBT功率模块、高频变压器、电压电流采集电路、单片机控制电路、脉冲发生电路以及驱动电路，保护电路等。系统框图如图1。图1 充电系统框图充电器电路主要包括主充电电路和单片机控制电路两部分，整个电路的工作过程为380V的交流电先由EMI滤波，抑制电网的差模干扰和电路内部的共模干扰。然后经过全桥整流由输出电容进行滤波，得到约530V左右的直流电。经过由4只IGBT构成的逆变桥，得到正负脉冲，经高频变压器耦合到副边得到高频交流电，再经过输出整流管整流。最后经过大电感和电容滤波后得到稳定的直流输出。由于采用单片机控制，根据不同的电池每个阶段充电电压和充电电流都不同。所以使用cygnal公司的C8051F002单片机作为充电过程控制设备，充电时单片机检测充电电池的充电电流，充电电压，电池温度，防止电路过压和过流。电池温度过高，还可以通过检测电池电压电流值来决定是否在切换到下一个的充电阶段。同时通过单片机的集成AD转换器给出每一阶段的充电的电压值或是电流值，与采样所得的反馈的电压电流值相比较，经过PI调节器输出给移相控制芯片UCC3895，通过调整改变移相角来改变功率管的导通时间，达到在电池不同阶段得到不同稳定的输出值的目的。2.2 方案的选择主电路中的直流全桥变换器可选择的方案很多，以下进行分析选择。方案一：采用典型的ZVS全桥变换器。这种电路可以实现四个管子的零电压开通和关断，这种电路的最大优点是它无需额外的谐振回路，不需要额外的元件就可以实现软开关，器件应力小，这种电路对于MOS管可以明显的减小开关损耗。在高电压和大功率应用场合，IGBT将取代MOSFET作为开关器件。由于IGBT的少数载流子存贮效应，所以在关断时存在着拖尾电流，会增大损耗。方案二：原边串联隔直电容和饱和电抗器的ZVZCS全桥变换器。这种电路中饱和电抗器在正常工作时工作在饱和状态，在换相期间可以阻止下半个周期导通时的电流上升。还可以扩大软开关的实现范围。电路在换相期间依靠隔直电容使原边电流复位，实现零电流关断。缺点是饱和电感的损耗比较大，影响了整个系统的效率。方案三：采用副边带简单辅助电路的ZVZCS变换电路。该电路使用一个电容和两个二极管构成副边辅助电路，无需辅助有源开关器件，辅助电路构成简单，控制方法简单，能很好的实现主开关器件的ZVZCS。不包含耗能元件和有源开关，副边整流管电压应力小，成本低，而且适合于大功率场合。方案四：用副边有源箝位电路实现原边电流复位电路。这种电路没有使用耗能元件，在副边增加有源箝位开关S，并通过对有源箝位开关的适当控制，为滞后桥臂创造零电流开关条件。超前桥臂在零电压导通与关断的过程中，输出滤波电感参与了谐振过程，而输出滤波电感通常取值较大，超前桥臂开关管可以在很大的负载范围内满足零电压开关条件。开关管的导通与关断的死区时间间隔受原边电压最大占空比的限制。此电路的主要缺点是控制上稍微复杂一些，以及有源箝位开关采用的是硬开关，但是有箝位开关在一个开关周期中仅工作很短一段时间，对变换器整体效率影响很小。综上所述，选用方案三的副边带简单辅助电路的ZVZCS变换电路。3. 主充电电路工作原理本论文对多种ZVZCS全桥变换器进行了比较研究，选用了新型带简单辅助谐振电路的移相控制ZVZCS全桥变换器。这种变换器只是在变压器副边附加由一个小电容和两个二极管构成的辅助谐振电路，不包含耗能元件和有源开关，副边整流管电压应力小、整体效率高而且价格便宜等优点，在中大功率场合很有发展前途。主充电电路基于ZVZCS全桥变换器拓扑结构。该变换器采用了移相控制方式，开关管Q1和Q3构成超前桥臂，Q2和Q4构成滞后桥臂，C1和C2为超前臂的外接并联电容，Lik为变压器漏感，起谐振电感的作用。N1， N2分别为变压器原、副边绕组匝数，匝比N1：N2=15:8，箝位电容Cc，二极管Dh，Dc共同构成副边辅助谐振电路。主电路主要的原理图如图2。图2 主电路原理图首先我们假定所有的开关管和其他元器件都是理想的，并且输出滤波电感足够大，在半个开关周期内可以认为是一个恒流源。电路在半个开关周期内一共可分为6个工作过程，具体工作原理如下：过程1：S1和S4刚同时导通，辅助电路电容Cc与变压器漏感Lik发生谐振，通过DcCo支路充电，VCc开始升高，半个谐振周期过后，VCc达到最大值，谐振停止。过程2：半个谐振周期后,Dc关断，整流桥输出电压恢复到正常值Vs/k，原边电流Ip回落到Ip/k，这段时间变换器输入能量经变压器传送到负载,是普通的PWM传能阶段。过程3：传能阶段结束后，Sl关断，原边电流从Q1支路转移到电容C1，C3支路，电容C1开始充电，C3开始放电，在这一阶段内，由于输出滤波电感很大，负载可等效为一恒流源。C1两端电压不能突变，Q1实现零电压关断。过程4：原边电流开始下降，当整流桥输出电压下降到Vrec=VCc，Dh导通，Cc向负载提供能量。直到C2放电完毕，反向二极管D3导通，开关管Q2可以在零电压下完成导通。Q4续流，原边电流迅速下降，负载电流主要由箝位电容Cc提供，ICc迅速上升。过程5：当原边电流下降到0时，Q4仍在导通，此时Q4可实现零电流关断。过程6：，当Cc放电完毕，Dh关断，整流二极管开始导通，副边开始续流。Q3导通，因为变压器漏感存在，原边电流不可能突然上升。Q3的开通为零电流开通。半个开关周期工作过程结束，进入下半个周期，其工作过程和前半个周期相同。由以上分析可知，超前臂IGBT的开通和关断是靠IGBT上并联电容上的电压不能突变实现的。滞后臂IGBT的开通是通过漏感上电流不能突变实现ZCS，滞后臂IGBT的关断是在关断之前，使原边电流下降为零，实现ZCS。4. 控制系统硬件电路的设计本设计控制系统主要包括调节器电路，脉冲生成电路，驱动电路，检测电路和单片机及其外围电路。4.1 调节器电路设计在经典控制理论中，PI控制是最早发展起来的控制策略之一，它不仅历史悠久，而且也是生命力最强的控制方式之一。近些年来，尽管控制理论取得了突破性的进展，诞生了许多新的概念和设计方法。但是，与自适应控制、模糊控制等现代控制方法相比PI控制仍被在工程中广泛应用，主要是有以下特点：(1)PI控制器结构及设计方法简单，不需要太多的验前知识，十分适用于工程应用。(2)PI控制器是广大工程技术人员所熟悉的，便于使用和调整。(3)PI控制器的少许改进往往会获得明显的效果。因此，本次设计的控制系统采用了PI调节器来实现对输出电压、输出电流的无静差控制。4.1.1 模拟PI调节器在模拟系统中PI调节器是一种线性调节器，其原理如图3。图3 模拟调节器该控制器中比例调节器的作用是对于偏差做出瞬间快速反应。偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使控制量向偏差减小的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数K=R/Rf。只有当偏差存在时，比例调节器才有控制量输出，因此对于大部分控制对象，单用比例调节器会产生静态误差。积分调节器的作用是把偏差累计的结果，作为它的输出。在调节过程中，只要偏差存在，积分器的输出就会不断增大，直至偏差为零，输出才可能维持某一常量，使系统在设定值不变的条件下趋于稳定。因此它能消除系统输出的静差。4.1.2 充电控制策略本文设计的充电器针对一般的电动轿车用磷酸铁锂动力电池，电池的端电压为144V，容量120AH。本设计采用了三阶段充电法恒流，恒压，浮充。综合了恒流充电和恒压充电的优点。三阶段充电过程中电压电流的变化如图4。图4 三阶段充电过程充电开始，我们先检测电池组的端电压，对过放电的电池，采用短时间的小恒电流涓流充电，这样有利于激活电池内的化学反应物质。若电池没过放电，则可以直接进入恒流阶段。由于磷酸铁锂电池支持快速充电，我们设定充电电流为I=2C=240A，通过PI调节器使输出为恒定电流，过程中一直检测电池的端电压和温度。当端电压上升到144V时，转入恒压阶段。通过PI调节器保持充电器输出144V，此时电池电流会逐渐降低，过程中一直检测电池电流。当电流下降到C/20时，转到浮充阶段。保持输出电压为134V，当检测到电池电流为C/100时，停止充电，整个充电过程结束。4.1.3 电压电流双调节器的设计本充电器采用三阶段充电策略，在充电过程中根据电池的电压电流值来确定电池该处于何充电阶段，而在不同的充电阶段需要保持输出不同的恒定的电压和电流值。我们之前学过很多闭环控制的相关知识。闭环控制就是把反馈值和给定值比较，把比较得出的偏差信息再输入到控制装置，以调整其控制功能，使系统的输出时刻趋于理想值，使偏差值趋于最小。因此，我们可以对输出电压和电流分别进行闭环控制，控制器采用PI调节器，原理图如图5。图5 充电器电压电流调节器当前输出电压、输出电流的实际反馈值与经过D/A转换和滤波得到的给定值进行模拟PI调节运算。输出电压、输出电流的两个PI调节器是并联结构，两个PI调节器的输出结果经过CD4053传输门取最小值。在刚开始充电的时候充电电压达不到U，电压PI的输出是饱和输出。这个阶段中只有电流PI起作用。充电电源在电流环的作用下恒流充电，充电电压逐渐上升。当充电电压超过U，电压PI退出饱和状态。当电压调节器的输出低于电流调节器的时候，最终输出值取电压调节器的值。这样就完成了从恒流充电到恒压充电的自动转换。此后由于电流不断减小，电流调节器始终处于饱和状态，只有电压PI起作用，充电电源在电压闭环控制下恒压充电。当微处理器检测到充电电流小于设定的停机电流时，转到浮充阶段。4.2 脉冲发生电路及驱动电路4.2.1 移相脉冲生成方法充电电源采用的零电压零电流软开关全桥变换器拓扑需要进行移相控制。一般产生移相脉冲的方法可以分为两种：一种是通过微处理器来实现，另一种是使用集成的控制芯片。使用微处理器产生控制脉冲：由于开关频率较高，使用微处理器产生脉冲时对处理器的性能要求较高，一般都用DSP来控制。在软件的实现上，对程序的实时性要求很高，程序的编写难度较大。但是使用微处理器直接产生脉冲有它的优势：首先它成本低，节省了一块集成控制芯片及其外围电路；其次控制板的通用性好，通过软件修改可以很方便的把控制方式由移相控制改为脉宽控制等其他控制方法。使用集成控制芯片产生控制脉冲：这种方式几乎可以不需要处理器的参与而独立工作，降低了处理器的负担。所产生的移相脉冲的频率，死区时间，等参数均可以通过外围电路配置。如UCC3895的频率最高可以达到1MHz，完全可以满足一般应用的需要。它只需要03.6V的电压信号，就可产生与之对应的移相信号。它是纯硬件的方法产生的脉冲，响应速度快，工作稳定可靠。在工程应用中可靠性是我们需要首要考虑的问题。集成控制器在这一点上有明显的优势。它是成熟的工业产品，已经在市场上经过了多年的检验。该充电电源在今后的应用中需要与监控系统，电动汽车，电表等通过CAN总线和485总线进行通讯，处理器的负担已经很重。集成控制器不依赖于处理器，降低了程序开发和后期程序改进的难度。综合以上考虑，该充电电源使用了一片UCC3895来产生移相脉冲。UCC3895是Unitrode公司生产的又一种高性能PWM移相型控制器。它除了具有UC3875的功能外。最大的改进是增加了自适应死区设置，以适应负载变化时不同的准谐振软开关要求。另外还新增加了PWM软关断能力UCC3895有可编程输出开通延时和自适应延时设置，既可用于电流模式，又可用于电压模式。可实现输出脉冲占空比从0到100相移控制；内置7MHz带宽的误差比较放大器，最高工作频率达1MHz等。由于应用电路比较简单方便，且采用了BCDMOS工艺，使得它的功耗更小，工作频率更高，更加符合电力电子装置高效率、高频率、高可靠的发展要求。4.2.2 UCC3895的应用特性和电路设计脉冲产生电路原理图如图6，图中ADS引脚是该控制芯片新增的控制管脚其功能是设置输出延时死区最大值与最小值之比。图6 UCC3895的应用电路ADS引脚可通过式1所列关系改变DELAB和DELCD脚上的电压，从而改变输出延时。VDEL=0.75（VCS一VADS）+0.5V （1）这里我们采用固定死区时间的电压控制方式，所以CS和ADS引脚接地。VDEL=0.5V。芯片的RAMP引脚可以工作在电压或平均电流控制模式下，我们这里采用的是电压控制模式，该引脚接振荡器输出CT。在峰值电流模式下RAMP可以接电流信号。引脚带有内部放电晶体管。该晶体管在振荡器死区时间内被触发。同步振荡器的工作频率由定时电容CT和定时电阻RT决定。电容CT在由RT控制的电流8IRT的积分作用下产生一个锯齿波。由式2可近似得到振荡周期。TOSC=5RTxCT48+120ns（2）DELAB和DELCD引脚是用来控制死区时间的。同一桥臂上的两个管子的死区延时可由下式3确定。Tdelay=25x10-12xRDEL/VDEL+25ns（3）EAN、EAP是差分放大器的反向输入端和同向输入端。UCC3895正是根据这个差分放大器的输出来确定移相角的。我们把EAN接地，EAP接PI调节器的输出端。EAOUT引脚是差分放大器的输出端。SSDISB引脚是一个很重要的引脚，它是控制软启动和封锁脉冲的引脚。当它的电压低于0.5V的时候，芯片会立刻封锁脉冲，所有的脉冲输出引脚全部为低电平。当SSDISB高于0.5V的时候，它的电压会箝位差分放大器的输出，可以起到软启动的作用。如图6所示，在SSDISB引脚与地之间接了一只电解电容C23，一只三极管S3和一只电阻R29与这个电容并联。SSDISB与内部的恒流源相接，恒流源的输出电流为IRT。当停机的时候，三极管导通，SSDISB的电压为0V。这时，各脉冲输出引脚为低电平状态。当充电电源启动的时候，处理器给出一个启动信号。保护电路在没有其他故障信号的情况下会给出一个低电平到三极管的基极，三极管关断。芯片内部的恒流源开始以电流IRT给电容C23充电，SSDISB的电压缓慢上升，实现UCC3895的软启动。充电器发生故障的时候，保护电路会输出一个高电平到S3基极，三极管导通，通过R29给电容C23放电，移相角随之减小，当引脚电压低于0.5V的时候，封锁脉冲。为了在发生故障的时候快速的停机，我们在这里使用的电阻R29阻值很小，目的是能迅速把电容上的电放完。4.3 驱动电路设计在电力电子系统中，设计IGBT的驱动电路和保护电路是应用的关键。IGBT栅极驱动电路应具备如下基本功能：（1）提供足够的栅极电压来开通IGBT并在开通期间保持这个电压；在最初开通阶段，提供足够的栅极驱动电流来减少开通损耗和保证IGBT的开通速度。（2）在最初开通阶段，提供足够的栅极驱动电流来减少开通损耗和保证IGBT的开通速度。（3）在关断期间，提供一个反向偏置电压来提高IGBT抗暂态dv/dt的能力和抗EMI噪声的能力并减少关断损耗。（4）在IGBT功率电路和控制电路之间提供电气隔离。对IGBT逆变器，一般要求的电气隔离为2500V以上。（5）在短路故障发生时，驱动电路会通过合理的栅极电压动作进行IGBT保护，并发出故障信号到控制系统。开关电源中常用的IGBT驱动方式有隔离变压器驱动方式和专用驱动芯片驱动方式。专用驱动芯片因为电路连接简单，可靠性高，有着广泛的应用。在本系统中使用的驱动芯片是IR2110。IR2110是IR公司的桥式驱动集成芯片，它采用了高度集成的电平转换技术简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了电路的可靠性。IR2110采用了CMOS制造工艺，逻辑电源电压的输入范围为5到20伏，可适用于TTL或是CMOS电路，具有独立的高端和低端2个输出通道。其内部功能图如图7。图7 IR2110内部功能图引脚1和7是两路独立的输出，分别是LO(低端输出)HO(高端输出)，引脚3和6分别是VCC(低端电源电压)和VB(高端浮置电源电压)，引脚9(VDD)是逻辑电路电源电压，引脚2(COM)是低端电源公共端，引脚5和13分别是VS(高端浮置电源公共端)VSS(逻辑电路接地端)，引脚10(HIN) 是逻辑输入控制端，引脚11(SD)是输入关闭端，引脚12(LIN)是低端逻辑输入端。IR2110浮置电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，工作频率达500kHz，两路通道均带有滞后欠压锁定功能。在本系统中共使用了两只IR2110芯片，每只IR2110都接收来自移相控制芯片UCC3895的控制信号，其输出端输出两路信号对同一桥臂两只功率管的开通和关断进行控制，驱动电路的连接图见图8。图8 驱动电路原理图C24和C27为自举电容，它的使用可以保证下桥臂的迅速关闭，上桥臂导通时，管子的栅极依靠C24和C27的储能来驱动。D10的使用是为了防止上桥臂导通时高电压窜入到VCC端。IR2110的开通延迟时间比关断延迟时间要长，这保证了上下两只功率管不会同时导通，为了更加安全可以加上二级管D9和D10。Rg1，Rg2，Rg3，Rg4是限流电阻，防止电路中流过的电流太大，阻值一般都比较小，这里取20欧姆。4.4 检测电路的设计要保证系统正常安全的工作，监测和保护措施必不可少的，一方面单片机根据相关电路采集到的数据来判断系统所处的工作阶段，对预设的参考电压和参考电流值进行输出，一方面判断这些参数是否正常，如果不正常，则动作采取保护措施甚至是暂时关掉系统，直到异常结束后再重新启动，继续工作。工作时系统要监测的参数主要包括充电电压，充电电流和充电时电池的温度等等，以实现对输出电压和电流的控制及对电路的保护。本设计的检测电路主要以采集充电器的输出电压，输出电流，电池的端电压和温度：(1)输出电压，采集输出电压是为了生成调节器的反馈信号和输出过压保护信号；(2)输出电流，输出电流生成调节器的电流反馈信号；（3）电池电压，为了确定电池充电处于哪个阶段；（4）电池温度，一旦温度过高，单片机会输出信号封锁UCC3895的PWM输出。为了做到主电路与控制电路之间的电气隔离，这里检测电压、电流分别使用了霍尔电压传感器和电流传感器，温度检测用铂热电阻。4.4.1充电器输出电压和电池电压的检测电池电压的检测为了确定电池充电处于何阶段，而充电器输出电压的检测是为了和给定值比较，输出设定的恒定电压值。两者的检测电路完全一样，但是两者的检测点有所不同。前者的测量点在输出滤波电容两端（AC两点），而后者的测量点紧贴电池的两端（BC两点）。设计的充电器采用使用了南京中旭HNV025A型霍尔电压传感器。它是利用霍尔磁平衡原理的传感器，能够测量直流、交流以及各种波形的电压，并且在电气上是高度绝缘的。它的主要参数有：电源电压15V(5)，额定输入电流10mA，次级额定电流25mA，响应时间40ps，绝缘电压2.5kV50Hzlmin 。这种电压传感器使用非常方便，只需要在电压传感器的原边按照额定输入电流选取合适的采样电阻，就把被测的电压信号转换成了电流信号。传感器的次级使用一只小电阻，再把电流信号转换成小电压信号供控制电路使用。整个采样电路的原理图如图9。图9 电池电压采集电路我们以直流母线电压150V来计算采样电阻，电压传感器的额定输入电流Iin=10mA，所以我们可以计算需要的采样电阻的阻值R3=15K。传感器的次级输出侧有一只200欧的小电阻将电流信号再转换成电压信号，额定输出25mA将得到5V的电压信号。LM258在15V供电的时候最大输出能到13.5V。运算放大器LM258当作电压跟随器使用，输出电压与输入电压同相，它可以提高带负载能力，提高输出功率。利用其输入阻抗高、输出阻抗低的特性作为缓冲电路。电压信号从电压跟随器输出之后再经过一个滤波环节送到后面的电路。被测电压与采样电路输出的电压信号之间的关系为600V：5V。电池电压的检测电路与输出电压检测电路完全一样，这里就把输出电压的采集电路省略了。4.4.2 输出电流的检测电路对于电流参数的采集，比较常用的方法有几种比如采样电阻采样，电流互感器采样。因为输出电流比较大，使用采样电阻损耗将比较大，可以使用电流互感器来采集电流参数。本充电器选用了南京中旭的HNC300US系列霍尔电流传感器，它是利用霍尔原理的电流传感器。能在电隔离的条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流。这种电流传感器具有良好的线性精度，抗干扰能力强，频带宽等优点。主要参数如下：电源电压15V(5)，额定输入电流300ACDC，次级额定电流150mA，响应时间1us, 缘电压6kV50Hzlmin。该电流传感器的使用非常简单，只需将输出电流从传感器穿芯孔中穿入，即可从输出端子得到与被测电流对应的电流。然后把这个电流信号送回控制板，经过与下图电路处理。电流信号的调理电路与电压信号的调理电路基本相同，只是采样电阻不同。输出电流的检测电路如图10。图10 电池电流采集电路我们以输出电流300A来设计，电流传感器的额定输出电流为150mA。R6为100欧，在经过R7和R8分压，得到5V的电压。把运算放大器LM258当作电压跟随器使用，输出电压与输入电压同相，它可以提高带负载能力，提高输出功率。之后再经过一个滤波环节送到后面的电路。被测电流与采样电路输出的电压信号之间的关系为300A：5V。4.4.3 温度采样及保护电路充电电源是一个上百种元件组成的复杂系统，在长时间恶劣的工业现场使用过程中有可能出现故障。任何一个产品只可能降低故障发生的概率，而不可能完全避免故障。但发生故障的时候如果没有及时采取保护措施，就会危害到充电电源的运行安全，严重的还会造成生命财产损失。所以对于中大功率的电力电子设备，必须设计完善的保护电路。由于笔者的学识有限，本设计中仅用了温度保护电路和输出电压保护等。温度是影响电源设备可靠性的重要因数。据相关资料表明：电子元器件温度每升高2，可靠性下降10，温升50是工作寿命只有温升25时的16，故为了避免由于温度过高造成功率器件的损坏，需在电路中设置过热保护电路。本文采用铂热电阻PTl00，对温度进行检测。PTl00是一种稳定度和线性度较好的铂丝热电阻传感器，可工作在-200至650的范围。本电路限制其工作范围为0至80，查厂家的数据手册可知，在O时的电阻值为100欧，80的电阻值为1309欧。因为PTl00是随温度变化而电阻变换的，需将阻值变化转换为电压变换，故本文设计了一个由铂热电阻、运算放大器和镜像恒流源组成的电路，来实现温度对电压的转换。温度采集及保护电路如图11。图11 温度采集和保护电路镜像恒流源产生稳定电流25mA为PTl00供电，将电阻信号转换为电压信号经RC滤波和设定值比较后送入单片机的P0.3口，保护电路部分将80时的电压值作为基准。当超过此基准电压时，比较器产生高电平，单片机检测到高电平，便在P0.7口输出高电平，即发出一个TSHOT信号到UCC3895，从而控制UCC3895封锁/允许输出脉冲，实现故障时控制器快速关断PWM输出。当温度重新降下来时，P0.7口仍然输出低电平，三极管S3关断。芯片内部的恒流源开始以电流IRT给电容C23充电，SSDISB的电压缓慢上升。差分放大器的输出电压在SSDISB的箝位作用下也缓慢上升，移相角度逐渐加大，所以充电电源的输出电压逐渐升高，实现了充电电源的软启动。4.5 C8051f002 单片机系统4.5.1 C8051f002 8位单片机简介控制系统的单片机选用Cygnal集成产品公司推出的C8051f002。首先，我们了解下C8051F系列单片机。C8051F单片机是完全集成混合信号系统级芯片（SoC），具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS51指令集完全兼容，可以使用标准803805X汇编器和编译器进行软件开发。除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。这些外设或功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBUS、12C、UART、SPI、定时器、可编程计数器、定时器阵列(PCA) 、数字I/O端口、电源监视器、看门狗定时器(WDT)和时钟振荡器等。所有器件都有内置的FLASH程序存储器和256字节的内部RAM，有些器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM，即XRAM。 C8051f002完全集成的混合信号系统级MCU芯片，工作电压2.7V3.6V， 具有8个数字I/O 引脚，下面列出了一些主要特性：1、高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核（可达25MIPS）， 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；2、真正12 位100 ksps 的8 通道ADC，带PGA和模拟多路开关和真正8 位500 ksps 的ADC，带PGA 和8 通道模拟多路开关；3、两个12 位DAC和两个电压比较器，具有可编程数据更新方式；4、具有5 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；5、片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器；6、硬件实现的SPI、SMBus/ I2C 和两个UART 串行接口；7、32K 字节可在系统编程的FLASH 存储器；8、可寻址64K 字节地址空间的外部数据存储器接口；9、有256字节的片内RAM，运行速度可达20 MIPS；10、5 个通用的16 位定时器； C8051f002单片机所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051 固件。片内JTAG 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU 进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 4.5.2 晶振电路的设计晶振电路是单片机工作的基础，同时它也是产生电磁辐射的主要来源，其性能好坏直接影响到系统能否正常运行，所以时钟电路在数字系统设计中占有至关重要。每个单片机都有一个内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路。单片机复位后从内部振荡器启动。内部振荡器的启动是瞬间完成的，它可以被允许或禁止。其振荡频率可以用内部振荡器控制寄存器OSCICN来改变。外部振荡器需要一个外部谐振器（并行方式的晶体）连接到XTAL1/ XTAL2引脚。必须在OSCXCN为这些振荡源寄存器中某一配置振荡器电路一个外部CMOS时钟也可以通过驱动XTAL1引脚提供系统时钟。XTAL1/ XTAL2引脚的耐压值是3.6V，而不是5V。即使在单片机已经切换到内部振荡器时，外部振荡器仍能保持允许状态运行。C8051f002支持四种不同的外部振荡器配置，这里我们选用外部晶体配置。主时钟可以通过一个晶体并接在XTAL1和XTAL2而得到。这种配置需将XOSCMD设置为“110”以直接使用晶体频率，或设置为“111”以使能二分频，并且要根据晶体频率等效负载电容和晶体的等效串联电阻ESR来设置XFCN。应查询OSCXCN中的XTLVLD（晶体振荡器有效位），或用该位产生中断，判断晶体振荡器频率是否稳定。一旦XTLVLD变为高电平，可以把CLKSL位置1，以使用外部振荡器作为系统时钟。另外晶体振荡器电路对PCB布局非常敏感，将晶体尽可能地靠近器件的XTAL引脚，布线应尽量短，并用地平面屏蔽，以防止其他引线引入噪声或干扰。4.5.3 复位电路设计单片机的复位电路可以很容易地将控制器处于预定的缺省状态。在进入复位状态时CIP-51停止执行程序，将外部端口引脚置于已知状态，将SFR初始化为缺省值，并禁止中断定时器。在退出复位状态时，程序计数器将复位，程序从ox0000开始执行。所有的SFR都将初始化为预定值。在复位期间，内部数据寄存器的内容不改变，复位前存储的数据保持不变，但由于堆栈指针SFR被复位，堆栈实际上已经丢失，尽管堆栈中的数据没发生变化。IO口锁存器的复位值为oxFF。内部的弱上拉有效，使外部IO引脚处于高电平状态。如果复位源是VDD监视器，或是一个向PORSF写1的操作，则/RST引脚被驱动为低电平，直到VDD复位超时时间结束。系统在运行过程中为了防止程序进入死循环，影响充电电源安全，需要设计复位电路来保证系统运行的可靠性。本设计的复位电路包括上电复位和手动复位两部分。上电复位是单片机一上电便对片内的寄存器和IO口初始化，方便执行新的程序；手动按键复位用于由于单片机受到外部干扰或出现当程序工作异常时，手动复位单片机。4.5.4 单片机外围电路设计单片机的外围电路如图12。图12 单片机外围电路图单片机在充电器工作过程中主要起几个作用，包括对检测到的电流值，电压值，电池温度等进行采集和变换，通过得到的数据判断电池的状态，同时根据读到的充电前人工设置电流和电压值来决定输出电流或是电压的参考值，多台充电器联机充电时负责和上一级的管理单位的联络和通信。因此需要用到单片机的ADC模块，PWM模块，用于多机通信用的串口，一定数量的输入输出口。C8051f002有8通道的12位ADC模块和8通道的8位ADC模块。2个12位分辨率的DAC模块以及PWM模块以及串口，系统资源完全可以满足使用时的需要，而且由于C8051f002单片机可以在线编程，所以程序的调试可以通过直接烧写后根据工作现象再结合串口调试工具来进行系统调试，从而使系统调试经济方便。本设计中单片机内部集成的12位ADC模块的AIN0，AIN1两通道分别对经过检测电路的电池端电压VF0，充电器的输出电流IFB进行转换，存入单片机的寄存器中，同时采集输出电压VF1来作为反馈值。DAC0和DAC1分别输出充电器输出电压Vref和电流的给定值Iref，和反馈电压、电流值比较，到PI调节器调节。P0.3口用于接收电池的过热信号。电池温度超过80时，P0.3接收到高电平，则P0.7口输出T-SHUT 高电平信号，从而封锁UCC3895的脉冲输出。4.6 辅助电源电路的设计系统要正常运行，电子元件工作时需要外电源对它们进行供电，本系统中需要的供电电源规格如下：控制电路中的逻辑芯片需要+5V工作电源,单片机需要+3.3V工作电源；比较器，移相控制芯片UCC3895， IR2110，电流传感器，电压传感器需要+15V的工作电源；需要说明的是比较器，电流传感器，电压传感器都是可以工作在正负电源供电的情况下的，只是在本系统的应用中，因为设计的需要对电路进行了处理和简化，而移相控制芯片UCC3895，IR2110的工作电压则是一个电压范围，在这里也作了处理，统一设计为+15V供电。以上电源统称为辅助电源，在对电源功率没有很大要求时可以采用线性电源供电，当然也可以采用开关电源作为辅助电源，在本系统中采用线性电源作为供电电源。具体连接图见图13。图13 辅助电源电路A相，B相或C相任意一相和中线配合构成220V交流电。220V交流电经过变压器T2后得到电压大约为12V的交流电经过整流桥，C10，C6的整流滤波后得到大约17V的直流电，经过三端稳压器件U2 7815后得到15V的直流输出，7815的最大输出电流为1.5A，输出功率可以满足各路元件的需求，15伏的直流输出通过U2 7805得到5V的直流输出，为部分电压要求为5V的元件提供工作电压。5V的直流输出再通过精密电阻分压得到3.3V的电压给单片机供电和提供基准电压。其中整流桥上四个0.01uF的电容是为了防止二极管上出现谐波叠加，损害管子。4.7 系统的抗干扰设计硬件抗干扰效率高，若硬件措施得当，可以将绝大多数干扰拒之门外。硬件抗干扰技术主要有以下几种：(1)电气隔离。在输入输出通道上通过电磁隔离器件传输信息可将单片机系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来，阻挡很大一部分干扰。(2)硬件滤波。RC低通滤波器可以大大减弱各类高频干扰信号(如各类“毛刺”干扰)。(3)良好的接地。有两种接地：一种是为人身或设备安全目的，把设备的外壳接地，这种接地叫外壳接地或安全接地；另一种是为电路工作提供一个公共的电位参考点，这种接地称为工作接地。两种接地系统都要设计合理，同时，系统的数字地与模拟地要分开。(4)屏蔽。高频电源、交流电源、强电设备、电弧产生的电火花，甚至雷电，