【正文】 流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)主電路的恒流恒壓輸出。 認(rèn)真進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真實(shí)驗(yàn)工作 研究撰寫畢業(yè)論文，繪制相關(guān)工程圖紙基本要求 每周定期匯報(bào)工作進(jìn)展 定期進(jìn)行學(xué)術(shù)探討和交流 認(rèn)真查閱資料和參考書籍 按照畢業(yè)論文規(guī)范認(rèn)真撰寫畢業(yè)論文 按照校院要求繪制各種圖表參考資料IEEE期刊、中文學(xué)術(shù)期刊電力電子技術(shù)鋰電池原理電力電子充電器周 次1—2周3—7周8—10周11—15周16—17周應(yīng)完成的內(nèi)容查閱資料了解行情針對(duì)設(shè)計(jì)確定方案分析原理明確特征仿真試驗(yàn)系統(tǒng)總結(jié)形成論文準(zhǔn)備答辯指導(dǎo)教師：閆朝陽(yáng)職稱：副教授 2014年12月25日系級(jí)教學(xué)單位審批： 年 月 日 摘要面對(duì)電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，汽車作為一種交通生產(chǎn)工具已經(jīng)成為了現(xiàn)代生活不可缺少的一部分，現(xiàn)在汽車面臨著環(huán)境污染和石油資源減少的嚴(yán)重問(wèn)題，研究發(fā)展新能源汽車具有重要的科技進(jìn)步意義。題目類型（ 254。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電動(dòng)汽車用鋰電池充電器馬秋建燕 山 大 學(xué)2015年6月41 / 60本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電動(dòng)汽車用鋰電池充電器學(xué) 院： 里仁學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生 姓名： 馬秋建 學(xué) 號(hào)： 111203032147 指導(dǎo) 教師： 閆朝陽(yáng) 答辯 日期： 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書學(xué)院：里仁學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位： 電氣工程系 學(xué)號(hào)111203031247學(xué)生姓名馬秋建專 業(yè)班 級(jí)應(yīng)電5班11級(jí)題目題目名稱電動(dòng)汽車用鋰電池充電器題目性質(zhì)：工程設(shè)計(jì) （ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（ ）；理論研究型（ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ 254。 ） （ ）題目來(lái)源科研課題（ ） 生產(chǎn)實(shí)際（ ）自選題目（ 254。面對(duì)電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，對(duì)于大功率動(dòng)力電池智能充電的研究顯得愈加重要。設(shè)計(jì)了保護(hù)電路以防止輸入過(guò)欠壓以及輸出過(guò)流過(guò)壓現(xiàn)象的發(fā)生，提高了充電器的智能化。 lithium battery。氫燃料電池車本身也是純電動(dòng)汽車的一種，而且，氫燃料電動(dòng)車還存在著安全隱患。這或許從一個(gè)側(cè)面證明了純電動(dòng)汽車商業(yè)化的難度。 發(fā)展趨勢(shì)2009年國(guó)內(nèi)共計(jì)約生產(chǎn)銷售30多萬(wàn)組電動(dòng)車用鋰離子電池，其中70%以上出口到歐美地區(qū)，國(guó)內(nèi)大約占到15%左右。
目前市場(chǎng)上主要有錳鋰電池和鐵鋰電池兩種，兩種電池的充電器充電模式是一樣的，但充電電壓卻不同。由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高，所以鋰電池長(zhǎng)期沒(méi)有得到應(yīng)用。習(xí)慣上人們把鋰離子電池也稱為鋰電池，現(xiàn)在鋰離子電池已經(jīng)成為了主流。鋰電池廣泛應(yīng)用于水力、火力、風(fēng)力和太陽(yáng)能電站等儲(chǔ)能電源系統(tǒng)，郵電通訊的不間斷電源，以及電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)汽車、軍事裝備、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖11所示：圖11鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。如果不滿足其充電及使用要求，很容易出現(xiàn)爆炸，壽命下降的現(xiàn)象。這時(shí)有必要以小電流對(duì)電池進(jìn)行浮充；當(dāng)電池電壓達(dá)到3V時(shí)，電池可以承受大電流的充電了。當(dāng)充電電流小于30mA時(shí)，電池即充滿了。 蓄電池充電標(biāo)準(zhǔn)目前電動(dòng)汽車主要采取兩種充電方式，接觸式充電和感應(yīng)式充電，對(duì)于這兩種充電方式美國(guó)工業(yè)協(xié)會(huì)制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，分別為SAEJ1772和SAEJ1773來(lái)規(guī)范充電系統(tǒng)制造商。圖中輸入電網(wǎng)交流電經(jīng)過(guò)整流后，通過(guò)高頻逆變，通過(guò)感應(yīng)耦合器傳輸能量，傳到電動(dòng)汽車輸入端，在經(jīng)過(guò)整流環(huán)節(jié)給電動(dòng)汽車用電池充電[3]。其具體參數(shù)如下：充電對(duì)象：100塊鋰電池串聯(lián)，額定容量100AH，輸入：AC380V輸出：DC380V電壓紋波：恒流值：30A電流紋波：電路拓?fù)洌喝珮蜃儞Q電源功率：論文主要工作：1） 主電路設(shè)計(jì)以及參數(shù)計(jì)算。圖21與圖22瑣事的推挽式與半橋式變換器所用開關(guān)管的數(shù)量為全橋變換器的一半，而在實(shí)際中由于在功率開關(guān)管電壓和電流額定相同時(shí)，變換器的輸出功率通常與所用開關(guān)管的數(shù)量成正比，故全橋變換器的輸出功率大，所以在中大功率場(chǎng)合下，眾多DC/DC變換器拓?fù)渲?，?yīng)首選全橋變換器。在本設(shè)計(jì)中三相電經(jīng)整流橋所產(chǎn)生的電壓輸入至全橋變換器，全橋變換器通過(guò)直交直變換完成對(duì)輸入電壓的變換。 輸入整流濾波電路計(jì)算圖24主電路輸入濾波電容Cin的選擇是比較關(guān)鍵的，（1）Cin如果太小，直流電壓Vin的脈動(dòng)就會(huì)比較大，為了得到所要求的輸出電壓，需要過(guò)大的占空比調(diào)節(jié)范圍和過(guò)高的控制閉環(huán)增益。選用以下經(jīng)驗(yàn)算法來(lái)計(jì)算Cin的容量，已知輸入交流電壓的變換范圍為。同時(shí)為了在輸入電壓范圍內(nèi)能夠輸出所要求的電壓，變壓器的變比應(yīng)按輸入電壓最低是來(lái)選擇。為波形系數(shù)，為開關(guān)工作頻率，這里=20KHz為工作磁通密度，對(duì)于鐵基非晶合金，取=，取為323，X=[7]。低的鐵芯損耗可以減低溫度，溫升反過(guò)來(lái)又影響使用頻率和工作密度的選取。 輸出高頻電感的設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)中，一般選擇輸出濾波電感電流的脈動(dòng)為最大輸出電流的10%30%之間，取脈動(dòng)為最大輸出電流的10%，此電源最大輸出電流為30A，所以。 輸出濾波電容的設(shè)計(jì)為了保持輸出電壓恒定需要在輸出加入濾波電容，設(shè)計(jì)輸出電容主要是限制輸出電壓紋波在一定范圍之內(nèi)。磁通不平衡是由于變壓器初級(jí)的伏秒數(shù)在兩個(gè)1/2周期內(nèi)不平衡造成的，當(dāng)磁芯的磁通逐步遠(yuǎn)離磁化曲線原點(diǎn)時(shí)，變壓器會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)，使之無(wú)法承受電壓，造成開關(guān)管損壞。 本章小結(jié)本章的主要工作是主電路拓?fù)涞倪x擇和主電路詳細(xì)參數(shù)的計(jì)算。主電路設(shè)計(jì)基本結(jié)束，接下來(lái)下一章主要介紹控制電路的設(shè)計(jì)工作?？刂齐娐吠ㄟ^(guò)電壓電流檢測(cè)電路，將采樣電壓電流輸入到雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器。在經(jīng)典控制理論中，PI控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，它不僅歷史悠久，而且也是生命力最強(qiáng)的控制方式之一。 模擬PI在模擬系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，其原理如圖32圖32 PI調(diào)節(jié)器原理圖帶入，得 (31) (32) (33)令，,得 (34)該調(diào)節(jié)器中比例調(diào)節(jié)器的作用是對(duì)偏差做出瞬間快速反應(yīng)。在調(diào)解過(guò)程中，只要偏差存在，積分器的輸出就會(huì)不斷增大，直至偏差為零，輸出才可能維持某一常量，使系統(tǒng)在設(shè)定值不變的條件下趨于穩(wěn)定。增加將減慢消除靜差過(guò)程，但可減少超調(diào)，提高穩(wěn)定性[11]。為了避免產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)而影響壽命，結(jié)合需要的充電速度，所以應(yīng)對(duì)充電電流有一定的限制： (35)式中C為鋰電池組的容量為100AH，=30A。圖33充電曲線 閉環(huán)控制圖34雙閉環(huán)PI控制方式框圖控制框圖如圖34所示，在在起始充電階段電壓達(dá)不到設(shè)定的恒壓值[10]電壓環(huán)輸出飽和。此后過(guò)程中充電電流不斷減小，當(dāng)控制器檢測(cè)到的充電電流小于設(shè)定的停機(jī)電流就會(huì)發(fā)出關(guān)斷信號(hào)以停機(jī)。電壓外環(huán)的比放大系數(shù)為，積分時(shí)間常數(shù)為，根據(jù)調(diào)節(jié)器的電阻、和電容計(jì)算公式如下： (37) (38)在本設(shè)計(jì)中由于要實(shí)現(xiàn)先恒流再恒壓的充電模式，在充電初始階段電池組虧電的比較嚴(yán)重其電壓較低，電池電壓經(jīng)采集電路進(jìn)入電壓環(huán)，在設(shè)計(jì)時(shí)有意將電壓環(huán)的時(shí)間常數(shù)設(shè)計(jì)的較小，以使得當(dāng)檢測(cè)到的電池電壓小于設(shè)定的閥值電壓時(shí)電壓環(huán)保和，輸出限幅值，使得此時(shí)僅電流環(huán)起作用，此時(shí)調(diào)節(jié)圖中電位器RP4即可調(diào)節(jié)輸出電流大小。電壓環(huán)參數(shù)選?。弘娏鳝h(huán)參數(shù)選?。?PWM波發(fā)生電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的PWM電路是將雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器給出的控制量變換成對(duì)應(yīng)的頻率一定、脈沖寬度控制量變化的PWM信號(hào)，供給M579262以驅(qū)動(dòng)IGBT。圖36SG3525外圍電路圖在本設(shè)計(jì)中變換器的工作頻率設(shè)定為20KHz，周期為50us，設(shè)定上下橋臂PWM信號(hào)之間死區(qū)為5us，則輸出PWM信號(hào)的最大導(dǎo)通時(shí)間為20us，SG3525輸出的PWM信號(hào)頻率由外接電阻、電容決定，且滿足： (311)其中,為輸出的PWM信號(hào)最大導(dǎo)通時(shí)間此處設(shè)為20us，為兩路PWM信號(hào)之間的死區(qū)時(shí)間此處為5us。(2)在最初開通階段，提供足夠的柵極驅(qū)動(dòng)電流來(lái)減少開通損耗和保證IGBT的開通速度。5)在短路故障發(fā)生時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路會(huì)通過(guò)合理的柵極電壓動(dòng)作進(jìn)行IGBT保護(hù)，并發(fā)出故障信號(hào)到控制系統(tǒng)。當(dāng)M57962內(nèi)開關(guān)管T1導(dǎo)通、T2關(guān)斷時(shí)，C1通過(guò)TR2給IGBT的G、E間加+15V電壓。此外M57962的1腳為檢測(cè)端，通過(guò)檢測(cè)1腳上的電壓來(lái)判斷IGBT是否過(guò)流，當(dāng)IGBT發(fā)生過(guò)流時(shí)1腳電壓大于內(nèi)部設(shè)定值，M57962發(fā)出關(guān)斷信號(hào)使IGBT停止工作，同時(shí)8腳輸出低電平將故障信號(hào)送至控制電路[13]。為了在主電路與控制電路之間有效隔離，電壓檢測(cè)電路由光耦元件構(gòu)成，電流檢測(cè)電路主要由霍爾傳感器構(gòu)成。在此以輸出充電電壓最高來(lái)計(jì)算采樣電阻，電壓傳感器的額定輸入電流，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，選擇采樣電阻為以使傳感器工作在接近額定狀態(tài)下，則輸入電流和電阻上消耗的功率為： (312) (313)因此在這里使用了4只39K/2W的繞線電阻2并2串。被測(cè)電壓與采樣電路輸出的電壓信號(hào)之間的關(guān)系為380V: 。然后將這個(gè)電流信號(hào)送回控制電路，按圖39電路處理。在SG3525的10腳施加一持續(xù)的高電平即可關(guān)斷輸出的PWM波，設(shè)計(jì)中利用該引腳功能以實(shí)現(xiàn)保護(hù)。圖311所示為過(guò)壓保護(hù)電路，原理與欠壓保護(hù)電路相同，當(dāng)發(fā)生輸入過(guò)壓時(shí)將輸出一高電平信號(hào)以封鎖PWM信號(hào)。由于過(guò)流故障危險(xiǎn)