【正文】 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)重問題，研究發(fā)展新能源汽車具有重要的科技進(jìn)步意義。在對(duì)電動(dòng)汽車充電器的現(xiàn)狀以及鋰電池特性進(jìn)行研究后，本文采用了恒流、恒壓智能充電方法和全橋變換的主電路拓?fù)??？刂撇糠种饕捎秒妷和猸h(huán)電流內(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。在完成設(shè)計(jì)工作之后進(jìn)行了系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。 charger。 PI。為什么我們國(guó)家會(huì)選擇造價(jià)高、充電設(shè)施還不完善的純電動(dòng)汽車作為新能源汽車的發(fā)展方向呢？曾經(jīng)在新能源汽車方向選擇上，有三個(gè)選擇方面，混合動(dòng)力車、純電動(dòng)汽車、氫燃料電池車?；谶@些原因，氫燃料電動(dòng)車沒有成為新能源汽車的選擇方向。在2009年年底舉行的第八屆中國(guó)企業(yè)家領(lǐng)袖年會(huì)上，吉利控股集團(tuán)有限公司董事長(zhǎng)李書福仍然認(rèn)為電動(dòng)汽車的商業(yè)化“要到2030年才有可能實(shí)現(xiàn)”。工業(yè)和信息化部副部長(zhǎng)苗圩在1月9日一汽車論壇上也稱，發(fā)展新能源汽車最大的問題就是電池問題?！彼噪妱?dòng)汽車的安全快速充電有重要意義。因配套出口的鋰離子電池充電器在安規(guī)、EMC等方面要求比較高，能真正滿足要求的生產(chǎn)廠家也就3家。
由于現(xiàn)在好多生產(chǎn)鋰電池充電器的廠家對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)不夠了解，特別是對(duì)一些容易造成安全隱患的指標(biāo)沒能采取有效的控制，所以現(xiàn)在部分充電器還存在比較大的安全隱患。像額定電壓為36V的錳鋰電池的充電電壓為42V，,兩種電池的充電器又沒有進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)范,這樣就有可能造成混用,從而會(huì)出現(xiàn)過充或充電不足的現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)安全隱患。最早出現(xiàn)的鋰電池來自于偉大的發(fā)明家愛迪生，使用以下反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2該反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)，放電?，F(xiàn)在鋰電池已經(jīng)成為了主流。1998年，天津電源研究所開始商業(yè)化生產(chǎn)鋰離子電池。鋰離子電池主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：(1)比能量高。鋰電池的缺點(diǎn)：(1)鋰原電池均存在安全性差，有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)；(2)鈷酸鋰的鋰離子電池不能大電流放電，安全性較差；(3)鋰離子電池均需保護(hù)線路，防止電池被過充過放電；(5)生產(chǎn)要求條件高，成本高。隨著能源的緊缺和世界的環(huán)保方面的壓力，鋰電現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車行業(yè)，特別是磷酸鐵鋰材料電池的出現(xiàn)，更推動(dòng)了鋰電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用。人們將這種靠鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來完成電池充放電工作的獨(dú)特機(jī)理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電池”，俗稱“鋰電”。電池充滿時(shí)的電壓（稱為終止充電電壓）；。鋰電池充電原理圖：圖12鋰電池充電原理圖其中：Iconst：恒流充電電流；Ipre：預(yù)充電電流；Ifull：充滿判斷電流；Vconst：恒壓充電電壓；Vmin：預(yù)充結(jié)束電壓及短路判斷電壓鋰離子電池比較驕貴。因?yàn)殇囯x子電池對(duì)溫度、過壓過流及過放電很敏感，所以所有的電池內(nèi)部均集成了熱敏電阻（監(jiān)控充電溫度）及防過壓過流過放電保護(hù)電路。預(yù)充電階段是在電池電壓低于3V時(shí)，電池不能承受大電流的充電。這時(shí)應(yīng)以恒定的大電流充電。這時(shí)充電電流逐漸降低。這時(shí)要停止充電。恒壓充電階段要求電壓控制精度為1%，~[2]。圖13感應(yīng)充電系統(tǒng)接觸式充電及傳統(tǒng)的插頭式充電方式，這種方式明顯的缺點(diǎn)是導(dǎo)體裸露在外面，存在安全問題。圖13給出了電動(dòng)汽車感應(yīng)耦合充電系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。感應(yīng)耦合充電方式的優(yōu)點(diǎn)在于在輸入輸出之間加入了隔離，提高了系統(tǒng)的安全性并可提高系統(tǒng)的效率且可設(shè)計(jì)成全自動(dòng)無人看守的智能充電系統(tǒng)。主電路采用了適用于傳輸大功率的全橋變換器，對(duì)應(yīng)于主電路設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)的控制電路以實(shí)現(xiàn)恒流恒壓充電方式。2） 充電器控制電路包括檢測(cè)電路、電壓電流雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器、PWM波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)。第2章 充電器主電路設(shè)計(jì) 主電路拓?fù)溥x擇對(duì)于本設(shè)計(jì)中的充電器，由于其輸出功率較大且輸出電壓較高為380V，考慮用電安全，應(yīng)選用帶隔離的功率變換器，在實(shí)際中用于大功率場(chǎng)合的拓?fù)渲饕幸韵聨追N：圖21推挽式開關(guān)電源回路圖22半橋式開關(guān)電源回路圖23全橋式開關(guān)電源回路如上圖所示，實(shí)際中常用的帶隔離的變換器主要有以上三種。全橋變換器由四個(gè)功率開關(guān)管構(gòu)成，主變壓器只需要一個(gè)原邊繞組，通過正、反向電壓得到正反向磁通，變壓器貼心和繞組得到最佳利用，使用效率和功率密度得到提高。因此在本次設(shè)計(jì)中選用全橋變換器為功率變換器的主電路。高頻變壓器實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變橋的交流輸出的變壓隔離，隨后全波整流電路將變壓器二次側(cè)的交流電蒸餾為直流電再經(jīng)LC濾波后產(chǎn)生充電電源。 主電路參數(shù)計(jì)算在本設(shè)計(jì)中，全橋變換器工作于電流連續(xù)狀態(tài)，綜合考慮開關(guān)損耗及電感體積，開關(guān)管工作頻率設(shè)定為20KHz，及周期為50us死區(qū)設(shè)定為5us。同時(shí)，直流電壓Vin的最小值Vinmin也會(huì)比較小，要求高頻變壓器的原副邊匝比變小，導(dǎo)致開關(guān)管的電流增大，輸出整流二極管的反向電壓增大。同時(shí)電容過大成本也會(huì)增加[5]。頻率為50Hz，步驟如下：(1)即，（2）即（3）整流濾波后直流電壓的最大脈動(dòng)值： (22)（4）整流濾波后直流電壓：即 (23) (5)為了保證直流電壓最小值符合要求每個(gè)周期中Cin所提供的能量Win約為：，為輸入功率（）（6）沒半個(gè)周期輸入濾波電容所提供的能量為[6]： (24)因此輸入濾波電容容量為： (25) 高頻變壓器設(shè)計(jì)全橋變換器的電壓增益為： (26)上式是不考慮開關(guān)管壓降，副邊整流二極管壓降，輸出電感壓降等，得出的公式。另外，為了提高高頻變壓器的利用率，減小開關(guān)管的電流，降低輸出整流二極管的反向電壓，從而減小損耗和降低成本，高頻變壓器原副邊變比應(yīng)盡可能取的大一些。則可計(jì)算變壓器副邊最低電壓： (27)：按功率等級(jí)鐵芯材料選非晶納米合金，型號(hào)由面積乘積法選取 (28)式中AP為鐵心面積乘積，即磁芯窗口面積與磁芯有效截面積的乘積。在這里，（）為窗口面積使用系數(shù)。變壓器匝數(shù)由下式確定： (29)取25匝。由以上公式可以看出：假設(shè)輸入電壓和一定，提高工作磁密和開關(guān)頻率，可以使體積重量顯著減小，但值的增加受到材料限制。一般來說，開關(guān)電源對(duì)材料的主要要求是：盡量低的高頻損耗、足夠高的飽和磁密、高的磁導(dǎo)率、足夠高的居里溫度和好的溫度穩(wěn)定性。原邊電流的平均值,原邊電流的峰值最高可能達(dá)到64A，考慮到裕量，選取耐壓值為1200V，最大工作電流為100A[8]。輸出濾波電感可按下式計(jì)算： (211)其中，為電感兩端電壓的最大值，為開關(guān)管在半個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間，為最大輸出電流脈動(dòng)。工程上一般取計(jì)算值得2倍，實(shí)際使用中的為1200的高頻電感，技術(shù)指標(biāo)為電感量L=1200，頻率為，額定電流。輸出濾波電容的計(jì)算表達(dá)式為： (214)其中，為輸出電感的工作頻率，即為原邊開關(guān)管開關(guān)頻率的二倍。 隔直電容的選取對(duì)于全橋電路來講，在變壓器原邊串聯(lián)隔直電容是為了解決磁通不平衡造成的危害。加入隔直電容后可以防止變壓器直流偏磁，使其工作在磁滯回線原點(diǎn)附近。 輸出整流二極管本設(shè)計(jì)中輸出電流連續(xù)，輸出波形為三角波，其平均值為 ，有效值為,二極管承受的反向最大耐壓為591V考慮二極管反向恢復(fù)特性應(yīng)選用耐壓為1200V等級(jí)。通過比較幾種不同的拓?fù)溥x出了適合本設(shè)計(jì)的全橋變換器。然后根據(jù)題目要求結(jié)合實(shí)際應(yīng)用計(jì)算得出主電路各個(gè)器件的參數(shù)。第3章 控制電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中控制系統(tǒng)主要包括調(diào)節(jié)器電路、保護(hù)電路脈沖發(fā)生電路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路。圖31系統(tǒng)框圖三相交流電經(jīng)過輸入整流濾波得到直流電，再經(jīng)過高頻變換器得到高頻交流電，經(jīng)過高頻變壓器變壓，在經(jīng)過輸出整流濾波得到鋰電池需要的直流電。PWM發(fā)生電路將雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器給出的控制量（模擬量）變換成一定頻率的PWM波，供給M57962以驅(qū)動(dòng)IGBT。 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)從四十年代自動(dòng)控制的誕生到現(xiàn)在，控制理論已經(jīng)由近點(diǎn)控制理論發(fā)展到現(xiàn)代控制理論、智能控制理論等幾個(gè)大的發(fā)展階段。近些年來，盡管控制理論取得了突破性進(jìn)展，誕生了許多新的概念和設(shè)計(jì)方法。PI調(diào)節(jié)器之所以能夠廣泛、持久的得到應(yīng)用是因?yàn)椋海?） PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，不需要太多的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，十分適用于工程應(yīng)用；（2） PI調(diào)節(jié)器能夠滿足基本的性能要求，并且PI控制方案并不要求精確的數(shù)學(xué)模型，魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象的變化不敏感；（3） PI調(diào)節(jié)器是廣大工程技術(shù)人員所熟悉的，便于使用和調(diào)整；（4） PI調(diào)節(jié)器的少許改進(jìn)往往會(huì)獲得明顯的效果。偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用使控制量向偏差見效的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)。積分調(diào)節(jié)器的作用是把偏差累計(jì)的結(jié)果，做為他的輸出。因此他能消除系統(tǒng)輸出的靜差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)。必須根據(jù)控制的具體要求來選定。本設(shè)計(jì)中的負(fù)載為電池，充電過程中電池可等效為一個(gè)RC串聯(lián)模型，對(duì)于本設(shè)計(jì)中的控制對(duì)象即電池的充電電壓和充電電流主要以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，對(duì)快速性能要求不高，對(duì)該類負(fù)載可采用PI調(diào)節(jié)器即以達(dá)到較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。第一階段首先對(duì)鋰電池以恒流充電方式充電。充電電流I，充電電壓U，電池的電動(dòng)勢(shì)E，整個(gè)充電回路的電阻R之間具有以下關(guān)系： (36)而且回路電阻R一般保持不變，電池反電動(dòng)勢(shì)E變化極慢，因而對(duì)于瞬時(shí)值，改變充電電壓U也就改變了充電電流I，若保持電流恒定，隨著充電的繼續(xù)，反電動(dòng)勢(shì)不斷升高，充電電壓也需不斷升高。隨著充電進(jìn)行充電電流降低至停止電流時(shí)，電池已基本充滿，這是充電電源制動(dòng)停機(jī)完成整個(gè)充電過程。該階段僅電流環(huán)工作。隨著充電的進(jìn)行，當(dāng)充電電壓達(dá)到設(shè)定的恒壓值時(shí)，電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)，此時(shí)雙閉環(huán)起作用，電壓外環(huán)的輸出即為電流內(nèi)環(huán)的輸入，電流將跟隨電壓給定，這樣就完成了從恒流充電到恒壓充電的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，并最終實(shí)現(xiàn)恒壓充電。本設(shè)計(jì)中的雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器在實(shí)現(xiàn)輸出電壓、電流恒定的同時(shí)還應(yīng)保證系統(tǒng)能夠工作穩(wěn)定并有良好的靜態(tài)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。外環(huán)為電壓環(huán)，其中V1是由電壓采集電路得到的與電池電壓成比例的電壓量。電流內(nèi)環(huán)的電流反饋量經(jīng)過比例環(huán)節(jié)送入電流PI調(diào)節(jié)器。隨著充電過程的進(jìn)行，當(dāng)電池的電壓達(dá)到所設(shè)定