畢業論文30a60v電動汽車充電器控制電路的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 壓值仿真 .................................................................................................................28 恒流數值仿真 ..............................................................................................................29 恒壓數值仿真 ................................................................................................................30 部分充電過程試仿真 .........................................................................................................32結論 ..................................................................................................................................................33致謝 ..................................................................................................................................................34參考文獻 ..........................................................................................................................................35附錄 ..................................................................................................................................................37隨著近年來一系列積極政策的出臺，我國的汽車行業發展迅速，汽車產銷實現了“井噴”式增長，并在2022年一躍首次成為世界第一大消費國。然而我國的石油正面臨著資源短缺、開采過度、能源利用率低的困境，石油進口量也以每年兩位數的百分比增長。由對不可再生資源日益增長的需求和不斷減少的能源供給引發的愈發尖銳的矛盾亟需尋找到解決的方式。另一方面，能源的過度消耗直接刺激了二氧化碳氣體排放量的快速增長，而在目前我國的二氧化碳排放中，約有25%來自于汽車。預計到2030年，二氧化碳的排量將由2022年的281億噸增至423億噸。汽車尾氣的污染已經成為城市大氣污染的重要因素，減排二氧化碳的壓力將越來越大。因此，大力發展新能源汽車，用電代油，是保證能源和環境安全的必要措施。當前的純電動汽車技術還存在不少問題，然而對于主導市場份額的消費者來說，面對檔次相仿的電動汽車，在缺乏相應專業知識的情況下，蓄電池的使用壽命便成為其最為關注的問題之一。同時，相較于傳統汽車，電動汽車除了在環境保護方面占據優勢之外，與不斷上漲的油價相比，低廉的電費也正是吸引眾多潛在消費者的最大賣點之一。這就要求電動汽車的充電電池更要能真正的做到高質量，高循環充電率。不同的蓄電池擁有不同的充電接收特性曲線，在理想情況下，如果能完全跟隨此曲線的走勢進行充電，則將在最大程度上的延長充電電池的使用壽命，從而降低因為頻繁更換電池增加購買成本的可能性。但在實際生活中，由于技術手段的限制，達到這樣的充電效果是不可能的；另一方面，單純的恒流或者恒壓充電的方法雖然易于實現且占據大部分的市場份額，但是這兩種方式都在一定程度上對充電電池的性能有傷害或者無法在短時間內完成充電，加上不正確的充電習慣的影響，電池的壽命將在一次次的充電后急速縮短。本文所介紹的充電電池控制電路能通過和單片機程序的配合，在充電時自動檢測電流及電壓值，并在其變化到給定值時智能完成多階段恒流充電和恒壓充電模式的轉換，并在各階段中維持電流、電壓的穩定性。在現有的技術條件和控制成本的前提下，使充電狀態盡可能接近且不超過蓄電池的接收特性曲線，從而延長充電電池的使用壽命。對于在充電特性方面要求高的電動汽車行業來說，增加這樣一個控制電路的必要性也就不言而喻了。性能良好耐用的電池不僅可以作為商家吸引消費者的主打牌，也可以免去因電池售后維修和更換所帶來的企業支出。本文首先對幾種常見充電方式進行介紹分析，并在其基礎上進行優化改進，引出五段式充電模式的概念。再根據控制電路所要達到的控制效果將其用模塊流程圖表現出來，通過各模塊的實現功能來討論具體電路的選擇。電路基本框架敲定后進行針對元器件參數選擇的分析論證，將電路細化并完成整體設計。最后通過仿真軟件對方案的完成效果進行驗證。1 蓄電池的充電方式 蓄電池充電特性曲線自 1859 年鉛酸的充放電特性被普蘭特發現后，鉛酸蓄電池經歷了長久的發展過程，其制造技術手段已經相當成熟，時至今日，鉛酸蓄電池依舊是電池領域應用最廣泛的產品。在對鉛酸蓄電池進行充電時，可由電流隨時間的變化繪制出蓄電池的充電特性曲線。同時，蓄電池具有一條由本身特性決定的顯示充電時可用最大安全電流的接收特性曲線（如上圖所示） ；即充電電流一旦超過某一時刻的最大接收值，就會對蓄電池性能造成一定的損傷，長期積累會導致電池使用壽命的縮短。 圖 鉛酸蓄電池接收能力曲線當充電特性曲線能夠完全與蓄電池接收曲線重合時，就可以實現理想狀態下在不損壞蓄電池性能的情況下以最大允許電流或電壓在最短時間內完成充電的設想。但是現階段的充電方式往往都只能單純的滿足減少充電時間或保護電池性能的要求，因此，研究處于兩者平衡點的充電方式是必然的發展趨勢。 幾種常見充電方式 恒壓充電顧名思義，恒壓充電即是在充電過程中將蓄電池兩極間電壓維持在恒定值的充電方式。在恒壓充電過程中，充電電流是逐漸減小的，即達到了自動調節充電電流的效果，與蓄電池接收能力曲線走勢相同。如果設定的電壓恒定值適宜，就既能保證蓄電池的完全充電，又能盡量減少析氣和失水。雖然兩曲線基本走勢相同，但在隨著恒壓充電的進行，充電電流的下降速度趨于平緩，無法下降到接收曲線的要求值，這時再進行充電就會對蓄電池性能造成一定的影響。兩曲線對比如上圖所示。 總體來說，恒壓充電有以下優點和缺點：充電特性曲線更接近于蓄電池接收特性曲線。充電電路易于實現。　　恒壓充電電解水很少，避免了由于硫酸鉛濃度上升而造成的電池老化。但是使用這種方法會造成充電初期電流過大，容易使蓄電池極板彎曲，導致電池報廢，且無法在短時間內完成。 　　圖 恒壓充電特性曲線與接收特性曲線綜合考慮以上優缺點，恒壓充電現階段已經很少使用，只有在要求低充電電壓、大電流時才采用。 恒流充電與恒壓方式相對應，在充電過程中，充電電流維持在恒定值，也是一種目前被廣泛采用的充電方法，充電電路多用開關電源控制實現。充電時可以根據蓄電池的容量和接收特性曲線來確定合適的充電電流值，利用小電流、長時間的充電方式在不傷害蓄電池性能的情況下完成充電。 恒流充電特性曲線與接收特性曲線為了盡量減少充電時間，充電電流值的選擇不能過小，但是這樣就會造成在電池即將充滿的后期階段充電特性曲線超過蓄電池接收曲線的情況。所以現階段在恒流充電的基礎上，將后期恒流充電階段置換為小電流連續充電，充電特性曲線如上圖所示。 涓流充電大部分電池充滿電后，電量會由于自放電現象不停流失，涓流充電可通過對保持在近似完全充電狀態的蓄電池進行連續小電流充電以補償流失電量。現在大多數接入直流電源系統的蓄電池，在完全充電后都會進入涓流充電狀態，以備放電時使用。涓流充電常在以恒流、恒壓為主的充電過程中起輔助作用。對于串聯蓄電池組來說，涓流充電能夠很好的均衡各個電池的端電壓和比重，并起到蓄電池維護和化學特性激活的作用。因此又稱維護（浮充）充電。 三段式充電三種基本的充電方式各有利弊，如果能將它們綜合利用使其能夠彌補自身的缺點，那么找到縮短充電時間和保護電池性能之間的最佳平衡點也就不再困難。三段式充電就是很好的一個例子。利用三種基本充電方式的特點對其進行簡單的綜合，就可實現三段式充電。恒流充電階段：在初始恒流充電階段要選擇合適的充電電流值，過大會導致電池極板的損壞，而過小則會延長充電時間。電池放電越深，恒流充電的時間越長，反之則較短。恒壓充電階段：恒流充電后，保持此時的充電電壓進行恒壓充電，充電電流下降。一般來說，充電電流下降到10mA/Ah以下時即認為電池已基本充滿，即可轉入浮充電狀態。 涓流充電階段：恒壓充電結束后轉入浮充充電階段，大約需要24小時左右來使蓄電池容量恢復到100%。在這一階段，由于電池已處于近似完全充電的狀態，所以即使持續時間再長，其容量也不會再明顯增長。 五段式充電 由上文對三段式充電的介紹可知，交替切換恒流恒壓充電模式可以使充電特性曲線呈階梯狀逐漸下降，符合蓄電池接收曲線的走勢。由此考慮，如果在此基礎上引入更多的恒流、恒壓階段切換，那么所產生的充電特性曲線將更加逼近電池的接收特性曲線。但是由此一來，就需要更多的控制環節來完成調控使系統復雜化。綜合考慮，決定在三段式充電的基礎上分別增加一個恒流階段和恒壓階段，構成五段式充電模式，其充電特性曲線如下圖所示：圖 五段式充電特性曲線①曲線為充電電池接收特性曲線②曲線為充電過程中電流變化曲線，即充電特性曲線③曲線為充電過程中電壓變化曲線充電過程分為以下五個階段：30A 恒流充電直至電壓升至 ，切換為恒壓充電模式。 恒壓充電直至電流下降為 15A，切換為恒流充電模式。15A 恒流充電直至電壓升至 ，切換為恒壓充電模式。 恒壓充電直至充電電流下降為 3A，停止充電(停機)。電壓下降至 ，重新啟動，進入電流小于 3A 的浮充充電過程。下面就根據充電特性曲線對電路進行分析和設計。2 前端電路開關電源介紹 選用開關電源的原因要實現恒流、恒壓的分段充電，并且保證每階段充電時電流、電壓值的精確與穩定度，前端電路即采用開關電源來維持恒定的電流、電壓值。開關電源是利用現代電子電力技術，通過控制開關管開通和關斷的時間比率，調整輸出波形的占空比，并能在各個調整階段維持穩定輸出電壓的一種電源。開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM: Pulse Width Modulation）來進行控制。現在常用的開關電源有兩種：一種是直流開關電源，另一種是交流開關電源；本文中所介紹的前端電路使用的是直流開關電源。其功能是將電能質量較差的原生態電源所提供的不能穩定在固定值的電壓，轉換成滿足設備要求的高穩定度、高精度直流電壓。由此看來，直流開關電源能夠很好地完成精確調節和穩定電流、電壓的任務。下面就對其工作原理進行簡單的介紹。 開關電源工作原理構成電路的前端電路根據功能可劃分為三個階段：前期整流濾波階段（針對電網電壓進行） ，IGBT 階段，后期整流濾波階段（針對 IGBT 部分輸出電壓進行） 。 前期整流濾波部分前期整流濾波電路圖請參見附錄圖 2。輸入端接入 220V 50Hz 的電網電壓，首先通過橋式整流利用二極管的單向導電性將正負變化的交流電壓變為單向的脈動電壓，即脈動直流電；再通過濾波電路利用電容將脈動電壓的交流諧波部分濾除，最終輸出相對穩定的直流電壓。在整流方式和濾波電容的選擇方面，主要考慮兩個因素：①用于構成整流電路的二極管所承受的反向電壓，②電路處于高頻工作環境還是低頻工作環境。 IGBT 部分IGBT 部分電路圖請參見附錄圖 3。在這部分電路中起主要作用的是四支 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，即絕緣柵雙極型晶體管，同時也是在芯片 SG3525 的控制下完成 PWM 脈沖寬度調制以改變輸出電壓值的核心元器件。其工作原理如下：位于對角線上的晶體管各為一組。當兩組晶體管依次導通時，會在變壓器上依次產生左正右負、左負右正的電壓，由此將前端電路輸出的直流電轉變成變壓器所需的交流電。理論上來說，兩組晶體管在不同時導通的情況下，可在一個交流電周期內導通和關斷各 50%的時間。但在實際應用中，兩組晶體管的依次導通的間隙必須留有同時關斷的時間，即死區控制，否則會造成短路。另外，并聯在每個晶體管旁的吸收電容和吸收電阻可以防止交流方波出現“毛刺現象” 。串聯在變壓器旁的電容主要起到“隔直流通交流”的作用。 后期整流濾波部分后期整流濾波部分電路圖請參見附錄圖 4。這部分電路采用了全波整流，因為經過變壓作用，交流方波電壓最大值降至約 112V，即使每個二極管均承擔二倍的電壓最大值即 也很容V241??易實現。經過與第一階段相類似的整流和濾波過程，最終得到可供電動汽車充電器使用的穩壓電源。通過對穩壓電源電壓值進行取樣，經由控制電路的調節，配合單片機程序控制，即可完成分段恒流恒壓的充電過程。下面將重點介紹電動汽車充電器的核心電路——控制電路部分。3 控制電路的設計 設計思路與理念前文已經介紹過，此控制電路要能夠通過與前端電路開關電源和單片機的配