[工学]毕业论文 30A60V电动汽车充电器控制电路的设计

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1、毕业设计（论文）任务书附表一 题目来源：横向课题名称30A/60V电动汽车充电器控制电路的设计设计人姓名学号指导教师姓名、职称指导时间/地点每周二/周四 导师办公室/实验室专业班级一、设计（论文）内容依据电动汽车充电电池的接收特性曲线的走势以恒流充电、恒压充电交替进行的方式对其分段，构造出一条新的符合接收特性变化特点且能缩短充电时间的充电特性曲线。设计电路使这种充电方式能够实现，且在恒流向恒压、恒压向恒流转变时实现充电模式智能切换。并能在各个阶段维持充电电流、电压的恒定。将电动汽车电池充电时充电电流和充电电压进行实时采样，并通过PI调节的比例积分环节使其与不同阶段需达到的恒流或恒压值（由单片机

2、控制产生不同占空比的PWM方波实现）进行比较，将两者误差进行放大，通过后端连接SG3525芯片的调节作用，控制前端开关电源IGBT部分产生占空比增加或缩小的交流方波，使其输出端的稳压、稳流值增大或减小，通过反馈作用使误差值和设定值的误差向逐渐减小的趋势进行，直至每阶段的采样电流/电压值与恒流/恒压要求的数值一致，由SG3525进行状态稳定。利用二极管的单向导通特性，在控制电路电流调节和电压调节输出端分别连接二极管，通过设定正确的电流/电压参考值，使控制电路电流调部分和电压调节部分输出端在不同的恒流、恒压阶段交替起作用。即电流调节部分的二极管正向导通时，电压调节部分的二极管关断；反之亦然。最终达

3、到根据充电接收特性走势实现分阶段恒流、恒压的自动切换并在每阶段保持充电电流、充电电压值稳定的预期设计目标。二、设计（论文）的主要技术指标按照充电进行的顺序，分别是30A恒流充电（此时充电电压逐渐升高），70.4V恒压充电（此时充电电流逐渐减小），15A恒流充电（此时充电电压逐渐升高），72.4V恒压充电（此时充电电流逐渐减低），充电电流降到3A时充电器停机，待电池端电压降至68.8V时重新启动，以恒压68.8V并限制电流在3A以内进行浮充充电。通过单片机产生的不同恒流恒压阶段的基准值（最大值5V，频率为25KHz的占空比可调PWM方波），在不同充电阶段其占空比分别为：30A(10.937us/

4、40us)，15A(5.000us/40us)，3A(0.5625us/40us)，70.4V(13.375us/40us)，72.4V(13.831us/40us)，68.8V(13.000us/40us)。控制电路输出端电压送入PWM控制芯片SG3525的1管脚（比较器反相输入端），与2管脚（比较器同相输入端）固定基准电压2.5V进行比较，根据采样电流、电压的实时变化，通过芯片对前端电路IGBT部分进行调控，使其输出电压稳定在2.5V。电路中采用一个四运放集成块LF347一个双运放集成块TLC2272，均为双电源供电，供电电压5V，来完成对电流电压的调整和比较作用。在验证控制电路可行性方面

5、利用仿真软件完成。首先通过确定不同充电阶段电流电压的采样值和输出值(2.5V)逆向调试得出对应的给定方波占空比，再由得到的方波占空比正向模拟充电过程，验证理论推断的可行性。三、进度安排2012.2.202012.2.27 通过相关现有技术查阅资料论证设计方案的可行性，准备开题答辩。2012.2.272012.3.5 完成开题答辩，着手准备进行具体设计。2012.3.512012.3.12 对国内外电动汽车充电电路控制系统资料进行查阅，准备外文文献翻译。2012.3.122012.4.9 在现有技术的基础上根据控制电路实现功能进行模块化设计，由每个模块的具体实现功能选择实现方式和电路。通过每星期

6、的导师指导论证其可行性，并及时进行修改。与同学进行讨论学习，了解前端电路开关电源部分和后端单片机控制部分的工作原理，使对电路有更好的全局把握。2012.4.912012.4.23 在电路框架的基础上对其进行细化，对实现电路功能的参数选择进行讨论与设定，根据实际应用场合的不同要求，尽可能使参数理论值接近实际应用的需要。2012.4.232012.4.30 对理论计算得出参数值利用仿真软件进行电路仿真，观察实验结果，分析产生错误的原因，并对参数进行不断调试，通过对不同输出值的比较敲定最佳实现方案。2012.4.302012.5.27 根据两个月来的理论分析和实际操作过程，通过参考大量的相关资料文献

7、，着手进行毕业论文的编写。及时与导师进行沟通，得到修改意见。2012.5.252012.6.10 提交论文终稿并完成论文答辩。四、毕业设计（论文）提交的文档及基本要求1毕业论文一份（包含封皮、目录、中英文摘要、内容及参考文献）2不少于5000汉字的科技翻译资料一份3、毕业论文简介（A4纸12页）（包含题目、专业、年级、姓名、指导教师、毕业论文所做的工作、解决的问题、创新之处等）4毕业设计任务书5开题报告6毕业设计工作中期检查表毕业设计（论文）开题报告附表二课题名称30A/60V电动汽车充电器控制电路的设计学生姓名学号专业班级电子信息工程五班一、选题的目的意义电动汽车行业在近些年来迅速发展崛起，

8、作为重要其中的动力系统，如何延长电动汽车充电电池的循环使用寿命已成为现阶段影响电动汽车发展最核心的技术问题之一。除去充电电池在使用时由于自身物理特性造成的性能损耗，错误的充电方式和充电习惯才是造成电池使用寿命缩短的最主要原因。因此，研究符合电池接收能力的智能充电系统有着十分重要的意义。本论文所要研究的控制电路可以在开关电源和单片机的配合下，自动完成恒流、恒压充电模式的切换，构造出一条吻合电池接收特性曲线走势的充电曲线，在不伤害电池的情况下智能完成充电过程。二、国内外研究综述王维斌在间歇式脉冲三段式充电器的设计中介绍了适用于电动车高性能铅酸蓄电池的间歇式脉冲三段式的设计方法。具体介绍了三段式：恒

9、流阶段、恒压阶段、涓流阶段的工作原理、优缺点和实现方法；并实现了三段充电的自动智能切换。不仅对铅酸蓄电池有良好的充电效果，而且对电池的充电损耗有修复功能，可大大提高蓄电池的使用寿命。Yiran Hu和Stephen Yurkovich在Battey State of Charge Estimation in Automotive Applications中说明了在现代电动车管理系统中运用自控系统对充电过程进行分阶段调控的重要性。介绍了多种对电动车不同充电状态进行估算的方法，并对其优缺点进行了详细的对比。论证了根据电池在不同状态的估算结果采用合适的充电方式的必要性。三、毕业设计（论文）所用的方法

10、 首先对论文课题进行可行性分析论证，通过查阅资料对现有的电动汽车电池充电方式进行研究和分析，理解各充电方式的实现手段及优缺点。以现在最为常见的三段式充电为理论基础，继续对充电阶段进行细化，使其更加符合充电电池接收特性曲线的走势，并考虑其实现智能切换充电模式并在每阶段保持恒定电流值/电压值的实现方式。先构造电路框架，再由每部分的具体功能选择实现方式和电路，得到具体电路框架。最后对运用仿真软件对实现效果进行验证。四、主要参考文献与资料获得情况1 华中理工大学电子学教研室, 康光华. 电子技术基础(模拟部分)M. 第四版. 北京:高等教育出版社, 1999:277-310.2 王远. 模拟电子技术M

11、. 第一版. 北京:机械工业出版社, 1994:312-317.3 浙江大学电子学教研室, 郑家龙, 王小海. 模拟集成电子技术教程M. 第一版. 北京:高等教育出版社, 2002:213-216.4 北方交通大学冯敏昌. 模拟集成电路系统M. 第二版. 北京:中国铁道出版社, 1998:167-180.5 吴运昌. 模拟集成电路原理与应用M. 第一版. 广州:华南理工大学出版社, 1995:198-201.五、指导教师审批意见签字： 年 月 日毕业设计工作中期检查附表三 2012年3月20日课题名称30A/60V电动汽车充电器控制电路的设计姓 名专业和班级电子信息工程五班指导教师一、毕业设计

12、具体内容、目标和可能遇到的问题毕业设计具体内容：电动汽车充电器的控制电路，它能够在与前端电路开关电源和后端单片机的配合下控制充电器自动完成不同充电阶段恒流充电和恒压充电的模式转换，并在各阶段稳定起作用电流值和电压值。设计目标：通过对充电电流和充电电压进行采样，并将其与恒流、恒压阶段的电流、电压设定值（通过单片机产生占空比可调的方波PWM信号实现，具体占空比数据需由对电路各阶段的仿真得到）通过PI调节器进行比较，通过后端芯片SG3525对前端电路开关电源的调控作用，逐渐减小两者间误差，直至趋于一致，并在各阶段稳定状态下保持恒定电流/电压值。可能遇到的问题：由于一个系统实现对多个不同阶段的作用，因

13、此参数的选择十分重要（如运放的型号、所加电阻电容的取值等），需使其满足各个阶段的设计要求。模拟电子技术的实现是很有难度的，经验和知识覆盖面程度会对结果有产生很大的影响。另外，理论与实际的差别、电路仿真与实际应用之间的不同也是会遇到的问题。二、采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析首先对现有的充电器控制电路方面的相关技术进行学习和研究，和自己的基础构思进行比对，找出可用的部分和以前所没有注意到的问题，充实自己的设计思路并避免出现同样的失误。敲定设计方案后请导师对设计漏洞、设计思路进行讲解。将电路根据功能的不同将进行模块化，并将各模块具体的实现方式利用所学知识和查阅资料进行细化，确定各个部

14、分的实现电路。围绕每个模块进行基本的参数选择分析，得出大致范围后整合所有模块对其进行调整。最终得出可实现功能的完整电路。由于模拟电路设计需要对所选参数进行不断的对比论证，仅根据资料所介绍的计算值并不一定能满足实际需求，但是一直在真实环境下进行实验并不现实。故决定采用仿真的方式，在大致参数确定后通过仿真对比发现问题，并进行优化。对于控制电路的研究已经有一定的理论和技术基础，加之仿真的环境提供了足够的调试空间，使设计能够在理论和实际的结合下完成。三、指导教师对学生出勤、文献阅读等方面的评语签字： 年 月 日毕业设计工作中期检查附表四 2012年4月24日课题名称30A/60V电动汽车充电器控制电路

15、的设计姓 名专业和班级电子信息工程五班指导教师一、阶段性结果 控制电路各组成模块已基本成型，主要通过运算放大器实现：包括放大、比例、积分电路等，其中比例积分电路对调整采样值使其最终吻合设定值起主要作用。在决定电流和电压的主导作用方面则利用了二极管的单向导通特性。为了更好地把握整体电路，对前端电路(开关电源部分)、后端电路(单片机控制部分)和调节电压电流值的PWM控制芯片3525也做了相应的研究和学习。通过导师和同组同学的讲解，对前端电路开关电源部分和后端单片机控制部分都有了简单的了解，对整体电路有了更好的把握，在具体的设计时也能一并考虑前后端的匹配连接问题。二、存在的问题 电路需要作用在几个不

16、同的阶段，每个阶段根据恒流恒压值的不同输入值都会发生变化，如何使用一套电路参数使其在变化的输入量环境下完成恒流恒压充电模式的自动切换。对于模拟电子技术来说，参数的选择是最重要的一环，但是理论值往往和实际值有差距，对经验不够丰富的人来说更增加了选择的困难。对于构成电路的基本模块来说，只有基础框架结构在实际操作中是远远不能满足要求的。如何综合考虑元器件的特性，在其基本结构上引入正确的辅助器件使其更符合实际应用的需求也是当前所遇到的问题。IV30A/60V电动汽车充电器控制电路的设计摘要：随着电动汽车产业的快速发展，对其各个部件的设计要求也有了很大提高。动力系统作为其中的核心环节，充电电池的各项性能

17、指标对系统整体的性能有很大影响。而对于缺乏专业知识的消费者来说，充电电池的使用寿命成为了最直观的判断标准。除去由于充电电池物理特性造成的不可抗影响外，如何通过改变充电方式来延长其使用寿命已成为近些年研究的重点。本文通过对现有充电方式工作原理的分析对比，在三段式充电模式的基础上加入更多的恒流充电和恒压充电环节，提出了更加符合充电电池接收特性曲线的五段式充电模式。本文的研究核心控制电路通过对比例放大电路和PI调节器的运用，将充电电流、电压采样值与相对应的恒流、恒压值的误差进行比较并输出至PWM控制芯片SG3525，引起芯片对前端电路输出电流、电压的的调节，使误差逐渐减小直至达到稳态输出。控制电路最

18、大的特点是能够在外围电路的辅助下自动完成恒流、恒压充电模式的切换并在每个充电阶段保持电流、电压值的稳定。最大的创新之处在于利用二极管的单向导通性，通过电路参数的合理设置，用一个SG3525芯片同时完成对恒流、恒压阶段的控制。关键词：电动汽车，充电器，比例电路，PI调节器，仿真 Abstract：With the rapid development of electric automobile industry, the design requirements to all part of it have been improved greatly and power system should

19、 be the core part. All performance indexes of rechargeable batteries could have great influence on the performance of the whole system. As to the consumers who are short in professional knowledge, the service life of rechargeable batteries would be the most direct standards of judgment. And therefor

20、e, except the irresistible influence caused by the physical characteristics of batteries, extending the service life through changing charge methods has already become the research emphasis in recent years. The thesis analyzes and contrasts the existing working principle of charging method, adds mor

21、e elements as constant-current charging and constant-voltage charging on the basis of 3-stage charging mode, proposes the 5-stage charging mode which would be more suitable for the receiving characteristics of rechargeable batteries. The research core of this thesis control circuit through the appli

22、cation of PI regulator, output amplifier of charging current, voltage sampling value and the relative differences of constant-current and constant-voltage values on the control chip SG3525 of PWM, lead to the adjustment of output current and voltage in front-end circuit, reduce the difference gradua

23、lly and reach the steady output. The biggest characteristics is that shift the constant-current charging and constant-voltage charging automatically under the help of peripheral circuit, and keep the steady current and voltage values in every charging stage. The biggest innovation of this thesis lie

24、s in taking advantage of the unilateral conduction of diode, through the reasonable settings of circuit parameters and a SG3525 chip, achieve the control in constant-current and constant-voltage stages. Key Words: Electric automobile, Charger, Proportional circuit, PI regulator, SimulationVIII目录前言11

25、 蓄电池的充电方式21.1 蓄电池充电特性曲线21.2 几种常见充电方式31.2.1 恒压充电31.2.2 恒流充电41.2.3 涓流充电41.3 三段式充电41.4 五段式充电52 前端电路开关电源介绍62.1 选用开关电源的原因62.2 开关电源工作原理62.2.1 前期整流滤波部分72.2.2 IGBT部分72.2.3 后期整流滤波部分73 控制电路的设计83.1 设计思路与理念83.2 电路模块介绍103.2.1 采样模块113.2.2 PWM信号模块113.2.3 比例放大模块113.2.4 PI调节模块123.3 关键元器件集成运放的选择143.4 电路的设计细节及参数选择163.

26、4.1 分压电路163.4.2 比例放大电路183.4.3 运放调零电路203.4.4 滤波电路233.4.5 PI调节电路244 控制电路的工作流程265 电路仿真结果275.1 调零仿真结果275.1.1 电流部分调零285.1.2 电压部分调零285.2 恒流恒压值仿真285.2.1 恒流数值仿真295.2.2 恒压数值仿真305.3 部分充电过程试仿真32结论33致谢34参考文献35附录37随着近年来一系列积极政策的出台，我国的汽车行业发展迅速，汽车产销实现了“井喷”式增长，并在2009年一跃首次成为世界第一大消费国。然而我国的石油正面临着资源短缺、开采过度、能源利用率低的困境，石油进

27、口量也以每年两位数的百分比增长。由对不可再生资源日益增长的需求和不断减少的能源供给引发的愈发尖锐的矛盾亟需寻找到解决的方式。另一方面，能源的过度消耗直接刺激了二氧化碳气体排放量的快速增长，而在目前我国的二氧化碳排放中，约有25%来自于汽车。预计到2030年，二氧化碳的排量将由2005年的281亿吨增至423亿吨。汽车尾气的污染已经成为城市大气污染的重要因素，减排二氧化碳的压力将越来越大。因此，大力发展新能源汽车，用电代油，是保证能源和环境安全的必要措施。当前的纯电动汽车技术还存在不少问题，然而对于主导市场份额的消费者来说，面对档次相仿的电动汽车，在缺乏相应专业知识的情况下，蓄电池的使用寿命便成

28、为其最为关注的问题之一。同时，相较于传统汽车，电动汽车除了在环境保护方面占据优势之外，与不断上涨的油价相比，低廉的电费也正是吸引众多潜在消费者的最大卖点之一。这就要求电动汽车的充电电池更要能真正的做到高质量，高循环充电率。不同的蓄电池拥有不同的充电接收特性曲线，在理想情况下，如果能完全跟随此曲线的走势进行充电，则将在最大程度上的延长充电电池的使用寿命，从而降低因为频繁更换电池增加购买成本的可能性。但在实际生活中，由于技术手段的限制，达到这样的充电效果是不可能的；另一方面，单纯的恒流或者恒压充电的方法虽然易于实现且占据大部分的市场份额，但是这两种方式都在一定程度上对充电电池的性能有伤害或者无法在

29、短时间内完成充电，加上不正确的充电习惯的影响，电池的寿命将在一次次的充电后急速缩短。本文所介绍的充电电池控制电路能通过和单片机程序的配合，在充电时自动检测电流及电压值，并在其变化到给定值时智能完成多阶段恒流充电和恒压充电模式的转换，并在各阶段中维持电流、电压的稳定性。在现有的技术条件和控制成本的前提下，使充电状态尽可能接近且不超过蓄电池的接收特性曲线，从而延长充电电池的使用寿命。对于在充电特性方面要求高的电动汽车行业来说，增加这样一个控制电路的必要性也就不言而喻了。性能良好耐用的电池不仅可以作为商家吸引消费者的主打牌，也可以免去因电池售后维修和更换所带来的企业支出。本文首先对几种常见充电方式进

30、行介绍分析，并在其基础上进行优化改进，引出五段式充电模式的概念。再根据控制电路所要达到的控制效果将其用模块流程图表现出来，通过各模块的实现功能来讨论具体电路的选择。电路基本框架敲定后进行针对元器件参数选择的分析论证，将电路细化并完成整体设计。最后通过仿真软件对方案的完成效果进行验证。1 蓄电池的充电方式1.1 蓄电池充电特性曲线自1859年铅酸的充放电特性被普兰特发现后，铅酸蓄电池经历了长久的发展过程，其制造技术手段已经相当成熟，时至今日，铅酸蓄电池依旧是电池领域应用最广泛的产品。图1.1 铅酸蓄电池接收能力曲线在对铅酸蓄电池进行充电时，可由电流随时间的变化绘制出蓄电池的充电特性曲线。同时，蓄

31、电池具有一条由本身特性决定的显示充电时可用最大安全电流的接收特性曲线（如上图所示）；即充电电流一旦超过某一时刻的最大接收值，就会对蓄电池性能造成一定的损伤，长期积累会导致电池使用寿命的缩短。 当充电特性曲线能够完全与蓄电池接收曲线重合时，就可以实现理想状态下在不损坏蓄电池性能的情况下以最大允许电流或电压在最短时间内完成充电的设想。但是现阶段的充电方式往往都只能单纯的满足减少充电时间或保护电池性能的要求，因此，研究处于两者平衡点的充电方式是必然的发展趋势。1.2 几种常见充电方式1.2.1 恒压充电顾名思义，恒压充电即是在充电过程中将蓄电池两极间电压维持在恒定值的充电方式。在恒压充电过程中，充电

32、电流是逐渐减小的，即达到了自动调节充电电流的效果，与蓄电池接收能力曲线走势相同。如果设定的电压恒定值适宜，就既能保证蓄电池的完全充电，又能尽量减少析气和失水。图1.2 恒压充电特性曲线与接收特性曲线虽然两曲线基本走势相同，但在随着恒压充电的进行，充电电流的下降速度趋于平缓，无法下降到接收曲线的要求值，这时再进行充电就会对蓄电池性能造成一定的影响。两曲线对比如上图所示。 总体来说，恒压充电有以下优点和缺点：1、充电特性曲线更接近于蓄电池接收特性曲线。2、充电电路易于实现。3、恒压充电电解水很少，避免了由于硫酸铅浓度上升而造成的电池老化。4、但是使用这种方法会造成充电初期电流过大，容易使蓄电池极板

33、弯曲，导致电池报废，且无法在短时间内完成。 综合考虑以上优缺点，恒压充电现阶段已经很少使用，只有在要求低充电电压、大电流时才采用。1.2.2 恒流充电与恒压方式相对应，在充电过程中，充电电流维持在恒定值，也是一种目前被广泛采用的充电方法，充电电路多用开关电源控制实现。充电时可以根据蓄电池的容量和接收特性曲线来确定合适的充电电流值，利用小电流、长时间的充电方式在不伤害蓄电池性能的情况下完成充电。图1.3 恒流充电特性曲线与接收特性曲线为了尽量减少充电时间，充电电流值的选择不能过小，但是这样就会造成在电池即将充满的后期阶段充电特性曲线超过蓄电池接收曲线的情况。所以现阶段在恒流充电的基础上，将后期恒

34、流充电阶段置换为小电流连续充电，充电特性曲线如上图所示。1.2.3 涓流充电大部分电池充满电后，电量会由于自放电现象不停流失，涓流充电可通过对保持在近似完全充电状态的蓄电池进行连续小电流充电以补偿流失电量。现在大多数接入直流电源系统的蓄电池，在完全充电后都会进入涓流充电状态，以备放电时使用。涓流充电常在以恒流、恒压为主的充电过程中起辅助作用。对于串联蓄电池组来说，涓流充电能够很好的均衡各个电池的端电压和比重，并起到蓄电池维护和化学特性激活的作用。因此又称维护（浮充）充电。1.3 三段式充电三种基本的充电方式各有利弊，如果能将它们综合利用使其能够弥补自身的缺点，那么找到缩短充电时间和保护电池性能

35、之间的最佳平衡点也就不再困难。三段式充电就是很好的一个例子。利用三种基本充电方式的特点对其进行简单的综合，就可实现三段式充电。1、恒流充电阶段：在初始恒流充电阶段要选择合适的充电电流值，过大会导致电池极板的损坏，而过小则会延长充电时间。电池放电越深，恒流充电的时间越长，反之则较短。2、恒压充电阶段：恒流充电后，保持此时的充电电压进行恒压充电，充电电流下降。一般来说，充电电流下降到10mA/Ah以下时即认为电池已基本充满，即可转入浮充电状态。 3、涓流充电阶段：恒压充电结束后转入浮充充电阶段，大约需要24小时左右来使蓄电池容量恢复到100%。在这一阶段，由于电池已处于近似完全充电的状态，所以即使

36、持续时间再长，其容量也不会再明显增长。1.4 五段式充电 由上文对三段式充电的介绍可知，交替切换恒流恒压充电模式可以使充电特性曲线呈阶梯状逐渐下降，符合蓄电池接收曲线的走势。由此考虑，如果在此基础上引入更多的恒流、恒压阶段切换，那么所产生的充电特性曲线将更加逼近电池的接收特性曲线。但是由此一来，就需要更多的控制环节来完成调控使系统复杂化。综合考虑，决定在三段式充电的基础上分别增加一个恒流阶段和恒压阶段，构成五段式充电模式，其充电特性曲线如下图所示：图1.4 五段式充电特性曲线曲线为充电电池接收特性曲线曲线为充电过程中电流变化曲线，即充电特性曲线曲线为充电过程中电压变化曲线充电过程分为以下五个阶

37、段：1、30A恒流充电直至电压升至70.4V，切换为恒压充电模式。2、70.4V恒压充电直至电流下降为15A，切换为恒流充电模式。3、15A恒流充电直至电压升至72.4V，切换为恒压充电模式。4、72.4V恒压充电直至充电电流下降为3A，停止充电(停机)。5、电压下降至68.8V，重新启动，进入电流小于3A的浮充充电过程。下面就根据充电特性曲线对电路进行分析和设计。2 前端电路开关电源介绍2.1 选用开关电源的原因要实现恒流、恒压的分段充电，并且保证每阶段充电时电流、电压值的精确与稳定度，前端电路即采用开关电源来维持恒定的电流、电压值。开关电源是利用现代电子电力技术，通过控制开关管开通和关断的

38、时间比率，调整输出波形的占空比，并能在各个调整阶段维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM: Pulse Width Modulation）来进行控制。现在常用的开关电源有两种：一种是直流开关电源，另一种是交流开关电源；本文中所介绍的前端电路使用的是直流开关电源。其功能是将电能质量较差的原生态电源所提供的不能稳定在固定值的电压，转换成满足设备要求的高稳定度、高精度直流电压。由此看来，直流开关电源能够很好地完成精确调节和稳定电流、电压的任务。下面就对其工作原理进行简单的介绍。2.2 开关电源工作原理构成电路的前端电路根据功能可划分为三个阶段：前期整流滤波阶段（针对电网电压进

39、行），IGBT阶段，后期整流滤波阶段（针对IGBT部分输出电压进行）。2.2.1 前期整流滤波部分前期整流滤波电路图请参见附录图2。输入端接入220V 50Hz的电网电压，首先通过桥式整流利用二极管的单向导电性将正负变化的交流电压变为单向的脉动电压，即脉动直流电；再通过滤波电路利用电容将脉动电压的交流谐波部分滤除，最终输出相对稳定的直流电压。在整流方式和滤波电容的选择方面，主要考虑两个因素：用于构成整流电路的二极管所承受的反向电压，电路处于高频工作环境还是低频工作环境。2.2.2 IGBT部分IGBT部分电路图请参见附录图3。在这部分电路中起主要作用的是四支IGBT (Insulated Ga

40、te Bipolar Transistor)，即绝缘栅双极型晶体管，同时也是在芯片SG3525的控制下完成PWM脉冲宽度调制以改变输出电压值的核心元器件。其工作原理如下：位于对角线上的晶体管各为一组。当两组晶体管依次导通时，会在变压器上依次产生左正右负、左负右正的电压，由此将前端电路输出的直流电转变成变压器所需的交流电。理论上来说，两组晶体管在不同时导通的情况下，可在一个交流电周期内导通和关断各50%的时间。但在实际应用中，两组晶体管的依次导通的间隙必须留有同时关断的时间，即死区控制，否则会造成短路。另外，并联在每个晶体管旁的吸收电容和吸收电阻可以防止交流方波出现“毛刺现象”。串联在变压器旁的

41、电容主要起到“隔直流通交流”的作用。 2.2.3 后期整流滤波部分后期整流滤波部分电路图请参见附录图4。这部分电路采用了全波整流，因为经过变压作用，交流方波电压最大值降至约112V，即使每个二极管均承担二倍的电压最大值即也很容易实现。经过与第一阶段相类似的整流和滤波过程，最终得到可供电动汽车充电器使用的稳压电源。通过对稳压电源电压值进行取样，经由控制电路的调节，配合单片机程序控制，即可完成分段恒流恒压的充电过程。下面将重点介绍电动汽车充电器的核心电路控制电路部分。3 控制电路的设计3.1 设计思路与理念前文已经介绍过，此控制电路要能够通过与前端电路开关电源和单片机的配合完成以下几个充电阶段内恒

42、流充电和恒压充电的自动转换，并稳定每一阶段内的电流值或电压值。1、30A恒流充电直至电压升至70.4V，切换为恒压充电模式。2、70.4V恒压充电直至电流下降为15A，切换为恒流充电模式。3、15A恒流充电直至电压升至72.4V，切换为恒压充电模式。4、72.4V恒压充电直至电流下降为3A，停止充电(停机)。5、电压下降至68.8V，重新启动，进入浮充充电过程。从结果来看，电路控制充电器顺次以30A、70.4V、15A、72.4V的恒流、恒压对蓄电池进行充电。完成72.4V恒压充电过程后，单片机控制充电器停止充电过程。直至检测到电压下降至68.8V，充电过程重新开启，完成最后一阶段恒压68.8

43、V电流不大于3A的涓流充电。由充电过程进行分析，第一恒流阶段中，充电电压慢慢升高。当电压上升到70.4V时，控制电路及时完成恒流充电和恒压充电的转换，并维持充电电压的恒定。在第二阶段中，随着恒压充电的进行，充电电流逐渐下降直至15A，此时控制电路继续自动转换充电模式，并维持充电电流的稳定，完成下一阶段的15A的恒流充电。可知，要完成对充电电流和充电电压的具体控制，电路中至少需要四个输入量。即：电流采样和电流给定，电压采样和电压给定。其中采样值可从前端电路开关电源输出端得到，以实现对充电电流和充电电压的即时监控。在给定值方面，考虑到其会随着充电阶段的推移发生变化，但在各个阶段内是维持恒定的。因此

44、，决定通过单片机控制产生占空比可调的PWM方波，从而实现给定值的设定。由于电流信号和电压信号要分别起作用，初步将电路设计为上下基本对称的两部分：电流调节部分和电压调节部分。此外，为了设计整体电路时的方便，应使上下两部分电路的输入匹配，即对电流进行采样时通过电阻等元器件使其转化为对应电压信号。考虑到电流采样值和电压采样值会相差较大，故在控制电路前端加入集成运放构成的比例电路对二者进行调节，使输出趋于一致，这样在决定两部分元器件参数时就可以进行近似考虑。要对采样信号和给定信号之间的误差进行自动调节，并使其最终输入趋于一致，这里选用集成运放构成的PI调节器来完成这一过程。通过P（比例调节）和I（积分

45、调节）的共同作用，改变控制电路的输出值，推动调节功能的进行，最终消除自控系统的稳态误差。电流值、电压值的调整则是由PWM控制芯片SG3525完成的。控制电路将输出值接入SG3525的1号管脚（即误差放大器反相输入端），SG3525的2号管脚（即误差放大器同相输入端）电压值稳定在2.5V。根据集成运放的特性，1号管脚也应始终稳定在2.5V。这就使得当控制电路输出电压偏高或偏低时，即1号管脚接收电压高于或低于2.5V时，SG3525自动通过PWM脉宽调制对开关电源IGBT电路部分两组晶体管的导通和关断时间进行控制，增加或减小输出电压波形的占空比，使控制电路输出电压重新回落或上升至2.5V。由此就完

46、成了对电流或电压的调控，并保证电路的整体稳定性。图3.1 控制电路简化图考虑到电流和电压误差值经过PI调节器处理输出后都要与2.5V进行比较，且恒流和恒压阶段是交替进行的。经仔细分析，这里需要进行一个非A即B的选择，即“或门”的作用，如若利用二极管的单向导通性质加以电压的调整可得以实现。由于SG3525的2管脚稳定在2.5V，1管脚电压在2.5V上下小范围波动，并最终稳定在2.5V。在恒流阶段，在理想状态下，只要电流调整部分的输出大于等于3.2V（2.5V稳定电压+0.7V二极管正向导通管压降），二极管即可导通。而与此同时，只要电压调整部分的输出小于3.2V，其作用就可以被压制住。以此决定不同

47、阶段起作用的是电流部分还是电压部分。在细节方面，因为电路围绕运放进行设计，为了提高输出结果的精度，在运放外部加入调零电路是必要的。其次，从整体电路来看，考虑到最终完成的充电器需要在显示屏显示上实时电流和电压值，需将输出模拟信号通过数模转换将其变为数字信号。另外，单片机也需要时刻接受采样值，以确定不同数值的电流电压对应方波的输出时间。因此电流和电压的采样支路除了接入PI调节器外，还需另接一路输出至外围电路。考虑到单片机等外围器件对工作电压有限制，故在输出端前再加入一个比例电路，适当调节采样电压，使之与下级电路要求的输入电压相匹配。3.2 电路模块介绍根据上述的设计理念，将控制电路的实现模块化，通

48、过各模块的不同作用可得到下方的示意图： 图3.2 控制电路模块流程图以恒流充电阶段的电流调节部分为例，采样信号经过第一级放大电路得到一个大小相位合适的输出值，分别送入PI调节器和第二级放大电路。送入PI调节器的信号通过与相对于此恒流阶段需要达到的稳定电流值所对应的给定电流值进行比较。在恒流阶段，电流调节部分的输出电压使二极管导通，并压制电压部分二极管的作用，此时电压采集信号与给定信号的放大误差就被送入SG3525的第一管脚，通过与2.5V基准值的比较，利用PWM对前端电路IGBT部分进行调节，使误差逐渐减小进入稳态。下面对各个模块的作用进行分析。3.2.1 采样模块采样电流对应的电压信号：在前

49、端电路开关电源输出端串连接入精密电阻，通过对精密电阻上产生的电压降进行采集，即可得到电流对应的电压信号。3.2.2 PWM信号模块单片机给定的方波信号：由单片机产生占空比可调的PWM方波，在不同的充电阶段通过改变占空比来调整设定值。这些占空比需要通过对最终电路的仿真调试得出，即固定电流或电压的采样值，仿真各个恒流阶段和恒压阶段的转换点的电路状态，通过调整给定方波的占空比，直到经由二极管输出端输出2.5V上下（波动范围很小）的电压为止。此时的方波占空比可作为参考在编写单片机程序时使用，当然在实际应用中，需要以仿真值为基准，进行多次调试，才能得出各阶段所需PWM波形最准确的占空比。3.2.3 比例

50、放大模块比例放大：由集成运放构成比例放大器是运放的一个基本应用，考虑到控制电路中采样信号要经由比例放大与设定值进行比较，则两者需要一正一负，相加抵消后得出误差值；而采样值则需经两次比例放大后连接外围电路，此输出值需要为正。若采用负反馈放大器，则会出现以下流程：采样值（正）比较值（负）输出值（正）完全符合各节点的要求。因此这里就选用负反馈电路组成放大器。下图是一个典型的电压并联负反馈电路。输出电压与输入电压反相。同相输入端通过电阻接地，作为补偿电阻可保证集成运放输入级差分放大电路的对称性。图3.3 比例电路假定运放在理想状态下，即满足“虚短”和“虚断”的条件。则可得出以下方程：即可得出输入电压和

51、输出电压的关系：。由此可见，电路中的四个负反馈比例放大器均起到反相放大的作用。采样值通过适当的比例缩放可得到一个负值电压，分别作为PI调节器的部分输入和后端比例放大器的全部输入，同时要考虑到两者的输出范围，并保证运放工作在线性区，因此放大倍数的选择显得尤为重要。3.2.4 PI调节模块PI调节器：PI调节器对采样电流电压值与设定电流电压值进行比较调节，是比例控制和积分控制共同作用的结果。1、比例（Proportional）控制 如上文所介绍的，比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成简单的比例关系。当且仅有比例控制时，系统输出存在稳态误差（Steady-state err

52、or）。 2、积分（Integral）控制 在自控系统中，常用积分电路作为调节环节。稳态时，积分电容的作用相当于把运算放大器输出和输入间的反馈回路断开，这时运放的放大倍数就是它的开环放大倍数。虽然此数值并不是无穷大，但是在这样的状态下系统的稳态误差极小，可以忽略其影响。首先对积分电路进行简单的介绍，基本的积分电路如下图所示：图3.4 积分电路同样在理想情况下，由“虚短”和“虚断”特性可得到以下方程式：若对上式在到时间段进行积分，则有：其中为积分起始时刻的输出电压。在实际应用中，为了防止低频信号增益过大，常在电容上并联一个电阻加以限制，如上图所示。在积分控制中，调节器的输出与输入误差信号的积分成

53、正比关系。如果输入端接受任何一个突变的控制信号，它的输出只能逐渐增长，控制效果反映的比较慢。因此，如果将其与动态反应较快的比例控制结合起来构成PI调节系统，就可以既做到静态准又做到响应快。对一个自动控制系统来说，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这自控系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动电路进行调整使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例(P)+积分(I)调节器，可以使系

54、统在进入稳态后无稳态误差。最简单的比例积分电路如下图所示：图3.5 比例积分电路假设流经和的指向输出端的电流分别为和，在理想状态下，由“虚短”和“虚断”可求出输入输出值的关系： 3.3 关键元器件集成运放的选择集成运放为控制电路中的主体元器件，基本上整个电路都是围绕运放来进行的设计，因此选择适合电路的运放显得尤为重要。由前文分析可知，电流控制部分和电压控制部分各需要三个运放（两个用作放大器，一个用作PI调节器），则整个控制电路需要接入六个集成运放。出于对电路整合性考虑，决定使用一个四运放集成块和一个双运放集成块配合完成。其次要考虑运放的线性工作区，其极限值为所加的电源电压。电路中有通过负反馈构

55、成的比例放大器，即运放的输出会出现负值，因此选择双电源的集成运放是必要的，同时也可以更好地保障输入信号的放大线性度。由上可知，选择运放的基本条件为高精度的双电源四运放和双电源双运放。为了提高电路的精度，相较于使用BJT（Bipolar Junction Transistor双极结型晶体管，又常称为双载子晶体管）的输入运放来说，JFET（即PN JFET：PN Junction FET，通常也称JFETPN结型场效应晶体管）在工作时的输入阻抗要更高，输入偏置电流就变得很小，无需再加入平衡电阻来平衡运放两个输入端的失调电流。考虑到电路要对采样电流、电压值和输出至SG3525的电压值进行即时监测，就

56、要考虑运放的SR压摆率（slew rate，也称为转换速率），压摆率是运算放大器输出电压的转换速率，单位有通常有V/s，V/ms和V/us三种。它反映了一个运算放大器在速度方面的指标和对信号变化速度的适应能力。当输入信号变化率的绝对值小于SR时，输出电压才按线性规律变化。因此信号变化速度越快越大、频率越高，要求运放的SR也越大。SR的计算公式如下所示：，其中在确定SR之后，由下面的公式可得到运放可处理的最大工作频率。，其中为最大输出电压 对于运放的另一个参数增益带宽（GBW：Gain Bandwidth）来说，一般SR较大的运放，其GBW也相对较高。由于GBW是一个常数，则由计算公式：，其中为

57、电路放大增益可以看出当工作频率变大时，所能得到的增益就越小。但一般来说，只要不要求特别高的放大倍数运放的GBW都是比较合适的。综合以上分析，通过在TI（TEXAS INSTRUMENTS 德州仪器）网站上进行相应参数的筛选和查阅，最终确定使用四运放LF347和双运放TLC2272。下面是两种运放的基本参数介绍。图3.6 四运放集成块管脚分布及基本参数 图3.7 双运放集成块管脚分布及基本参数3.4 电路的设计细节及参数选择按照前期对设计思路的分析讨论，可以将控制电路最基本的结构框架用具体电路图表示如下： 图3.8 控制电路基本框架下面将对控制电路的设计细节及重要参数的讨论。3.4.1 分压电路

58、由上文可知，控制电路需采样的最大电压值为72.4V，最大电流值为30A，最终的目标是使两者的采样值趋于一致（电流信号转换为对应的电压信号）。对于电压信号来说，毫无疑问要通过分压来降低取样电压值。由于控制电路的整体电压是围绕2.5V进行变化的，所以用和的电阻串联对充电电压进行15:1的分压，将采样电压初步降低到合适范围。由于电阻阻值较大，为了降低电阻的发热情况，应采用的串联电阻代替的电阻，即：。但在实际采样过程中，分压比会受到后端电路等效电阻并联的影响，比如在仿真中，72.4V恒压阶段分压后采样电压要小于理论值4.83V，在3V左右。仿真结果如下图所示：对于电流信号来说，需通过一个串联在电路中的

59、定值电阻，并取出电阻上的压降作为采样电流对应的电压值。为了保证精确度，所使用的电阻必须是精密电阻；其次，要考虑到30A的电流值相对较大，若选择的电阻值不合适，由公式可知，将产生严重的发热，甚至损坏元器件和电路。一般来说，以上的普通电阻精密度多在5%，而以下的电阻精密度可达到1%，此时就已经属于精密电阻的范畴。这里选用线绕精密电阻，考虑到具体实现和热功率，电路中用两根阻值为的铜丝并联得到阻值为的采样电阻，由上述公式可知热功率为：最大采样电压也可由简单的计算得出：针对上面提到的电压采样值和理论值出现偏差的情况对电流采样进行分析，由于精密电阻只有，后端电路与之并联后对其上产生的压降的影响微乎其微，不

60、会出现与采样理论值较为明显的误差。在仿真时，为了尽量还原与前端电路开关电源连接下的充电状态，采用恒流源（在不同阶段将电流值调整为30A、15A、3A）串联的电阻进行模拟。3.4.2 比例放大电路比例放大电路的参数选择对调零电路的参数选择有很大影响，这里先对比例放大部分进行分析，首先来确定运放网络的电源电压。选用的运放可接电源电压范围一般都在3.5V18V，可选范围比较广。但是考虑到整个控制电路的电压都是围绕SG3525提供的基准电压2.5V进行变化，送入单片机的电压也需保持在05V的范围内，结合分压电路的采样输出情况，运放电源电压选择在常用的5V即可，即可提供足够的线性区，又能够用一个电源同时

61、为运放和单片机进行供电。下面对比例运算电路的具体参数选择进行论证，控制电路中采用的负反馈比例运算电路的基本框架如下图所示：图3.9 比例电路理想运放的输入电阻应为无穷大，但是由于电路引入的是并联负反馈，反相比例运算电路的输入电阻是有限的，即电路的输入电阻：。当放大倍数一定时，即输出和输入电压的比例系数为定值，理论上来说和会有无数种取值方式，只要满足比值条件即可。实际上，当电路中电阻取值过大时，一方面由于工艺原因，电阻的稳定性差且噪声大；另一方面，当反馈电阻阻值与集成运放的输入电阻等数量级时，比例系数又会发生较大的变化。因此，使用较小的电阻，达到数值较大的比例系数，并且具有较大的输入电阻，是实际

62、应用的需要。另外，并联负反馈更适用于信号源内阻大的场合，这样负反馈作用更加明显。综合考虑，阻值一般取在级比较合适。综合考虑分压电路的分析结果：经采样的电流信号最大为60mV，电压信号理论最大值4.85V（仿真最大值3.08V）。很显然，为了让二者趋于一致，电流信号需由比例电路进行放大，而电压信号则需进行缩小。假设电流信号若放大20倍，电压信号放大0.5倍，则经过比例电路作用后二者分别为1.2V和1.54V，这个结果就已经比较接近，电流放大倍数可以适当再提高一点。对于高频信号来说，在设计较大放大倍数的电路时需考虑其与信号频率的乘积是否小于运放的增益带宽，否则会使电路不稳定。理论上来说，作用于电流和电压采样的两个比例电路的放大倍数在这个基准上有适当波动都是可行的。因此在进行设计时，将电压采样的放大倍数固定，将电流采样的放大倍数通过电位器留出适当的可调的范围，防止在实物调试时出现由于放大倍数不合适而修改电路的情况；另一方面，由于电流部分的调节更为精细一些，加入电位器找到最适合的放大倍数有利于提高电路精度。最终确定的作用于采样值的比例电