微機控制的大功率充電電源的研制

???? 對電動汽車能源的動力電池及其充電技術的研究,往往需要針對不同種類的動力電池進行多種充電方式的充電試驗。這就要求研制的充電電源不僅能對不同種類的動力電池進行充電,而且要能夠進行多種充電方式的充電。而目前國內市場上銷售的充電電源,無論是常規充電電源還是智能化充電電源,都往往是針對某一類動力電池的,并且只能采用單一充電方式進行充電。因此為了進行動力電池充電技術的相關研究,往往需要購買多臺充電電源或自行研制相應的充電電源。前者需要大量的資金和寬闊的試驗場地,而后者需要較強的專業技術和較長的開發周期。本課題研制了微機控制的大功率充電電源。

　　該電源采用PC104工業計算機作為控制核心,選取全橋變換器拓撲電路作為主電路,通過控制主電路在不同時刻的輸出電流和輸出電壓,可以實現多種充電方式充電;通過預置不同的參數,可以對多種動力電池進行充電;通過結合液晶顯示屏和手控盒,可以方便地實現充電方式和充電參數的預置及各采樣數據(電池端電壓、充電電流、電池表面溫度等)的顯示。

　　1 硬件設計

　　1.1 主電路設計

　　充電電源的主電路采用目前技術上比較成熟的全橋變換拓撲電路,其原理圖如圖1所示。三相380V交流電壓經三相整流橋整流、電容濾波后得到約514V的直流電壓,經全橋逆變電路變換后得到高頻脈沖電壓,再經高頻變壓器隔離變換后,由高頻整流器整流及濾波器濾波后得到所需的直流電壓。主電路的PWM控制方式采用常規的PWM控制方式。功率開關器件采用新型的復合器件——絕緣柵雙極晶體管1GBT,它集MOSFET和GTR的優點于一體,具有輸入阻抗高、電壓型驅動控制、開關損耗小、飽和電壓低、通斷速度快、熱穩定性好等優點,是大功率全橋變換器的首選功率開關器件。變換頻率取為20kHz,利于減小高頻脈沖變壓器及副邊濾波用扼流圈的體積和重量。二次整流器件采用快恢復二極管,利于減小整流管反向恢復時間對輸出電壓的影響。

　　1.2 控制系統設計

　　充電電源主要由主電路和控制系統組成。控制系統以PC/104嵌入式工業計算機為核心,配以接口電路、采樣電路、PWM控制電路及IGBT驅動電路等,可按照預置自動控制充電過程,并在充電過程中進行充電數據(包括電池端電壓、充電電流及電池表面溫度等)的自動采集、實時顯示、批量存儲及分析處理等。控制系統組成框圖如圖2所示。

　　1.2.1 PC/104嵌入式工業計算機

　　控制系統之所以采用PC/104嵌入式工業計算機,主要是考慮到PC/104嵌入式工業計算機具有以下幾方面的顯著特點:(1)小型化。PC/104采用模塊化的設計方法,單個模塊的體積為90mm×96mm×15mm。若一個PC/104系統采用三個模塊,在90mm×96mm×45mm的小空間內就能實現臺式工控機的全部功能;(2)低功耗。絕大多數模塊采用+5V電源,芯片采用CMOS芯片,功耗特別低,只有1～2W,無需外加散熱裝置;(3)PC/104在軟、硬件上與標準PC/AT體系完全兼容,可以很快掌握其軟、硬件的使用方法,而將主要精力放在軟件和接口的設計上。CPU模塊提供PC機的不同檔次的標準化產品,便于進行更新和升級;(4)外圍模塊齊全,提供顯示控制、磁盤控制、通訊控制、數據采集控制等各種功能的產品;(5)采用一種緊湊的層疊棧接結構,各模塊間通過加固的64針和40針的直立式連接器連接,并用四個金屬托架支撐,更加堅固牢靠。本系統中采用了深圳盛博科技有限公司生產的PC/104總線SCM/Super Dx嵌入式CPU模塊,其內包含了Intel 80486 CPU(100MHz)、16M在板內存、1個與PC/AT兼容的雙向并行口、兩個RS232串行口、7個DMA、14個中斷、三個計數器、一個PC/AT鍵盤接口等。此外,為了消除頻頻讀寫硬盤可能帶來的不穩定因素,采用32MB的Disk On Chip2000半導體固態盤取代硬盤,直接裝在SCM/Super Dx嵌入式CPU模塊的32腳DIP插座上。

　　數據采集模塊選用了盛博科技有限公司的DMM-AT模塊。該模塊具有16路12位模擬輸入、2路12位模擬輸出、8路數字輸入、8路數字輸出、1024字節FIFO,100kHz最大采樣速率,是一款功能較全、性價比較高的接口板,可以滿足該系統所需的A/D、D/A轉換及手控盒開關量輸入的需要。

　　液晶顯示屏擔負著各種充電信息顯示和充電參數設定等功能。選用了北京創業科技開發中心開發的型號為KY-D29A的智能液晶顯示屏,整個液晶外形尺寸為113mm×65mm×14mm,顯示點陣為128×64,可經RS232C直接與嵌入式微機連接,通過專用的指令可以方便地實現字符和漢字的顯示及各種幾何圖形的繪制。手控盒作為PC/104的輸入設備,通過和智能液晶顯示屏的配合使用,可以很方便地進行各種參數的設置和各種充電數據及曲線的顯示。

　　另外,為了便于應用程序的編寫、調試、修改及維護,還選用了盛博科技有限公司的SysExpanModule/VFI系統擴展模塊。該模塊以高分辨率的圖形控制器、軟盤驅動器和IDE硬盤接口為PC/104系統提供擴展,使用標準自堆棧式總線接頭,可以通過堆棧方式與CPU模塊或其它模塊相連接。通過給主控計算機外接顯示器、標準PC/AT鍵盤、軟驅和IDE硬盤,可很方便地進行應用程序的開發和調試。

　　蓄電池的電壓采樣和電流采樣電路分別由電壓霍爾傳感器與信號放大電路以及電流霍爾傳感器與信號放大電路組成。溫度采樣電路由熱敏電阻、溫度變送器和放大電路組成。