電動汽車的快速充電設(shè)計

1、<p>　　電動汽車的快速充電設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本論文以移相全橋直流變換器為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究學(xué)習(xí)了移相全橋直流變換器的控制策略和電路拓撲結(jié)構(gòu)中的重要問題，設(shè)計出電動汽車用磷酸鐵鋰電池快速充電器。</p><p>　　充電方法的選擇對鋰電池的壽命和性能影響很大，在研究磷酸鐵鋰電池的工作

2、原理及其充放電特性，確定了本充電電路采用三階段充電法（恒流，恒壓，浮充）。</p><p>　　采用移相全橋軟開關(guān)電路，選定IGBT為開關(guān)器件，減少了開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。設(shè)計了基于C8051f002單片機和UCC3895的輔助控制電路，通過對充電電路的輸出電壓和輸出電流，電池溫度的監(jiān)控，針對不同的充電階段單片機輸出不同的電壓和電流的給定值。保護電路和輔助電源電路的完成保證了整個充電電路功能的實現(xiàn)。</p&g

3、t;<p>　　最后完成相關(guān)系統(tǒng)軟件的設(shè)計，通過軟件來優(yōu)化充電控制，保證了充電的安全可靠。</p><p>　　關(guān)鍵詞 電動汽車 ZVZCS軟開關(guān) IGBT UCC3895</p><p>　　THE DESIGN OF POWER SUPPLY FOR CHARGING SPEEDLY UP THE EV</p><p><b>　　ABS

4、TRACT</b></p><p>　　This dissertation is devoted to the study of the important issues of control strategies of phase-shifted full-bridge DC concerter,and exploits a set of rechargeable LiFePO4 power sup

5、ply which is applicable to electric vehicles .</p><p>　　The method of charging progress have great impact on the performance and life for batteries,in the study of LiFePO4 bettary charge and discharge princi

6、ple,the three-strategy charging metrod (constant current, constant voltage ,the trickle current ),and the integrated control method (temerature control ,minimum current control ).</p><p>　　We use full- bridg

7、e phase-shifting soft-switching circuit ,and selected IGBT as switching devices , to reduce the switching loss and circuit noise .Design the auxiliary control circuit based on C8051f002 and UCC3895 .Protection circuit ,

8、auxiliary power supply circuit guarantee the completion of the entire charging circuit functions can be achieved .</p><p>　　Finally,the relevant system software design was introduced .Realize the purpose of

9、through software to improve charging control ,ensure the safety of our charging circuit .</p><p>　　KEYWORDS ElectricVehicle Zero-Voltage-Zero-CurrentSwitching IGBT UCC3895</p><p><b>　　目 錄

10、</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　1. 前言1</b></p><p>　　1.1 電動汽車概況1</p><p>　　1.2 新一代鋰動力電池的發(fā)展1<

11、/p><p>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容2</p><p>　　2. 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及設(shè)計方案3</p><p>　　2.1 系統(tǒng)框圖3</p><p>　　2.2 方案的選擇4</p><p>　　3. 主充電電路工作原理5</p><p>　　4. 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計7<

12、;/p><p>　　4.1 調(diào)節(jié)器電路設(shè)計7</p><p>　　4.1.1 模擬PI調(diào)節(jié)器7</p><p>　　4.1.2 充電控制策略8</p><p>　　4.1.3 電壓電流雙調(diào)節(jié)器的設(shè)計8</p><p>　　4.2 脈沖發(fā)生電路及驅(qū)動電路9</p><p>　　4.2.1 移

13、相脈沖生成方法9</p><p>　　4.2.2 UCC3895的應(yīng)用特性和電路設(shè)計10</p><p>　　4.3 驅(qū)動電路設(shè)計12</p><p>　　4.4 檢測電路的設(shè)計13</p><p>　　4.4.1充電器輸出電壓和電池電壓的檢測14</p><p>　　4.4.2 輸出電流的檢測電路15&l

14、t;/p><p>　　4.4.3 溫度采樣及保護電路16</p><p>　　4.5 C8051f002 單片機系統(tǒng)17</p><p>　　4.5.1 C8051f002 8位單片機簡介17</p><p>　　4.5.2 晶振電路的設(shè)計18</p><p>　　4.5.3 復(fù)位電路設(shè)計18</p>

15、<p>　　4.5.4 單片機外圍電路設(shè)計19</p><p>　　4.6 輔助電源電路的設(shè)計20</p><p>　　4.7 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計21</p><p>　　5. 充電器軟件的設(shè)計22</p><p>　　5.1 軟件的設(shè)計思路22</p><p>　　5.2 電壓、電流采集模塊的設(shè)

16、計22</p><p>　　5.3 DAC輸出模塊的設(shè)計22</p><p>　　5.4 系統(tǒng)總體控制軟件的設(shè)計24</p><p><b>　　結(jié) 論25</b></p><p><b>　　致 謝27</b></p><p><b>　　參考文獻

17、28</b></p><p>　　附錄1 源程序清單30</p><p>　　附錄2 主電路和輔助電源電路原理圖34</p><p>　　附錄3 控制電路各部分原理圖35</p><p><b>　　1. 前言</b></p><p>　　1.1 電動汽車概況</p>

18、<p>　　電動汽車是21世紀(jì)清潔、高效和可持續(xù)的交通工具，是一種電力驅(qū)動的道路交通工具。從環(huán)境方面考慮，在城市交通中使用電動汽車可實現(xiàn)零排放或極低排放。即使考慮到給這些電動汽車提供能量的發(fā)電廠的排放，仍能顯著降低全球的空氣污染。</p><p>　　電池是電動汽車的動力源泉，也是一直制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)在，零排放電動汽車的技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，并已開始商品化，一次充電的行程基本能滿足近程交通

19、的要求。大規(guī)模應(yīng)用的主要問題是初始成本高和續(xù)駛里程不理想。</p><p>　　在目前的實際應(yīng)用中，最常用的動力電池為閥控鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。但鉛酸電池比能量低、使用壽命短；鎳氫電池的鎳材料比較稀少，而且存在記憶效應(yīng)；普通的鋰離子電池像錳酸鋰、鈷酸鋰雖說具有比能量大、電動勢高、無記憶效應(yīng)、放電電壓平穩(wěn)、循環(huán)壽命長、安全性好等優(yōu)點，但也存在工作電壓變化大、內(nèi)部阻抗高、不能與其他二次電池互換使用等缺點。&

20、lt;/p><p>　　世界各國從20世紀(jì)80年代開始，掀起了大規(guī)模的開發(fā)電動汽車的高潮。電動汽車的出現(xiàn)，將會大幅度帶動充電電源技術(shù)的發(fā)展。但電動汽車的市場化一直受到一些關(guān)鍵技術(shù)的困擾。目前電動汽車難以得到普及的主要原因之一就是缺乏合理的確保電動汽車電池組安全、高效、用戶友好、牢固的充電技術(shù)。通過開發(fā)快速充電系統(tǒng)，可以實現(xiàn)隨時隨地方便及時地對動力電池進行充電，能夠有效延長電動汽車的續(xù)駛里程，從而能有利于電動汽車的推廣

21、。所以說電動汽車的電池快速安全充電是電動汽車投入市場前，必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，適合電動汽車的充電器勢在必行。</p><p>　　1.2 新一代鋰動力電池的發(fā)展</p><p>　　近幾年，出現(xiàn)了一種新的鋰電池—磷酸鐵鋰電池，給電動汽車的推廣帶來了曙光。磷酸鐵鋰是一種鋰電池的正極材料，也稱為鋰鐵磷電池，特色是不含鈷等貴重元素，原料價格低且磷、鋰、鐵存在于地球的資源含量豐富，不會有供

22、料問題。磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池、鎳氫電池和普通鋰電池相比有很多優(yōu)勢，憑借這些優(yōu)勢，磷酸鐵鋰電池又列入了“十五”期間的“863”國家高科技發(fā)展計劃，成為國家重點支持和鼓勵發(fā)展的項目。優(yōu)勢如下：</p><p>　　1、使用安全，磷酸鐵鋰完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題，不會因過充、溫度過高、短路、撞擊而產(chǎn)生爆炸或燃燒。</p><p>　　2、該電池壽命超長，循環(huán)使用次數(shù)高，在室溫下1

23、C充放電循環(huán)1500次，容量保持率95％上；</p><p>　　3、該電池重量很輕，是鉛酸電池的1／3，鎳氫電池的63％，體積小，商品設(shè)計可輕量化；</p><p>　　4、放電平臺穩(wěn)定，可作大電流高功率充放電高倍率放電特性：10C充放電效率達到96％以上，容量保持率90％以上，可實現(xiàn)10C放電，這是其作為動力電池的最大優(yōu)勢。</p><p>　　磷酸鐵鋰電池憑借

24、其顯著的優(yōu)勢，吸引了國內(nèi)外的很多電池生產(chǎn)商。但由于其主要技術(shù)參數(shù)與錳酸鋰和鈷酸鋰電池具有較大的差別, 因此過去大量生產(chǎn)的鋰離子電池充電控制專用集成電路、厚膜電路和模塊等不能對磷酸鐵鋰電池進行充電,而且磷酸鐵鋰電池支持大電流快速充電，所以必須盡快開發(fā)研制出通用型磷酸鐵鋰動力電池快速充電器，大大縮短電動汽車的充電時間，加速電動汽車的推廣。</p><p>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容</p><

25、p>　　電動汽車電池充電一般采用兩種基本方法：接觸式充電和感應(yīng)耦合式充電。軟開關(guān)技術(shù)是實現(xiàn)高效率的有效措施，是針對硬開關(guān)提出的。硬開關(guān)開關(guān)過程是通過突變中斷功率流完成能量的變換過程。硬開關(guān)開關(guān)過程中，電壓電流均不為零，出現(xiàn)了重疊，因此導(dǎo)致了開關(guān)損耗。而且電壓和電流的變化很快，波形出現(xiàn)了明顯的過沖，這導(dǎo)致了開關(guān)噪聲的產(chǎn)生。而軟開關(guān)過程是通過電感和電容的諧振，使開關(guān)器件中的電流(或兩端電壓)按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，開關(guān)開通前電壓先降為

26、零，或開關(guān)關(guān)斷前電流先降為零，就可以消除開關(guān)過程中的電壓電流的重疊，降低它們的變化率，從而大大減小甚至消除開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。</p><p>　　在該畢業(yè)設(shè)計中，本文設(shè)計了電動汽車用磷酸鐵鋰動力電池的快速充電器。電池輸出電壓144V，容量120AH。采用傳統(tǒng)的接觸式充電方式，控制方式采用三階段充電控制法，采用了以C8051f002為核心的主控制板，以實現(xiàn)充電過程各階段控制及保護等相關(guān)的各項功能。通過對全橋變換器

27、的研究學(xué)習(xí)，該充電器采用了一種具有副邊簡單輔助電路的零電壓零電流開關(guān)移相全橋變換器拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲結(jié)構(gòu)具有輔助電路結(jié)構(gòu)簡單、無耗能元件和有源開關(guān)、副邊整流管電壓應(yīng)力小、整體效率高等優(yōu)點。利用該拓撲研制了36kW零電壓零電流開關(guān)移相全橋變換器工程樣機，其輸入為三相四線制380V／50Hz，最大輸出直流電壓為150V，最大輸出電流為240A。</p><p>　　2. 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及設(shè)計方案</p>

28、<p><b>　　2.1 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　該電動汽車的快速充電器是以C8051F002單片機為控制核心，主要包括整流濾波電路、IGBT功率模塊、高頻變壓器、電壓電流采集電路、單片機控制電路、脈沖發(fā)生電路以及驅(qū)動電路，保護電路等。系統(tǒng)框圖如圖1。</p><p><b>　　圖1 充電系統(tǒng)框圖</b></p&

29、gt;<p>　　充電器電路主要包括主充電電路和單片機控制電路兩部分，整個電路的工作過程為380V的交流電先由EMI濾波，抑制電網(wǎng)的差模干擾和電路內(nèi)部的共模干擾。然后經(jīng)過全橋整流由輸出電容進行濾波，得到約530V左右的直流電。經(jīng)過由4只IGBT構(gòu)成的逆變橋，得到正負脈沖，經(jīng)高頻變壓器耦合到副邊得到高頻交流電，再經(jīng)過輸出整流管整流。最后經(jīng)過大電感和電容濾波后得到穩(wěn)定的直流輸出。</p><p>　　由

30、于采用單片機控制，根據(jù)不同的電池每個階段充電電壓和充電電流都不同。所以使用cygnal公司的C8051F002單片機作為充電過程控制設(shè)備，充電時單片機檢測充電電池的充電電流，充電電壓，電池溫度，防止電路過壓和過流。電池溫度過高，還可以通過檢測電池電壓電流值來決定是否在切換到下一個的充電階段。同時通過單片機的集成AD轉(zhuǎn)換器給出每一階段的充電的電壓值或是電流值，與采樣所得的反饋的電壓電流值相比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器輸出給移相控制芯片UCC389

31、5，通過調(diào)整改變移相角來改變功率管的導(dǎo)通時間，達到在電池不同階段得到不同穩(wěn)定的輸出值的目的。</p><p><b>　　2.2 方案的選擇</b></p><p>　　主電路中的直流全橋變換器可選擇的方案很多，以下進行分析選擇。</p><p>　　方案一：采用典型的ZVS全橋變換器。這種電路可以實現(xiàn)四個管子的零電壓開通和關(guān)斷，這種電路的最大

32、優(yōu)點是它無需額外的諧振回路，不需要額外的元件就可以實現(xiàn)軟開關(guān)，器件應(yīng)力小，這種電路對于MOS管可以明顯的減小開關(guān)損耗。在高電壓和大功率應(yīng)用場合，IGBT將取代MOSFET作為開關(guān)器件。由于IGBT的少數(shù)載流子存貯效應(yīng)，所以在關(guān)斷時存在著拖尾電流，會增大損耗。</p><p>　　方案二：原邊串聯(lián)隔直電容和飽和電抗器的ZVZCS全橋變換器。這種電路中飽和電抗器在正常工作時工作在飽和狀態(tài)，在換相期間可以阻止下半個周期

33、導(dǎo)通時的電流上升。還可以擴大軟開關(guān)的實現(xiàn)范圍。電路在換相期間依靠隔直電容使原邊電流復(fù)位，實現(xiàn)零電流關(guān)斷。缺點是飽和電感的損耗比較大，影響了整個系統(tǒng)的效率。</p><p>　　方案三：采用副邊帶簡單輔助電路的ZVZCS變換電路。該電路使用一個電容和兩個二極管構(gòu)成副邊輔助電路，無需輔助有源開關(guān)器件，輔助電路構(gòu)成簡單，控制方法簡單，能很好的實現(xiàn)主開關(guān)器件的ZVZCS。不包含耗能元件和有源開關(guān)，副邊整流管電壓應(yīng)力小，成

34、本低，而且適合于大功率場合。</p><p>　　方案四：用副邊有源箝位電路實現(xiàn)原邊電流復(fù)位電路。這種電路沒有使用耗能元件，在副邊增加有源箝位開關(guān)S，并通過對有源箝位開關(guān)的適當(dāng)控制，為滯后橋臂創(chuàng)造零電流開關(guān)條件。超前橋臂在零電壓導(dǎo)通與關(guān)斷的過程中，輸出濾波電感參與了諧振過程，而輸出濾波電感通常取值較大，超前橋臂開關(guān)管可以在很大的負載范圍內(nèi)滿足零電壓開關(guān)條件。開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷的死區(qū)時間間隔受原邊電壓最大占空比的限

35、制。此電路的主要缺點是控制上稍微復(fù)雜一些，以及有源箝位開關(guān)采用的是硬開關(guān)，但是有箝位開關(guān)在一個開關(guān)周期中僅工作很短一段時間，對變換器整體效率影響很小。</p><p>　　綜上所述，選用方案三的副邊帶簡單輔助電路的ZVZCS變換電路。</p><p>　　3. 主充電電路工作原理</p><p>　　本論文對多種ZVZCS全橋變換器進行了比較研究，選用了新型帶簡單輔

36、助諧振電路的移相控制ZVZCS全橋變換器。這種變換器只是在變壓器副邊附加由一個小電容和兩個二極管構(gòu)成的輔助諧振電路，不包含耗能元件和有源開關(guān)，副邊整流管電壓應(yīng)力小、整體效率高而且價格便宜等優(yōu)點，在中大功率場合很有發(fā)展前途。</p><p>　　主充電電路基于ZVZCS全橋變換器拓撲結(jié)構(gòu)。該變換器采用了移相控制方式，開關(guān)管Q1和Q3構(gòu)成超前橋臂，Q2和Q4構(gòu)成滯后橋臂，C1和C2為超前臂的外接并聯(lián)電容，Lik為變壓

37、器漏感，起諧振電感的作用。N1， N2分別為變壓器原、副邊繞組匝數(shù)，匝比N1：N2=15:8，箝位電容Cc，二極管Dh，Dc共同構(gòu)成副邊輔助諧振電路。主電路主要的原理圖如圖2。</p><p><b>　　圖2 主電路原理圖</b></p><p>　　首先我們假定所有的開關(guān)管和其他元器件都是理想的，并且輸出濾波電感足夠大，在半個開關(guān)周期內(nèi)可以認(rèn)為是一個恒流源。電路在

38、半個開關(guān)周期內(nèi)一共可分為6個工作過程，具體工作原理如下：</p><p>　　過程1：S1和S4剛同時導(dǎo)通，輔助電路電容Cc與變壓器漏感Lik發(fā)生諧振，通過Dc—Co支路充電，VCc開始升高，半個諧振周期過后，VCc達到最大值，諧振停止。</p><p>　　過程2：半個諧振周期后,Dc關(guān)斷，整流橋輸出電壓恢復(fù)到正常值Vs/k，原邊電流Ip回落到Ip/k，這段時間變換器輸入能量經(jīng)變壓器傳送

39、到負載,是普通的PWM傳能階段。</p><p>　　過程3：傳能階段結(jié)束后，Sl關(guān)斷，原邊電流從Q1支路轉(zhuǎn)移到電容C1，C3支路，電容C1開始充電，C3開始放電，在這一階段內(nèi)，由于輸出濾波電感很大，負載可等效為一恒流源。C1兩端電壓不能突變，Q1實現(xiàn)零電壓關(guān)斷。</p><p>　　過程4：原邊電流開始下降，當(dāng)整流橋輸出電壓下降到Vrec=VCc，Dh導(dǎo)通，Cc向負載提供能量。直到C2放

40、電完畢，反向二極管D3導(dǎo)通，開關(guān)管Q2可以在零電壓下完成導(dǎo)通。Q4續(xù)流，原邊電流迅速下降，負載電流主要由箝位電容Cc提供，ICc迅速上升。</p><p>　　過程5：當(dāng)原邊電流下降到0時，Q4仍在導(dǎo)通，此時Q4可實現(xiàn)零電流關(guān)斷。</p><p>　　過程6：，當(dāng)Cc放電完畢，Dh關(guān)斷，整流二極管開始導(dǎo)通，副邊開始續(xù)流。Q3導(dǎo)通，因為變壓器漏感存在，原邊電流不可能突然上升。Q3的開通為零電

41、流開通。半個開關(guān)周期工作過程結(jié)束，進入下半個周期，其工作過程和前半個周期相同。</p><p>　　由以上分析可知，超前臂IGBT的開通和關(guān)斷是靠IGBT上并聯(lián)電容上的電壓不能突變實現(xiàn)的。滯后臂IGBT的開通是通過漏感上電流不能突變實現(xiàn)ZCS，滯后臂IGBT的關(guān)斷是在關(guān)斷之前，使原邊電流下降為零，實現(xiàn)ZCS。</p><p>　　4. 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計</p><

42、p>　　本設(shè)計控制系統(tǒng)主要包括調(diào)節(jié)器電路，脈沖生成電路，驅(qū)動電路，檢測電路和單片機及其外圍電路。</p><p>　　4.1 調(diào)節(jié)器電路設(shè)計</p><p>　　在經(jīng)典控制理論中，PI控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，它不僅歷史悠久，而且也是生命力最強的控制方式之一。近些年來，盡管控制理論取得了突破性的進展，誕生了許多新的概念和設(shè)計方法。但是，與自適應(yīng)控制、模糊控制等現(xiàn)代控制方法相比

43、PI控制仍被在工程中廣泛應(yīng)用，主要是有以下特點：</p><p>　　(1)PI控制器結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法簡單，不需要太多的驗前知識，十分適用于工程應(yīng)用。</p><p>　　(2)PI控制器是廣大工程技術(shù)人員所熟悉的，便于使用和調(diào)整。</p><p>　　(3)PI控制器的少許改進往往會獲得明顯的效果。</p><p>　　因此，本次設(shè)計的控制系

44、統(tǒng)采用了PI調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)對輸出電壓、輸出電流的無靜差控制。</p><p>　　4.1.1 模擬PI調(diào)節(jié)器</p><p>　　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3。</p><p><b>　　圖3 模擬調(diào)節(jié)器</b></p><p>　　該控制器中比例調(diào)節(jié)器的作用是對于偏差做出瞬間快速反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)

45、生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用使控制量向偏差減小的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)K=R/Rf。只有當(dāng)偏差存在時，比例調(diào)節(jié)器才有控制量輸出，因此對于大部分控制對象，單用比例調(diào)節(jié)器會產(chǎn)生靜態(tài)誤差。積分調(diào)節(jié)器的作用是把偏差累計的結(jié)果，作為它的輸出。在調(diào)節(jié)過程中，只要偏差存在，積分器的輸出就會不斷增大，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。因此它能消除系統(tǒng)輸出的靜差。</p><p&g

46、t;　　4.1.2 充電控制策略</p><p>　　本文設(shè)計的充電器針對一般的電動轎車用磷酸鐵鋰動力電池，電池的端電壓為144V，容量120AH。本設(shè)計采用了三階段充電法—恒流，恒壓，浮充。綜合了恒流充電和恒壓充電的優(yōu)點。三階段充電過程中電壓電流的變化如圖4。</p><p>　　圖4 三階段充電過程</p><p>　　充電開始，我們先檢測電池組的端電壓，對過放

47、電的電池，采用短時間的小恒電流涓流充電，這樣有利于激活電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)。若電池沒過放電，則可以直接進入恒流階段。由于磷酸鐵鋰電池支持快速充電，我們設(shè)定充電電流為I=2C=240A，通過PI調(diào)節(jié)器使輸出為恒定電流，過程中一直檢測電池的端電壓和溫度。當(dāng)端電壓上升到144V時，轉(zhuǎn)入恒壓階段。通過PI調(diào)節(jié)器保持充電器輸出144V，此時電池電流會逐漸降低，過程中一直檢測電池電流。當(dāng)電流下降到C/20時，轉(zhuǎn)到浮充階段。保持輸出電壓為134V，當(dāng)

48、檢測到電池電流為C/100時，停止充電，整個充電過程結(jié)束。</p><p>　　4.1.3 電壓電流雙調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p>　　本充電器采用三階段充電策略，在充電過程中根據(jù)電池的電壓電流值來確定電池該處于何充電階段，而在不同的充電階段需要保持輸出不同的恒定的電壓和電流值。</p><p>　　我們之前學(xué)過很多閉環(huán)控制的相關(guān)知識。閉環(huán)控制就是把反饋值和給定值比

49、較，把比較得出的偏差信息再輸入到控制裝置，以調(diào)整其控制功能，使系統(tǒng)的輸出時刻趨于理想值，使偏差值趨于最小。因此，我們可以對輸出電壓和電流分別進行閉環(huán)控制，控制器采用PI調(diào)節(jié)器，原理圖如圖5。</p><p>　　圖5 充電器電壓電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　當(dāng)前輸出電壓、輸出電流的實際反饋值與經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和濾波得到的給定值進行模擬PI調(diào)節(jié)運算。輸出電壓、輸出電流的兩個PI調(diào)節(jié)器是并聯(lián)結(jié)

50、構(gòu)，兩個PI調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果經(jīng)過CD4053傳輸門取最小值。</p><p>　　在剛開始充電的時候充電電壓達不到U，電壓PI的輸出是飽和輸出。這個階段中只有電流PI起作用。充電電源在電流環(huán)的作用下恒流充電，充電電壓逐漸上升。當(dāng)充電電壓超過U，電壓PI退出飽和狀態(tài)。當(dāng)電壓調(diào)節(jié)器的輸出低于電流調(diào)節(jié)器的時候，最終輸出值取電壓調(diào)節(jié)器的值。這樣就完成了從恒流充電到恒壓充電的自動轉(zhuǎn)換。此后由于電流不斷減小，電流調(diào)節(jié)器始終處

51、于飽和狀態(tài)，只有電壓PI起作用，充電電源在電壓閉環(huán)控制下恒壓充電。當(dāng)微處理器檢測到充電電流小于設(shè)定的停機電流時，轉(zhuǎn)到浮充階段。</p><p>　　4.2 脈沖發(fā)生電路及驅(qū)動電路</p><p>　　4.2.1 移相脈沖生成方法</p><p>　　充電電源采用的零電壓零電流軟開關(guān)全橋變換器拓撲需要進行移相控制。一般產(chǎn)生移相脈沖的方法可以分為兩種：一種是通過微處理器

52、來實現(xiàn)，另一種是使用集成的控制芯片。使用微處理器產(chǎn)生控制脈沖：由于開關(guān)頻率較高，使用微處理器產(chǎn)生脈沖時對處理器的性能要求較高，一般都用DSP來控制。在軟件的實現(xiàn)上，對程序的實時性要求很高，程序的編寫難度較大。但是使用微處理器直接產(chǎn)生脈沖有它的優(yōu)勢：首先它成本低，節(jié)省了一塊集成控制芯片及其外圍電路；其次控制板的通用性好，通過軟件修改可以很方便的把控制方式由移相控制改為脈寬控制等其他控制方法。</p><p>　　使

53、用集成控制芯片產(chǎn)生控制脈沖：這種方式幾乎可以不需要處理器的參與而獨立工作，降低了處理器的負擔(dān)。所產(chǎn)生的移相脈沖的頻率，死區(qū)時間，等參數(shù)均可以通過外圍電路配置。如UCC3895的頻率最高可以達到1MHz，完全可以滿足一般應(yīng)用的需要。它只需要0—3.6V的電壓信號，就可產(chǎn)生與之對應(yīng)的移相信號。它是純硬件的方法產(chǎn)生的脈沖，響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定可靠。</p><p>　　在工程應(yīng)用中可靠性是我們需要首要考慮的問題。集成控

54、制器在這一點上有明顯的優(yōu)勢。它是成熟的工業(yè)產(chǎn)品，已經(jīng)在市場上經(jīng)過了多年的檢驗。該充電電源在今后的應(yīng)用中需要與監(jiān)控系統(tǒng)，電動汽車，電表等通過CAN總線和485總線進行通訊，處理器的負擔(dān)已經(jīng)很重。集成控制器不依賴于處理器，降低了程序開發(fā)和后期程序改進的難度。綜合以上考慮，該充電電源使用了一片UCC3895來產(chǎn)生移相脈沖。UCC3895是Unitrode公司生產(chǎn)的又一種高性能PWM移相型控制器。它除了具有UC3875的功能外。最大的改進是增加

55、了自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置，以適應(yīng)負載變化時不同的準(zhǔn)諧振軟開關(guān)要求。另外還新增加了PWM軟關(guān)斷能力UCC3895有可編程輸出開通延時和自適應(yīng)延時設(shè)置，既可用于電流模式，又可用于電壓模式?？蓪崿F(xiàn)輸出脈沖占空比從0％到100％相移控制；內(nèi)置7MHz帶寬的誤差比較放大器，最高工作頻率達1MHz等。由于應(yīng)用電路比較簡單方便，且采用了BCDMOS工藝，使得它的功耗更小，工作頻率更高，更加符合電力電子裝置高效率、高頻率、高可靠的發(fā)展要求。</p>

56、<p>　　4.2.2 UCC3895的應(yīng)用特性和電路設(shè)計</p><p>　　脈沖產(chǎn)生電路原理圖如圖6，圖中ADS引腳是該控制芯片新增的控制管腳．其功能是設(shè)置輸出延時死區(qū)最大值與最小值之比。</p><p>　　圖6 UCC3895的應(yīng)用電路</p><p>　　ADS引腳可通過式1所列關(guān)系改變DELAB和DELCD腳上的電壓，從而改變輸出延時。&l

57、t;/p><p>　　VDEL=0.75×（VCS一VADS）+0.5V （1）</p><p>　　這里我們采用固定死區(qū)時間的電壓控制方式，所以CS和ADS引腳接地。VDEL=0.5V。芯片的RAMP引腳可以工作在電壓或平均電流控制模式下，我們這里采用的是電壓控制模式，該引腳接振蕩器輸出CT。在峰值電流模式下RAMP可以接電流信號。引腳帶有內(nèi)部放電晶體管。該晶體管在

58、振蕩器死區(qū)時間內(nèi)被觸發(fā)。同步振蕩器的工作頻率由定時電容CT和定時電阻RT決定。電容CT在由RT控制的電流8IRT的積分作用下產(chǎn)生一個鋸齒波。由式2可近似得到振蕩周期。</p><p>　　TOSC=5RTxCT／48+120ns（2）</p><p>　　DELAB和DELCD引腳是用來控制死區(qū)時間的。同一橋臂上的兩個管子的死區(qū)延時可由下式3確定。</p><p>

59、;　　Tdelay=25x10-12xRDEL/VDEL+25ns（3）</p><p>　　EAN、EAP是差分放大器的反向輸入端和同向輸入端。UCC3895正是根據(jù)這個差分放大器的輸出來確定移相角的。我們把EAN接地，EAP接PI調(diào)節(jié)器的輸出端。EAOUT引腳是差分放大器的輸出端。SS／DISB引腳是一個很重要的引腳，它是控制軟啟動和封鎖脈沖的引腳。當(dāng)它的電壓低于0.5V的時候，芯片會立刻封鎖脈沖，所有的脈

60、沖輸出引腳全部為低電平。當(dāng)SS／DISB高于0.5V的時候，它的電壓會箝位差分放大器的輸出，可以起到軟啟動的作用。</p><p>　　如圖6所示，在SS／DISB引腳與地之間接了一只電解電容C23，一只三極管S3和一只電阻R29與這個電容并聯(lián)。SS／DISB與內(nèi)部的恒流源相接，恒流源的輸出電流為IRT。當(dāng)停機的時候，三極管導(dǎo)通，SS／DISB的電壓為0V。這時，各脈沖輸出引腳為低電平狀態(tài)。當(dāng)充電電源啟動的時候，

61、處理器給出一個啟動信號。保護電路在沒有其他故障信號的情況下會給出一個低電平到三極管的基極，三極管關(guān)斷。芯片內(nèi)部的恒流源開始以電流IRT給電容C23充電，SS／DISB的電壓緩慢上升，實現(xiàn)UCC3895的軟啟動。</p><p>　　充電器發(fā)生故障的時候，保護電路會輸出一個高電平到S3基極，三極管導(dǎo)通，通過R29給電容C23放電，移相角隨之減小，當(dāng)引腳電壓低于0.5V的時候，封鎖脈沖。為了在發(fā)生故障的時候快速的停機

62、，我們在這里使用的電阻R29阻值很小，目的是能迅速把電容上的電放完。</p><p>　　4.3 驅(qū)動電路設(shè)計</p><p>　　在電力電子系統(tǒng)中，設(shè)計IGBT的驅(qū)動電路和保護電路是應(yīng)用的關(guān)鍵。IGBT柵極驅(qū)動電路應(yīng)具備如下基本功能：</p><p>　　（1）提供足夠的柵極電壓來開通IGBT并在開通期間保持這個電壓；在最初開通階段，提供足夠的柵極驅(qū)動電流來減少開

63、通損耗和保證IGBT的開通速度。</p><p>　?。?）在最初開通階段，提供足夠的柵極驅(qū)動電流來減少開通損耗和保證IGBT的開通速度。</p><p>　?。?）在關(guān)斷期間，提供一個反向偏置電壓來提高IGBT抗暫態(tài)dv/dt的能力和抗EMI噪聲的能力并減少關(guān)斷損耗。</p><p>　?。?）在IGBT功率電路和控制電路之間提供電氣隔離。對IGBT逆變器，一般要

64、求的電氣隔離為2500V以上。</p><p>　?。?）在短路故障發(fā)生時，驅(qū)動電路會通過合理的柵極電壓動作進行IGBT保護，并發(fā)出故障信號到控制系統(tǒng)。</p><p>　　開關(guān)電源中常用的IGBT驅(qū)動方式有隔離變壓器驅(qū)動方式和專用驅(qū)動芯片驅(qū)動方式。專用驅(qū)動芯片因為電路連接簡單，可靠性高，有著廣泛的應(yīng)用。在本系統(tǒng)中使用的驅(qū)動芯片是IR2110。</p><p>　　

65、IR2110是IR公司的橋式驅(qū)動集成芯片，它采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，同時提高了電路的可靠性。IR2110采用了CMOS制造工藝，邏輯電源電壓的輸入范圍為5到20伏，可適用于TTL或是CMOS電路，具有獨立的高端和低端2個輸出通道。其內(nèi)部功能圖如圖7。</p><p>　　圖7 IR2110內(nèi)部功能圖</p><p>　　引腳1和7是兩路獨立的輸出，分

66、別是LO(低端輸出)HO(高端輸出)，引腳3和6分別是VCC(低端電源電壓)和VB(高端浮置電源電壓)，引腳9(VDD)是邏輯電路電源電壓，引腳2(COM)是低端電源公共端，引腳5和13分別是VS(高端浮置電源公共端)VSS(邏輯電路接地端)，引腳10(HIN) 是邏輯輸入控制端，引腳11(SD)是輸入關(guān)閉端，引腳12(LIN)是低端邏輯輸入端。</p><p>　　IR2110浮置電源采用自舉電路，其高端工作電

67、壓可達500V，工作頻率達500kHz，兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。在本系統(tǒng)中共使用了兩只IR2110芯片，每只IR2110都接收來自移相控制芯片UCC3895的控制信號，其輸出端輸出兩路信號對同一橋臂兩只功率管的開通和關(guān)斷進行控制，驅(qū)動電路的連接圖見圖8。</p><p>　　圖8 驅(qū)動電路原理圖</p><p>　　C24和C27為自舉電容，它的使用可以保證下橋臂的迅速關(guān)閉，上橋臂

68、導(dǎo)通時，管子的柵極依靠C24和C27的儲能來驅(qū)動。D10的使用是為了防止上橋臂導(dǎo)通時高電壓竄入到VCC端。IR2110的開通延遲時間比關(guān)斷延遲時間要長，這保證了上下兩只功率管不會同時導(dǎo)通，為了更加安全可以加上二級管D9和D10。Rg1，Rg2，Rg3，Rg4是限流電阻，防止電路中流過的電流太大，阻值一般都比較小，這里取20歐姆。</p><p>　　4.4 檢測電路的設(shè)計</p><p>

69、　　要保證系統(tǒng)正常安全的工作，監(jiān)測和保護措施必不可少的，一方面單片機根據(jù)相關(guān)電路采集到的數(shù)據(jù)來判斷系統(tǒng)所處的工作階段，對預(yù)設(shè)的參考電壓和參考電流值進行輸出，一方面判斷這些參數(shù)是否正常，如果不正常，則動作采取保護措施甚至是暫時關(guān)掉系統(tǒng)，直到異常結(jié)束后再重新啟動，繼續(xù)工作。工作時系統(tǒng)要監(jiān)測的參數(shù)主要包括充電電壓，充電電流和充電時電池的溫度等等，以實現(xiàn)對輸出電壓和電流的控制及對電路的保護。本設(shè)計的檢測電路主要以采集充電器的輸出電壓，輸出電流，

70、電池的端電壓和溫度：(1)輸出電壓，采集輸出電壓是為了生成調(diào)節(jié)器的反饋信號和輸出過壓保護信號；(2)輸出電流，輸出電流生成調(diào)節(jié)器的電流反饋信號；（3）電池電壓，為了確定電池充電處于哪個階段；（4）電池溫度，一旦溫度過高，單片機會輸出信號封鎖UCC3895的PWM輸出。為了做到主電路與控制電路之間的電氣隔離，這里檢測電壓、電流分別使用了霍爾電壓傳感器和電流傳感器，溫度檢測用鉑熱電阻。</p><p>　　4.4.1

71、充電器輸出電壓和電池電壓的檢測</p><p>　　電池電壓的檢測為了確定電池充電處于何階段，而充電器輸出電壓的檢測是為了和給定值比較，輸出設(shè)定的恒定電壓值。兩者的檢測電路完全一樣，但是兩者的檢測點有所不同。前者的測量點在輸出濾波電容兩端（AC兩點），而后者的測量點緊貼電池的兩端（BC兩點）。</p><p>　　設(shè)計的充電器采用使用了南京中旭HNV025A型霍爾電壓傳感器。它是利用霍爾磁

72、平衡原理的傳感器，能夠測量直流、交流以及各種波形的電壓，并且在電氣上是高度絕緣的。它的主要參數(shù)有：電源電壓±15V(±5％)，額定輸入電流±10mA，次級額定電流±25mA，響應(yīng)時間<40ps，絕緣電壓2.5kV／50Hz／lmin 。</p><p>　　這種電壓傳感器使用非常方便，只需要在電壓傳感器的原邊按照額定輸入電流選取合適的采樣電阻，就把被測的電壓信號轉(zhuǎn)換成

73、了電流信號。傳感器的次級使用一只小電阻，再把電流信號轉(zhuǎn)換成小電壓信號供控制電路使用。整個采樣電路的原理圖如圖9。</p><p>　　圖9 電池電壓采集電路</p><p>　　我們以直流母線電壓150V來計算采樣電阻，電壓傳感器的額定輸入電流Iin=10mA，所以我們可以計算需要的采樣電阻的阻值R3=15K。傳感器的次級輸出側(cè)有一只200歐的小電阻將電流信號再轉(zhuǎn)換成電壓信號，額定輸出25

74、mA將得到5V的電壓信號。LM258在15V供電的時候最大輸出能到13.5V。運算放大器LM258當(dāng)作電壓跟隨器使用，輸出電壓與輸入電壓同相，它可以提高帶負載能力，提高輸出功率。利用其輸入阻抗高、輸出阻抗低的特性作為緩沖電路。電壓信號從電壓跟隨器輸出之后再經(jīng)過一個濾波環(huán)節(jié)送到后面的電路。被測電壓與采樣電路輸出的電壓信號之間的關(guān)系為600V：5V。電池電壓的檢測電路與輸出電壓檢測電路完全一樣，這里就把輸出電壓的采集電路省略了。</p

75、><p>　　4.4.2 輸出電流的檢測電路</p><p>　　對于電流參數(shù)的采集，比較常用的方法有幾種比如采樣電阻采樣，電流互感器采樣。因為輸出電流比較大，使用采樣電阻損耗將比較大，可以使用電流互感器來采集電流參數(shù)。本充電器選用了南京中旭的HNC300US系列霍爾電流傳感器，它是利用霍爾原理的電流傳感器。能在電隔離的條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流。這種電流傳感器具有良好

76、的線性精度，抗干擾能力強，頻帶寬等優(yōu)點。主要參數(shù)如下：電源電壓±15V(±5％)，額定輸入電流300AC／DC，次級額定電流150mA，響應(yīng)時間<1us, 緣電壓6kV／50Hz／lmin。</p><p>　　該電流傳感器的使用非常簡單，只需將輸出電流從傳感器穿芯孔中穿入，即可從輸出端子得到與被測電流對應(yīng)的電流。然后把這個電流信號送回控制板，經(jīng)過與下圖電路處理。電流信號的調(diào)理電路與電壓

77、信號的調(diào)理電路基本相同，只是采樣電阻不同。輸出電流的檢測電路如圖10。</p><p>　　圖10 電池電流采集電路</p><p>　　我們以輸出電流300A來設(shè)計，電流傳感器的額定輸出電流為150mA。R6為100歐，在經(jīng)過R7和R8分壓，得到5V的電壓。把運算放大器LM258當(dāng)作電壓跟隨器使用，輸出電壓與輸入電壓同相，它可以提高帶負載能力，提高輸出功率。之后再經(jīng)過一個濾波環(huán)節(jié)送到后面

78、的電路。被測電流與采樣電路輸出的電壓信號之間的關(guān)系為300A：5V。</p><p>　　4.4.3 溫度采樣及保護電路</p><p>　　充電電源是一個上百種元件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，在長時間惡劣的工業(yè)現(xiàn)場使用過程中有可能出現(xiàn)故障。任何一個產(chǎn)品只可能降低故障發(fā)生的概率，而不可能完全避免故障。但發(fā)生故障的時候如果沒有及時采取保護措施，就會危害到充電電源的運行安全，嚴(yán)重的還會造成生命財產(chǎn)損失。所

79、以對于中大功率的電力電子設(shè)備，必須設(shè)計完善的保護電路。由于筆者的學(xué)識有限，本設(shè)計中僅用了溫度保護電路和輸出電壓保護等。</p><p>　　溫度是影響電源設(shè)備可靠性的重要因數(shù)。據(jù)相關(guān)資料表明：電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10％，溫升50℃是工作壽命只有溫升25℃時的1／6，故為了避免由于溫度過高造成功率器件的損壞，需在電路中設(shè)置過熱保護電路。本文采用鉑熱電阻PTl00，對溫度進行檢測。PTl00是一種穩(wěn)定

80、度和線性度較好的鉑絲熱電阻傳感器，可工作在-200℃至650℃的范圍。本電路限制其工作范圍為0℃至80℃，查廠家的數(shù)據(jù)手冊可知，在O℃時的電阻值為100歐，80℃的電阻值為130．9歐。因為PTl00是隨溫度變化而電阻變換的，需將阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓變換，故本文設(shè)計了一個由鉑熱電阻、運算放大器和鏡像恒流源組成的電路，來實現(xiàn)溫度對電壓的轉(zhuǎn)換。溫度采集及保護電路如圖11。</p><p>　　圖11 溫度采集和保護電路

81、</p><p>　　鏡像恒流源產(chǎn)生穩(wěn)定電流25mA為PTl00供電，將電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號經(jīng)RC濾波和設(shè)定值比較后送入單片機的P0.3口，保護電路部分將80℃時的電壓值作為基準(zhǔn)。當(dāng)超過此基準(zhǔn)電壓時，比較器產(chǎn)生高電平，單片機檢測到高電平，便在P0.7口輸出高電平，即發(fā)出一個T—SHOT信號到UCC3895，從而控制UCC3895封鎖/允許輸出脈沖，實現(xiàn)故障時控制器快速關(guān)斷PWM輸出。當(dāng)溫度重新降下來時，P0.7

82、口仍然輸出低電平，三極管S3關(guān)斷。芯片內(nèi)部的恒流源開始以電流IRT給電容C23充電，SS／DISB的電壓緩慢上升。差分放大器的輸出電壓在SS／DISB的箝位作用下也緩慢上升，移相角度逐漸加大，所以充電電源的輸出電壓逐漸升高，實現(xiàn)了充電電源的軟啟動。</p><p>　　4.5 C8051f002 單片機系統(tǒng)</p><p>　　4.5.1 C8051f002 8位單片機簡介</p&g

83、t;<p>　　控制系統(tǒng)的單片機選用Cygnal集成產(chǎn)品公司推出的C8051f002。首先，我們了解下C8051F系列單片機。C8051F單片機是完全集成混合信號系統(tǒng)級芯片（SoC），具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS－51指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803×805X匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功

84、能部件。這些外設(shè)或功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBUS、12C、UART、SPI、定時器、可編程計數(shù)器、定時器陣列(PCA) 、數(shù)字I/O端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時器(WDT)和時鐘振蕩器等。所有器件都有內(nèi)置的FLASH程序存儲器和256字節(jié)的內(nèi)部RAM，有些器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲器空間的RAM，即XRAM。</p><p>　　C80

85、51f002完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，工作電壓2.7V—3.6V， 具有8個數(shù)字I/O 引腳，下面列出了一些主要特性：</p><p>　　1、高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051 兼容的CIP-51 內(nèi)核（可達25MIPS）， 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；</p><p>　　2、真正12 位100 ksps 的8 通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)和真正8 位500 ksp

86、s 的ADC，帶PGA 和8 通道模擬多路開關(guān)；</p><p>　　3、兩個12 位DAC和兩個電壓比較器，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；</p><p>　　4、具有5 個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列；</p><p>　　5、片內(nèi)看門狗定時器、VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器；</p><p>　　6、硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/ I

87、2C 和兩個UART 串行接口；</p><p>　　7、32K 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH 存儲器；</p><p>　　8、可尋址64K 字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口；</p><p>　　9、有256字節(jié)的片內(nèi)RAM，運行速度可達20 MIPS；</p><p>　　10、5 個通用的16 位定時器；</p><

88、;p>　　C8051f002單片機所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH 存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051 固件。片內(nèi)JTAG 調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU 進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG 調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行

89、。 </p><p>　　4.5.2 晶振電路的設(shè)計</p><p>　　晶振電路是單片機工作的基礎(chǔ)，同時它也是產(chǎn)生電磁輻射的主要來源，其性能好壞直接影響到系統(tǒng)能否正常運行，所以時鐘電路在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中占有至關(guān)重要。</p><p>　　每個單片機都有一個內(nèi)部振蕩器和一個外部振蕩器驅(qū)動電路。單片機復(fù)位后從內(nèi)部振蕩器啟動。內(nèi)部振蕩器的啟動是瞬間完成的，它可以被允許或禁

90、止。其振蕩頻率可以用內(nèi)部振蕩器控制寄存器OSCICN來改變。外部振蕩器需要一個外部諧振器（并行方式的晶體）連接到XTAL1/ XTAL2引腳。必須在OSCXCN為這些振蕩源寄存器中某一配置振蕩器電路一個外部CMOS時鐘也可以通過驅(qū)動XTAL1引腳提供系統(tǒng)時鐘。XTAL1/ XTAL2引腳的耐壓值是3.6V，而不是5V。即使在單片機已經(jīng)切換到內(nèi)部振蕩器時，外部振蕩器仍能保持允許狀態(tài)運行。</p><p>　　C80

91、51f002支持四種不同的外部振蕩器配置，這里我們選用外部晶體配置。主時鐘可以通過一個晶體并接在XTAL1和XTAL2而得到。這種配置需將XOSCMD設(shè)置為“110”以直接使用晶體頻率，或設(shè)置為“111”以使能二分頻，并且要根據(jù)晶體頻率等效負載電容和晶體的等效串聯(lián)電阻ESR來設(shè)置XFCN。應(yīng)查詢OSCXCN中的XTLVLD（晶體振蕩器有效位），或用該位產(chǎn)生中斷，判斷晶體振蕩器頻率是否穩(wěn)定。一旦XTLVLD變?yōu)楦唠娖剑梢园袰LKSL位置

92、1，以使用外部振蕩器作為系統(tǒng)時鐘。</p><p>　　另外晶體振蕩器電路對PCB布局非常敏感，將晶體盡可能地靠近器件的XTAL引腳，布線應(yīng)盡量短，并用地平面屏蔽，以防止其他引線引入噪聲或干擾。</p><p>　　4.5.3 復(fù)位電路設(shè)計</p><p>　　單片機的復(fù)位電路可以很容易地將控制器處于預(yù)定的缺省狀態(tài)。在進入復(fù)位狀態(tài)時CIP-51停止執(zhí)行程序，將外部端

93、口引腳置于已知狀態(tài)，將SFR初始化為缺省值，并禁止中斷定時器。在退出復(fù)位狀態(tài)時，程序計數(shù)器將復(fù)位，程序從ox0000開始執(zhí)行。</p><p>　　所有的SFR都將初始化為預(yù)定值。在復(fù)位期間，內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容不改變，復(fù)位前存儲的數(shù)據(jù)保持不變，但由于堆棧指針SFR被復(fù)位，堆棧實際上已經(jīng)丟失，盡管堆棧中的數(shù)據(jù)沒發(fā)生變化。IO口鎖存器的復(fù)位值為oxFF。內(nèi)部的弱上拉有效，使外部IO引腳處于高電平狀態(tài)。如果復(fù)位源是V

94、DD監(jiān)視器，或是一個向PORSF寫1的操作，則/RST引腳被驅(qū)動為低電平，直到VDD復(fù)位超時時間結(jié)束。</p><p>　　系統(tǒng)在運行過程中為了防止程序進入死循環(huán)，影響充電電源安全，需要設(shè)計復(fù)位電路來保證系統(tǒng)運行的可靠性。本設(shè)計的復(fù)位電路包括上電復(fù)位和手動復(fù)位兩部分。上電復(fù)位是單片機一上電便對片內(nèi)的寄存器和IO口初始化，方便執(zhí)行新的程序；手動按鍵復(fù)位用于由于單片機受到外部干擾或出現(xiàn)當(dāng)程序工作異常時，手動復(fù)位單片機

95、。</p><p>　　4.5.4 單片機外圍電路設(shè)計</p><p>　　單片機的外圍電路如圖12。</p><p>　　圖12 單片機外圍電路圖</p><p>　　單片機在充電器工作過程中主要起幾個作用，包括對檢測到的電流值，電壓值，電池溫度等進行采集和變換，通過得到的數(shù)據(jù)判斷電池的狀態(tài)，同時根據(jù)讀到的充電前人工設(shè)置電流和電壓值來決定輸

96、出電流或是電壓的參考值，多臺充電器聯(lián)機充電時負責(zé)和上一級的管理單位的聯(lián)絡(luò)和通信。因此需要用到單片機的ADC模塊，PWM模塊，用于多機通信用的串口，一定數(shù)量的輸入輸出口。C8051f002有8通道的12位ADC模塊和8通道的8位ADC模塊。2個12位分辨率的DAC模塊以及PWM模塊以及串口，系統(tǒng)資源完全可以滿足使用時的需要，而且由于C8051f002單片機可以在線編程，所以程序的調(diào)試可以通過直接燒寫后根據(jù)工作現(xiàn)象再結(jié)合串口調(diào)試工具來進行系

97、統(tǒng)調(diào)試，從而使系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)濟方便。</p><p>　　本設(shè)計中單片機內(nèi)部集成的12位ADC模塊的AIN0，AIN1兩通道分別對經(jīng)過檢測電路的電池端電壓VF0，充電器的輸出電流IFB進行轉(zhuǎn)換，存入單片機的寄存器中，同時采集輸出電壓VF1來作為反饋值。DAC0和DAC1分別輸出充電器輸出電壓Vref和電流的給定值Iref，和反饋電壓、電流值比較，到PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。P0.3口用于接收電池的過熱信號。電池溫度超過80℃時

98、，P0.3接收到高電平，則P0.7口輸出T-SHUT 高電平信號，從而封鎖UCC3895的脈沖輸出。</p><p>　　4.6 輔助電源電路的設(shè)計</p><p>　　系統(tǒng)要正常運行，電子元件工作時需要外電源對它們進行供電，本系統(tǒng)中需要的供電電源規(guī)格如下：</p><p>　　控制電路中的邏輯芯片需要+5V工作電源,單片機需要+3.3V工作電源；</p>

99、;<p>　　比較器，移相控制芯片UCC3895， IR2110，電流傳感器，電壓傳感器需要+15V的工作電源；</p><p>　　需要說明的是比較器，電流傳感器，電壓傳感器都是可以工作在正負電源供電的情況下的，只是在本系統(tǒng)的應(yīng)用中，因為設(shè)計的需要對電路進行了處理和簡化，而移相控制芯片UCC3895，IR2110的工作電壓則是一個電壓范圍，在這里也作了處理，統(tǒng)一設(shè)計為+15V供電。</p&g

100、t;<p>　　以上電源統(tǒng)稱為輔助電源，在對電源功率沒有很大要求時可以采用線性電源供電，當(dāng)然也可以采用開關(guān)電源作為輔助電源，在本系統(tǒng)中采用線性電源作為供電電源。具體連接圖見圖13。</p><p>　　圖13 輔助電源電路</p><p>　　A相，B相或C相任意一相和中線配合構(gòu)成220V交流電。220V交流電經(jīng)過變壓器T2后得到電壓大約為12V的交流電經(jīng)過整流橋，C10，C

101、6的整流濾波后得到大約17V的直流電，經(jīng)過三端穩(wěn)壓器件U2 7815后得到15V的直流輸出，7815的最大輸出電流為1.5A，輸出功率可以滿足各路元件的需求，15伏的直流輸出通過U2 7805得到5V的直流輸出，為部分電壓要求為5V的元件提供工作電壓。5V的直流輸出再通過精密電阻分壓得到3.3V的電壓給單片機供電和提供基準(zhǔn)電壓。其中整流橋上四個0.01uF的電容是為了防止二極管上出現(xiàn)諧波疊加，損害管子。</p><p

102、>　　4.7 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計</p><p>　　硬件抗干擾效率高，若硬件措施得當(dāng)，可以將絕大多數(shù)干擾拒之門外。硬件抗干擾技術(shù)主要有以下幾種：</p><p>　　(1)電氣隔離。在輸入輸出通道上通過電磁隔離器件傳輸信息可將單片機系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機構(gòu)從電氣上隔離開來，阻擋很大一部分干擾。</p><p>　　(2)硬件濾波。RC低通濾波器可以大大

103、減弱各類高頻干擾信號(如各類“毛刺”干擾)。</p><p>　　(3)良好的接地。有兩種接地：一種是為人身或設(shè)備安全目的，把設(shè)備的外殼接地，這種接地叫外殼接地或安全接地；另一種是為電路工作提供一個公共的電位參考點，這種接地稱為工作接地。兩種接地系統(tǒng)都要設(shè)計合理，同時，系統(tǒng)的數(shù)字地與模擬地要分開。</p><p>　　(4)屏蔽。高頻電源、交流電源、強電設(shè)備、電弧產(chǎn)生的電火花，甚至雷電，都

104、能產(chǎn)生電磁波，從而成為電磁干擾的噪聲源。用金屬外殼將器件包圍起來，再將金屬外殼接地，其對屏蔽各種通過電磁感應(yīng)引起的干擾非常有效。</p><p>　　5. 充電器軟件的設(shè)計</p><p>　　5.1 軟件的設(shè)計思路</p><p>　　充電器的控制軟件是充電器的靈魂。它擔(dān)負著充電電源各元器件工作順序控制，啟動停機控制，輸出設(shè)定，檢測信號AD采集，保護電路等多項任務(wù)

105、。</p><p>　　本設(shè)計的整個系統(tǒng)充電過程的管理主要靠單片機控制來實現(xiàn)，在控制過程中主要需要解決以下問題：</p><p>　　開始充電前，單片機根據(jù)得到的設(shè)置面板設(shè)置好的充電參數(shù)，對電池進行檢測，判斷電池的新舊，選擇合適的充電方法，檢測電池充電前所處的狀態(tài)，是否存在過放電，如果有則對電池進行補足充電，沒有就轉(zhuǎn)入正常的充電過程中。</p><p>　　根據(jù)充電

106、狀態(tài)適時轉(zhuǎn)變充電階段。各個主要充電階段保持某一個或幾個參數(shù)不變，不同充電階段都需要一定時間來實現(xiàn)，要適時轉(zhuǎn)變充電階段。這一過程可以通過不斷采樣磷酸鐵鋰電池端電壓，在電池達到預(yù)定的停充電壓或是電流時，停止這一階段的充電，并調(diào)整系統(tǒng)進入下一階段的充電過程。</p><p>　　在充電過程中主要有溫度，電壓，電流三個主要參數(shù)要需要不停的檢測?？刂扑惴ㄔO(shè)計完成后，將軟件固化到單片機的EEPROM中。軟件實現(xiàn)的過程是根據(jù)采