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微機(jī)控制的大功率充電電源的研制
摘要：介紹了微機(jī)控制的大功率充電電源，它采用PC/104工控機(jī)作為核心，全橋變換器拓?fù)潆娐纷鳛橹麟娐�，能夠�(qū)Χ喾N動(dòng)力電源以多種充電方式進(jìn)行充電。經(jīng)大量的實(shí)際應(yīng)用證明，設(shè)備性能穩(wěn)定、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)，解決了動(dòng)力電池充電技術(shù)的難題，有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：充電電源 PC/104工控機(jī) 全橋變換器 動(dòng)力電池
對(duì)電動(dòng)汽車(chē)能源的動(dòng)力電池及其充電技術(shù)的研究，往往需要針對(duì)不同種類(lèi)的動(dòng)力電池進(jìn)行多種充電方式的充電試驗(yàn)。這就要求研制的充電電源不僅能對(duì)不同種類(lèi)的動(dòng)力電池進(jìn)行充電，而且要能夠進(jìn)行多種充電方式的充電。而目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上銷(xiāo)售的充電電源，無(wú)論是常規(guī)充電電源還是智能化充電電源，都往往是針對(duì)某一類(lèi)動(dòng)力電池的，并且只能采用單一充電方式進(jìn)行充電。因此為了進(jìn)行動(dòng)力電池充電技術(shù)的相關(guān)研究，往往需要購(gòu)買(mǎi)多臺(tái)充電電源或自行研制相應(yīng)的充電電源。前者需要大量的資金和寬闊的試驗(yàn)場(chǎng)地，而后者需要較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)和較長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期。本課題研制了微機(jī)控制的大功率充電電源。
圖1
該電源采用PC104工業(yè)計(jì)算機(jī)作為控制核心，選取全橋變換器拓?fù)潆娐纷鳛橹麟娐�，通過(guò)控制主電路在不同時(shí)刻的輸出電流和輸出電壓，可以實(shí)現(xiàn)多種充電方式充電；通過(guò)預(yù)置不同的參數(shù)，可以對(duì)多種動(dòng)力電池進(jìn)行充電；通過(guò)結(jié)合液晶顯示屏和手控盒，可以方便地實(shí)現(xiàn)充電方式和充電參數(shù)的預(yù)置及各采樣數(shù)據(jù)(電池端電壓、充電電流、電池表面溫度等)的顯示。
1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 主電路設(shè)計(jì)
充電電源的主電路采用目前技術(shù)上比較成熟的全橋變換拓?fù)潆娐�，其原理圖如圖1所示。三相380V交流電壓經(jīng)三相整流橋整流、電容濾波后得到約514V的直流電壓，經(jīng)全橋逆變電路變換后得到高頻脈沖電壓，再經(jīng)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(guī)的PWM控制方式。功率開(kāi)關(guān)器件采用新型的復(fù)合器件--絕緣柵雙極晶體管IGBT，它集MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有輸入阻抗高、電壓型驅(qū)動(dòng)控制、開(kāi)關(guān)損耗小、飽和電壓低、通斷速度快、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是大功率全橋變換器的首選功率開(kāi)關(guān)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(fù)二極管，利于減小整流管反向恢復(fù)時(shí)間對(duì)輸出電壓的影響。
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1．2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
充電電源主要由主電路和控制系統(tǒng)組成�？刂葡到y(tǒng)以PC／104嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)為核心，配以接口電路、采樣電路、PWM控制電路及IGBT驅(qū)動(dòng)電路等，可按照預(yù)置自動(dòng)控制充電過(guò)程，并在充電過(guò)程中進(jìn)行充電數(shù)據(jù)(包括電池端電壓、充電電流及電池表面溫度等)的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)顯示、批量存儲(chǔ)及分析處理等。控制系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。
1．2．1 PC／104嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)
控制系統(tǒng)之所以采用PC／104嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)，主要是考慮到PC／104嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)具有以下幾方面的顯著特點(diǎn)：(1)小型化。PC／104采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，單個(gè)模塊的體積為90mm×96mm×l5mm。若一個(gè)PC／104系統(tǒng)采用三個(gè)模塊，在90mm×96mm×45mm的小空間內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)臺(tái)式工控機(jī)的全部功能；(2)低助耗。絕大多數(shù)模塊采用+5V電源，芯片采用CMOS芯片，功耗特別低，只有1~2W，無(wú)需外加散熱裝置；(3)PC／104在軟、硬件上與標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)上。CPU模塊提供PC機(jī)的不同檔次的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，便于進(jìn)行更新和升級(jí)；(4)外圍模塊齊全，提供顯示控制、磁盤(pán)控制、通訊控制、數(shù)據(jù)采集控制等各種功能的產(chǎn)品；(5)采用一種緊湊的層疊棧接結(jié)構(gòu)，各模塊間通過(guò)加固的64針和40針的直立式連接器連接，并用四個(gè)金屬托架支撐，更加堅(jiān)固牢靠。本系統(tǒng)中采用了深圳盛博科技有限公司生產(chǎn)的PC／104總線(xiàn)SCM／Super Dx嵌入式CPU模塊，其內(nèi)包含了Intel 80486 CPU(100MHz)、16M在板內(nèi)存、1個(gè)與PC／AT兼容的雙向并行口、兩個(gè)RS232串行口、7個(gè)DMA、14個(gè)中斷、三個(gè)計(jì)數(shù)器、一個(gè)PC／AT鍵盤(pán)接口等。此外，為了消除頻頻讀寫(xiě)硬盤(pán)可能帶來(lái)的不穩(wěn)定因素，采用32MB的Disk On Chip2000半導(dǎo)體固態(tài)盤(pán)取代硬盤(pán)，直接裝在SCM／Super Dx嵌入式CPU模塊的32腳DIP插座上。
數(shù)據(jù)采集模塊選用了盛博科技有限公司的DMMAT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(shù)字輸入、8路數(shù)字輸出、1024字節(jié)FIFO，100kHz最大采樣速率，是一款功能較全、性?xún)r(jià)比較高的接口板，可以滿(mǎn)足該系統(tǒng)所需的A／D、D／A轉(zhuǎn)換及手控盒開(kāi)關(guān)量輸入的需要。
液晶顯
示屏擔(dān)負(fù)著各種充電信息顯示和充電參數(shù)設(shè)定等功能。選用了北京創(chuàng)業(yè)科技開(kāi)發(fā)中心開(kāi)發(fā)的型號(hào)為KY-D29A的智能液晶顯示屏，整個(gè)液晶外形尺寸為113mm×65mm×l4mm，顯示點(diǎn)陣為128x64，可經(jīng)RS232C直接與嵌入式微機(jī)連接，通過(guò)專(zhuān)用的指令可以方便地實(shí)現(xiàn)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(shè)備，通過(guò)和智能液晶顯示屏的配合使用，可以很方便地進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置和各種充電數(shù)據(jù)及曲線(xiàn)的顯示。
另外，為了便于應(yīng)用程序的編寫(xiě)、調(diào)試、修改及維護(hù)，還選用了盛博科技有限公司的SysExpanModule／VFI系統(tǒng)擴(kuò)展模塊。該模塊以高分辨率的圖形控制器、軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和IDE硬盤(pán)接口為PC／104系統(tǒng)提供擴(kuò)展，使用標(biāo)準(zhǔn)自堆棧式總線(xiàn)接頭，可以通過(guò)堆棧方式與CPU模塊或其它模塊相連接。通過(guò)給主控計(jì)算機(jī)外接顯示器、標(biāo)準(zhǔn)PC／AT鍵盤(pán)、軟驅(qū)和IDE硬盤(pán)，可很方便地進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和調(diào)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(hào)放大電路以及電流霍爾傳感器與信號(hào)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。
1．2．2 PWM控制及驅(qū)動(dòng)電路
PWM控制電路的核心器件選取美國(guó)通用公司生產(chǎn)的電壓型PWM控制器SG3525A。SG3525A是一種性能優(yōu)良、功能齊全、通用性很強(qiáng)的單片集成PWM控制器。該芯片簡(jiǎn)單可靠且使用方便靈活，通過(guò)適當(dāng)?shù)赝饨与娐�，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)PWM控制，還可以完成輸入軟啟動(dòng)、過(guò)載限流、過(guò)壓保護(hù)等多種功能。PWM控制電路如圖3所示。考慮到SG3525A作單端輸出使用時(shí)，變換器的最大占空比不到50％，在實(shí)際使用中將輸出端11和14的信號(hào)采用了取或的辦法以得到較大的占空比。
驅(qū)動(dòng)電路的核心器件選取日本三菱公司生產(chǎn)的ICBT專(zhuān)用厚膜集成電路M57962L。M57962L采用雙電源供電方式，可保證IGBT可靠通斷，內(nèi)置高速光耦隔離輸入，隔離電壓有效值可達(dá)2500V，并具有短路、過(guò)載保護(hù)及過(guò)流慢速關(guān)斷等功能，只需外接少量的元器件，便可組成完善的IGBT驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路。驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。電源電壓VCC和VEE分別取為15V和-12V，電阻R201為IGBT柵極限流電阻，二極管D201用以進(jìn)行短路和過(guò)流檢測(cè)，串接穩(wěn)壓二極管Z201可以改變M57962L模塊的過(guò)流保護(hù)起控點(diǎn)．穩(wěn)壓二極管Z202可以避免l腳承受過(guò)電壓。
圖5
2 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用DOS6．22作為操作系統(tǒng)，Turbo C 2．0作為開(kāi)發(fā)工具。為了便于程序的維護(hù)和修改，縮短程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間，采用了模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，主要包括主程序模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、采樣濾波模塊、輸出控制模塊、圖形顯示模塊及故障報(bào)警模塊等。除了采樣濾波模塊和輸出控制模塊采用內(nèi)部定時(shí)中斷方式運(yùn)行外，其余模塊采用巡回掃描方式運(yùn)行。主程序流程框圖和定時(shí)采樣子程序流程框圖如圖5所示。其中M段充電模式是指由恒壓充電、恒流充電或恒壓充電和恒流充電相結(jié)合而組成的兩段以上的充電模式，如恒流恒壓充電、兩段恒流充電及三段恒壓充電等。
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