微機控制的大功率充電電源的研制

摘要：介紹了微機控制的大功率充電電源，它采用PC/104工控機作為核心，全橋變換器拓撲電路作為主電路，能夠?qū)Χ喾N動力電源以多種充電方式進行充電。經(jīng)大量的實際應(yīng)用證明，設(shè)備性能穩(wěn)定、工作可靠、抗干擾能力強，解決了動力電池充電技術(shù)的難題，有廣闊的應(yīng)用前景。

對電動汽車能源的動力電池及其充電技術(shù)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(nèi)市場上銷售的充電電源，無論是常規(guī)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(shù)的相關(guān)研究，往往需要購買多臺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場地，而后者需要較強的專業(yè)技術(shù)和較長的開發(fā)周期。本課題研制了微機控制的大功率充電電源。

圖1

該電源采用PC104工業(yè)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(xiàn)多種充電方式充電；通過預(yù)置不同的參數(shù)，可以對多種動力電池進行充電；通過結(jié)合液晶顯示屏和手控盒，可以方便地實現(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

1．1 主電路設(shè)計

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撲電路，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)點于一體，具有輸入阻抗高、電壓型驅(qū)動控制、開關(guān)損耗小、飽和電壓低、通斷速度快、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是大功率全橋變換器的首選功率開關(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)時間對輸出電壓的影響。

1．2 控制系統(tǒng)設(shè)計

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)計算機為核心，配以接口電路、采樣電路、PWM控制電路及IGBT驅(qū)動電路等，可按照預(yù)置自動控制充電過程，并在充電過程中進行充電數(shù)據(jù)(包括電池端電壓、充電電流及電池表面溫度等)的自動采集、實時顯示、批量存儲及分析處理等�？刂葡到y(tǒng)組成框圖如圖2所示。

1．2．1 PC／104嵌入式工業(yè)計算機

控制系統(tǒng)之所以采用PC／104嵌入式工業(yè)計算機，主要是考慮到PC／104嵌入式工業(yè)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(shè)計方法，單個模塊的體積為90mm×96mm×l5mm。若一個PC／104系統(tǒng)采用三個模塊，在90mm×96mm×45mm的小空間內(nèi)就能實現(xiàn)臺式工控機的全部功能；(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(shè)計上。CPU模塊提供PC機的不同檔次的標準化產(chǎn)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(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(tǒng)中采用了深圳盛博科技有限公司生產(chǎn)的PC／104總線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(shù)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(wěn)定因素，采用32MB的Disk On Chip2000半導(dǎo)體固態(tài)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(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、性價比較高的接口板，可以滿足該系統(tǒng)所需的A／D、D／A轉(zhuǎn)換及手控盒開關(guān)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(shù)設(shè)定等功能。選用了北京創(chuàng)業(yè)科技開發(fā)中心開發(fā)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×l4mm，顯示點陣為128x64，可經(jīng)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(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(shù)的設(shè)置和各種充電數(shù)據(jù)及曲線的顯示。

另外，為了便于應(yīng)用程序的編寫、調(diào)試、修改及維護，還選用了盛博科技有限公司的SysExpanModule／VFI系統(tǒng)擴展模塊。該模塊以高分辨率的圖形控制器、軟盤驅(qū)動器和IDE硬盤接口為PC／104系統(tǒng)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(qū)和IDE硬盤，可很方便地進行應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試。

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