数字化快速充电系统设计毕业论文(编辑修改稿)

数字化快速充电系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

，电池即充足电。 充电过 程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。 这种控制方法的缺点是：电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池已足充电。 (2) 电压负增量（－Δ V） 由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度和充电速率等因素影响，因此可以比较准确地判断电池已充足电。 这种控制方法的缺点是：从多次快速充电实验中发现，电池充足电之前，也有可能出现局部电压下降的情况，使电池在未充足电时，由于检测到了负增量而停止快充。 镍氢 电池充足电后，电池电压要经过较长时间，才出现负增量，此时过充电较严重，此时电池的温度较高，对电池有所损害。 因此，这种控制方法主要适用于镉镍电池。 (3) 电压零增量（ 0Δ V） 镍氢电池充电器中，为了避免等待出现电压负增量的时间过久而损坏电池，通常采用0Δ V 控制法。 这种方法的缺点是：未充足电以前，电池电压在某一段时间内可能变化很 9 小，若此时误认为 0Δ V 出现而停止充电，会造成误操作。 为此，目前大多数镍氢电池快速充电器都采用高灵敏－ 0Δ V检测，当电池电压略有降低时，立即停止快速充电。 c. 综合控制法 以上各种 控制方法各有其优缺点，由于存在电池个体的差异和个别的特殊电池，若只采用一种方法，则会很难保证电池较好的充电。 为了保证在任何情况下均能可靠的检测电池的充足电状态，可采用具有定时控制、电流控制和电池电压控制功能的综合控制法。 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，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）控制 IC和 MOSFET 构成。 开关电源主要应用领域有计算机、通信办公设备、控制设备等产品以及电视机、摄像机、电子游戏机等消费类产品。 与传统采用工频变换技术的相控电源相比，采用大功率开关管的高频整流电源，在技术上是一次飞跃，它不但可以方便地得到不同的电压等级，更重要的是甩掉了体积大、笨重的工频变压器及滤波电感电容。 由于采用高频功率变换，使电源装置显著减小了体积和重量，而有可能和设备的主机体积相协调，并且使电性能得到进一步提高。 因此，开关电源取代线性电源和相控电源是必然的发展趋势。 人们在开关电源技术领 域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。 开关电源可分为 AC/DC 和 DC/DC 两大类，也有 AC/AC DC/AC 如逆变器 DC/DC 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但 AC/DC 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。 现代 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。 在此主要介绍直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄 电池 电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压 （精电）。 直流开关电源的核心是 DC/DC转换器。 因此直流开关电源的分类是依赖 DC/DC 转换器分类的。 直流 DC/DC 转换器按输人与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式 DC/DC 转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离式 DC/DC 转换器。 隔离式 DC/DC 转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。 单管的 DC/DC 转换器有正激式（ Forward）和反激式（ Flyback）两种。 双管 DC/DC 转换器 有双管正激式（ DoubelTransistor Forward Converter），双管反激式（ Double Transistr F1yback Converter）、推挽式（ PushPull Converter）和半桥式（ Ha1fBridge Converter）四种。 四管 DC/DC 转换器就是全桥 DC/DC 转换器（ FullBridge Converter）。 非隔离式 DC/DC 转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。 单管 DC/DC 转换器共有六种，即降压式（ Buck） DC/DC 转换器 ，升压式（ Boost） DC/DC转换器、升压降压式（ Buck Boost） DC/DC 转换器、 Cuk DC/DC 转换器、 Zeta DC/DC 转换器和 SEPIC DC/DC 转换器。 在这六种 单管 DC/DC 转换器中， Buck 和 Boost 式 DC/DC 转换器是基本的， BuckBoost、 Cuk、 Zeta、 SEPIC 式 DC/DC 转换 器是从中派生出来的。 双管 10 DC/DC 转换 器有双管串接的升压式（ BuckBoost） DC/DC 转换器。 四管 DC/DC 转换器常用的是全桥 DC/DC 转换器（ FullBridge Converter）。 由于本次设计主要应用了降压 DC/DC 变换器。 因此，对基本降压变换电路 Buck 电路做简要介绍。 Buck 电路如图 ：降压斩波器，入出极性相同。 由于稳态时，电感充放电伏秒积相等， 因此 ()i o on o offU U t U t    () i o n o o n o o ffU t U t U t     () ()i on o on offU t U t t   () / / ( )o i on on offU U t t t    () 即，输入输出电压关系为： /oiUU (占空比 )。 在开关管 S通时，输入电源通过 L 平波和 C 滤波后向负载端提供电流；当 S关断后，L通过二极管续流，保持负载电流连续。 输出电压因为占空比作用，不会超过输入电源电压。 C RLS 图 Buck电路拓补结构 3 数字化快速充电系统硬件设计 11 3 数字化快速充电系统硬件设计 总体设计方案 根据本次设计的要求，设计的数字化快速充电器必须能对镍镉，镍氢及锂离子电池组充电。 并能够对充电过程进行实时监测，针对不同电池的不同充电状态做出及时调整，使之符合与其相应的充电曲线。 对此 ，本次设计的主要设计电路包括电源电路、充电电路和充电控制电路。 其主要功能是实施对电池组的快速充电，并实时监测电池电流，电池端电压及充电持续时间等参数。 通过这些信息，判断出电池的实时充电状态，并对充电电流作出及时调整，从而实时而正确地控制充电过程。 当检测到电池已充满时，会提示用户并且充电器自动进入浮冲维护状态。 充电过程中，充电器设置有定时，电流保护和故障检测功能，如有异常将使充电器停止充电而保护电池。 利用模糊控制理论对充电过程进行优化控制，使充电严格地按照具体电池理想的充电曲线进行，实现对多种电压等级和不同类 型电池的智能充电。 系统的总体框图如图 所示。 保护电路 PWM 220V 25V 开关电源 充电电路 充电电池 电压 电流 检测 电路 显 示 键 盘 XC164CM 单片机 控制电路 图 12 220V 交流电压首先送入反激式开关电源进行 AC/DC 变换，使其直流输出电压为 25V，再经过 DC/DC 变化转化为供电电压和充电电压。 此充电电压不能直接对电池进行充电，必须经过充电电路，采用 BUCK 拓扑结构 ,对 AC/DC 变换电路所得的 25V 的直流输入电压进行二次斩波 ,得到合适的充电电流、电压给电池充电。 整个充电过程由充电控制电路控制，充电控制电路保证 整个充电过程的顺利进行，该电路通过充电电池接口和检测单元得到电池工作状态，同时，该电路还实时监测电路各部分工作是否正常，并提供保护功能。 另外，键盘输入单元用于设定输出电压等参数，显示单元显示系统的工作状态和故障类型等信息。 所以，本系统应当具备对电压、电流、温度的检测和保护电路，并且这些电路在对传统电池组充电时也是必不可少的。 单片机 XC164CM 介绍 XC164CM 是英飞凌 16 位单片 CMOS 微控制器系列的增强型产品。 XC164CM 将功能和性能扩展的 C166SV2 内核、功能强大的片上外 设子系统和片上存储器单元完美结合，并且有效降低了系统功耗。 XC164 具有 5 级指令执行流水线和 2级预取指流水线，工作频率40MIPS，可以单周期执行 16*16bit 运算，能够满足各种复杂的充电控制策略的运算要求。 它的 I/O 口较多，内部资源丰富，主要有： 64K的 FLASH 程序存储器， 6K 的片内数据存储器； 16 级优先权的中断系统，硬件中断陷阱； 14 通道 10 位的 A/D 转换器； 2 个比较 /捕获单元，可方便的产生 PWM 波；可编程看门狗定时器。 另外 XC164CM 还具备 JTAG 接口，便于调试程序。 CPU 内核由一组经 过优化的功能单元组成，包括指令读取 /处理流水线、 16 位算术逻辑单元（ ALU）、 40 位乘累加单元（ MAC）、地址和数据单元（ ADU）、取指单元（ IFU）、寄存器文件（ RF），以及专用特殊功能寄存器（ SFR）。 XC164CM 中的大多数指令为单周期指令，从而提高了 CPU 性能，同时与 C166 指令保持兼容。 此外， XC164CM 出色的 DSP 性能、对不同存储器和外设的并行访问等特性提高了系统的整体性能。 XC164CM 的内核架构将 RISC 和 CISC 处理器的优点完美结合。 其计算和控制功能由于MAC 单元的 DSP 功能 而变得更加完善。 XC164CM 将高性能 CPU 与一系列功能强大的外设单元集成起来，有效的联接成一个单片机系统。 片上存储器模块带有专用总线和控制单元，用于存储代码和数据。 这些特性促成了 XC164CM 微控制器的高性能，使得 XC164CM 不仅可满足当前的应用，还将适用于未来的工程应用。 XC164CM 中还采用了一种 LXBus 总线，用来标识外部总线接口。 LXBus 总线提供了一种标准化的方法，可方便的将附加的专用外设集成到标准 XC164CM 系列芯片中。 因此，在本电路中使用 XC164CM 充当核心控制器。 通过键盘设 定对不同电池进行充电，完成对整个充电过程的控制。 通过计算，处理外围几个检测电路检测到的信息。 根据这些数据判断和不断调整充电状态。 并通过指示电路显示给用户。 对不稳定的充电状态以及错误操作及时终止。 XC164CM 引脚图如图 所示。 13 图 XC164CM 开关电源电路设计 开关电源电路的主要任务是将市电 220VAC 转化成充电所需的 25VDC 的电压。 电源电路主要包括输入滤波器，整流器， DC/DC 转换器，输入整流滤波器等电源变换电 路。 220VAC的市电经过输入滤波器能够抑制大部份共模干扰和差模干扰。 整流器将交流电整流滤波成直流电，然后经过 DC/DC 变换器得到充电所需的直流电压。 为了抑制电压波动得到持续稳定的输出电压，在输出端添加一电压负反馈电路。 该电路由光电耦合器将检测到的电压状态参量反馈给控制电路，该控制电路由美国动力（ PI）公司的 TOPSwitch－Ⅱ系列单片电源电路中的 TOP224Y 芯片对反馈参数进行比较处理，通过 PWM波调制输出，对 DC/DC 变换器的输出电压进行调整，从而得到稳定的输出电压。 AC/DC转换电路 该部分电路主要包括：保险 丝 ；滤波电容 C1 组成的主要用来对输入交流电滤波，消除共模干扰和差模干扰滤波网络；桥式整流电容滤波电路。 a. 保险丝 考虑到市电输入的电流不稳定性。 为保护整个系统不会因过大的冲击电流烧毁，采用 14 220V/3A 的保险 丝。 b. 输入滤波器 电压电流的变化通过导线传输时的干扰 ， 干扰电压和电流主要有二种形态 ：“ 共模 ”和 “ 差模 ”。 一种是两根导线分别做为往返线路传输；另一种是两根导线做去路 ， 地线做返回路传输。 前者叫 “ 差模 ”， 后者叫 “ 共模 ”。 一般干扰所经由的不是共模路径就是差模路径 ， 因此可对不同路 径的干扰采用不同的处理 ,以 滤波 、屏蔽等手段来消除。 本设计电路中电容 C1 作为 滤波器用于抑制共模噪声 ， 为滤波效果好，电容 C1 使用陶瓷电容活聚酯薄膜电容，应具有足够的耐压性。 c. 整流 滤波 电路 整流采用单相桥式整流 ， 电容 C2 作为 滤波电路。 如 图 所示。 图 单相桥式整流电容滤波电路 DC/DC 变换器电路的设计 该电路主要是应用 PWM 调制的反激式开关电路， 并由芯片 TOP224Y 进行输出电压反馈控制，保持变换后的输出电压稳。