电动汽车用锂电池充电器

本科毕业设计（论文）

电动汽车用锂电池充电器

马秋建

燕山大学

2015年6月

本科毕业设计（论文）

电动汽车用锂电池充电器

学院：里仁学院

专业：电气工程及其自动化

学生姓名：马秋建

学号：

指导教师：闫朝阳

答辩日期： 2015.6.23

燕山大学毕业设计(论文)任务书

摘要

面对电动汽车的快速发展，汽车作为一种交通生产工具已经成为了现代生活不可缺少的一部分，现在汽车面临着环境污染和石油资源减少的严重问题，研究发展新能源汽车具有重要的科技进步意义。

面对电动汽车的快速发展，对于大功率动力电池智能充电的研究显得愈加重要。在对电动汽车充电器的现状以及锂电池特性进行研究后，本文采用了恒流、恒压智能充电方法和全桥变换的主电路拓扑。文中首先对主电路进行了详细的参数设计以及器件选型，之后进行了控制电路的设计工作，包括驱动电路、检测电路、保护电路等等。控制部分主要采用电压外环电流内环的双闭环PI调节器以实现主电路的恒流恒压输出。设计了保护电路以防止输入过欠压以及输出过流过压现象的发生，提高了充电器的智能化。在完成设计工作之后进行了系统仿真实验，实验结果证明了系统设计的合理性。

关键词电动汽车；充电器；锂电池；PI；仿真

Abstract

Faced with the rapid development of electric vehicles, car production tools as a means of transport has become an indispensable part of modern life, and now car is facing serious problems of environmental pollution and reduction of oil resources, research and development of new energy vehicles has important significance and technological progress .

Faced with the rapid development of electric vehicles, for the study of

high-power battery charging intelligent look more important. After the current situation of the electric car charger and lithium battery characteristics research, we use the main circuit topology constant current, constant voltage charging method intelligent and full-bridge transform. Firstly the main circuit parameters in detail design and component selection, followed by the design of the control circuit includes a driver circuit, a detection circuit, protection circuit, and so on. Control voltage outer part of the main uses of the double-loop PI current loop regulator to achieve constant voltage constant current output of the main circuit. Protection circuitry designed to prevent over-voltage input and output

overcurrent and overvoltage phenomenon, improved intelligent charger. After the completion of the design work carried out system simulation experiment results show that the system design is reasonable.

Keywords Electric vehicles; charger; lithium battery; PI; simulation

摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II

第1章绪论 ........................................................................................................ 1

1.1 课题背景 ................................................................................................ 1

1.1.1 课题研究意义 ................................................................................ 1

1.1.2 发展趋势 ........................................................................................ 1

1.2 锂电池简述 ............................................................................................ 2

1.2.1 锂电池简述 .................................................................................... 2

1.2.2 锂电池充电原理 ............................................................................ 3

1.3 蓄电池充电标准 .................................................................................... 5

1.4 论文的主要研究工作 ............................................................................ 5

第2章充电器主电路设计 ................................................................................ 7

2.1 主电路拓扑选择 .................................................................................... 7

2.2 主电路参数计算 .................................................................................... 8

2.2.1 输入整流滤波电路计算 ................................................................. 8

2.2.2 高频变压器设计 ............................................................................. 9

2.2.3 IGBT的选择 ................................................................................... 11

2.2.4 输出高频电感的设计 .................................................................... 11

2.2.5 输出滤波电容的设计 .................................................................... 11

2.2.6 隔直电容的选取 ........................................................................... 12

2.2.7 输出整流二极管 ........................................................................... 12

2.3 本章小结 .............................................................................................. 13

第3章控制电路设计 ...................................................................................... 14

3.1 调节器设计 .......................................................................................... 14

3.1.1 模拟PI ........................................................................................... 15

III

3.1.2 充电控制策略 ................................................................................ 16

3.1.3 闭环控制 ........................................................................................ 17

3.2 PWM波发生电路设计 ......................................................................... 19

3.3 驱动电路设计 ....................................................................................... 20

3.4 检测电路设计 ....................................................................................... 21

3.4.1 电压采集电路 ................................................................................ 21

3.4.2 电流采集电路 ................................................................................ 22

3.5 保护电路设计 ....................................................................................... 23

3.6本章小结 ................................................................................................ 24

第4章仿真结果分析 ....................................................................................... 26

4.1 系统仿真 ............................................................................................... 26

4.2 主电路仿真及结果分析 ....................................................................... 26

4.3 模拟电压、电流采集 ........................................................................... 28

4.4 小结 ....................................................................................................... 29

结论 ..................................................................................................................... 30

参考文献 ............................................................................................................. 31

致谢 ..................................................................................................................... 33

附录1 .................................................................................................................. 34

附录2 .................................................................................................................. 38

第1章绪论

1.1 课题背景

1.1.1 课题研究意义

汽车作为一种交通生产工具已经成为了现代生活不可缺少的一部分，现在汽车面临着环境污染和石油资源减少的严重问题，研究发展新能源汽车具有重要的科技进步意义。

为什么我们国家会选择造价高、充电设施还不完善的纯电动汽车作为新能源汽车的发展方向呢？曾经在新能源汽车方向选择上，有三个选择方面，混合动力车、纯电动汽车、氢燃料电池车。氢燃料电池车本身也是纯电动汽车的一种，而且，氢燃料电动车还存在着安全隐患。基于这些原因，氢燃料电动车没有成为新能源汽车的选择方向。混合动力车，可以说是纯电动汽车和传统汽车之间的过渡产品，顾名思义，混合动力既可以烧油，又可以电驱动，而我们的最终目的还是要用电力来解决燃油问题，因此，混合动力车作为纯电动汽车的代替产品必将会被纯电动汽车所取代。

在2009年年底举行的第八届中国企业家领袖年会上，吉利控股集团有限公司董事长李书福仍然认为电动汽车的商业化“要到2030年才有可能实现”。这或许从一个侧面证明了纯电动汽车商业化的难度。工业和信息化部副部长苗圩在1月9日一汽车论坛上也称，发展新能源汽车最大的问题就是电池问题。“纯电动汽车的商业化必须解决两大问题，其一是购置成本，其二是能源补给便捷。”所以电动汽车的安全快速充电有重要意义。

1.1.2 发展趋势

2009年国内共计约生产销售30多万组电动车用锂离子电池，其中70%以上出口到欧美地区，国内大约占到15%左右。因配套出口的锂离子电池充电器在安规、EMC等方面要求比较高，能真正满足要求的生产厂家也就2、3家。但随着国内市场的逐步扩大，生产锂离子电池充电器的厂家也在增多，但现在的品质状况并不乐观，主要表现在以下3个方面：

1、在国内由于电动车充电器不属于3C认证产品，目前也没有行业的标准， 1

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加上国内对充电器管控并不严格，所以国内市场使用的充电器跟出口的相比，在价格上便宜许多，但在符合安规、使用的材料品质、EMC等方面还是有很大的差别。

2、由于现在好多生产锂电池充电器的厂家对产品的技术指标不够了解，特别是对一些容易造成安全隐患的指标没能采取有效的控制，所以现在部分充电器还存在比较大的安全隐患。

3、目前市场上主要有锰锂电池和铁锂电池两种，两种电池的充电器充电模式是一样的，但充电电压却不同。像额定电压为36V的锰锂电池的充电电压为42V，而铁锂的充电电压为43.8V,两种电池的充电器又没有进行统一的规范,这样就有可能造成混用,从而会出现过充或充电不足的现象,甚至出现安全隐患。

1.2 锂电池简述

1.2.1 锂电池简述

锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应：

Li+MnO2=LiMnO2该反应为氧化还原反应，放电。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以锂电池长期没有得到应用。现在锂电池已经成为了主流。随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用，锂离子电池以优异的性能在这类产品中得到广泛应用，并在近年逐步向其他产品应用领域发展。1998年，天津电源研究所开始商业化生产锂离子电池。习惯上人们把锂离子电池也称为锂电池，现在锂离子电池已经成为了主流。锂离子电池主要优点表现在：(1)比能量高。具有高储存能量密度，目前已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍；(2)使用寿命长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池用1CDOD充放，有可以使用10,000次的记录；(3)额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；(4)具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速；(5)自放 2

第1章绪论

电率很低，这是该电池最突出的优越性之一；(6)重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/5；(7)高低温适应型强，可以在-20℃--60℃的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45℃环境下使用；(8)绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质；(9)生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利[1]。

锂电池的缺点：(1)锂原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险；(2)钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，安全性较差；(3)锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电；(5)生产要求条件高，成本高。锂电池广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，邮电通讯的不间断电源，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。随着能源的紧缺和世界的环保方面的压力，锂电现在被广泛应用于电动车行业，特别是磷酸铁锂材料电池的出现，更推动了锂电池产业的发展和应用。

1.2.2 锂电池充电原理

所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。锂离子电池的内部结构如下图1-1所示：

图1-1锂离子电池内部结构图

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锂离子电池的额定电压为3.6V。电池充满时的电压（称为终止充电电压）一般为4.2V；锂离子电池终止放电电压为2.5V。如果锂离子电池在使用过程中电压已降到2.5V后还继续使用，则称为过放电，对电池有损害。

锂电池充电原理图：

图1-2锂电池充电原理图

其中：Iconst：恒流充电电流；

Ipre：预充电电流；

Ifull：充满判断电流；

Vconst：恒压充电电压；

Vmin：预充结束电压及短路判断电压

锂离子电池比较骄贵。如果不满足其充电及使用要求，很容易出现爆炸，寿命下降的现象。因为锂离子电池对温度、过压过流及过放电很敏感，所以所有的电池内部均集成了热敏电阻（监控充电温度）及防过压过流过放电保护电路。图一为标准锂离子电池充电原理曲线，锂离子电池的充电过程分三个阶段：预充电阶段；恒流充电阶段；恒压充电阶段。预充电阶段是在电池电压低于3V时，电池不能承受大电流的充电。这时有必要以小电流对电池进行浮充；当电池电压达到3V时，电池可以承受大电流的充电了。这时应以恒定的大电流充电。以使锂离子快速均匀转移，这个电流值越大，对电池的充满及寿命越有利；当电池电压达到4.2V时，达到了电池承受电压的极限。这时应以4.2V的电压恒压充电。这时充电电流逐渐降低。当充电电流小于30mA时，电池即充满了。这时要停止充电。否则，电池因过充而降低 4

第1章绪论

寿命。恒压充电阶段要求电压控制精度为1%，即电压要控制4.158V~4.242V之间[2]。

1.3 蓄电池充电标准

目前电动汽车主要采取两种充电方式，接触式充电和感应式充电，对于这两种充电方式美国工业协会制定了相应的标准，分别为SAEJ-1772和SAEJ-1773来规范充电系统制造商。

AC整流

滤波高频逆变

感应耦合器高频整流

图1-3感应充电系统

接触式充电及传统的插头式充电方式，这种方式明显的缺点是导体裸露在外面，存在安全问题。然而感应耦合充电方式就避免了导体裸露在外面的缺点，经过高频变压器组，通过感应耦合，无接触传递能量。图1-3给出了电动汽车感应耦合充电系统的简图。图中输入电网交流电经过整流后，通过高频逆变，通过感应耦合器传输能量，传到电动汽车输入端，在经过整流环节给电动汽车用电池充电[3]。

感应耦合充电方式的优点在于在输入输出之间加入了隔离，提高了系统的安全性并可提高系统的效率且可设计成全自动无人看守的智能充电系统。

1.4 论文的主要研究工作

本课题是针对电动汽车用锂电池充电器而进行的研究，设计中采用的充电方式为先恒流再恒压的两段式充电方式。主电路采用了适用于传输大功率的全桥变换器，对应于主电路设计了双闭环的控制电路以实现恒流恒压充电方式。

其具体参数如下：

充电对象：100块锂电池串联，单体标称电压3.2V，额定容量100AH，

充电限制电压3.8V

输入：AC380V

输出：DC380V

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电压纹波：小于0.01Vo

恒流值：30A

电流纹波：小于0.1Io

电路拓扑：全桥变换

电源功率：11.4KW

论文主要工作：

1）主电路设计以及参数计算。

2）充电器控制电路包括检测电路、电压电流双闭环PI调节器、PWM

波发生电路的设计。

3）仿真实验验证、实验结果分析。

第2章充电器主电路设计

2.1 主电路拓扑选择

对于本设计中的充电器，由于其输出功率较大且输出电压较高为380V，考虑用电安全，应选用带隔离的功率变换器，在实际中用于大功率场合的拓扑主要有以下几种：

图2-1推挽式开关电源回路

图2-2半桥式开关电源回路

图2-3全桥式开关电源回路

如上图所示，实际中常用的带隔离的变换器主要有以上三种。图2-1与图2-2琐事的推挽式与半桥式变换器所用开关管的数量为全桥变换器的一半，而在实际中由于在功率开关管电压和电流额定相同时，变换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比，故全桥变换器的输出功率大，所以在中大功率场合下，众多DC/DC变换器拓扑中，应首选全桥变换器。全桥变换 7

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器由四个功率开关管构成，主变压器只需要一个原边绕组，通过正、反向电压得到正反向磁通，变压器贴心和绕组得到最佳利用，使用效率和功率密度得到提高。全桥变换器所需功率开关器件的电压、电流额定值较小，功率变压器效率较高。因此在本次设计中选用全桥变换器为功率变换器的主电路。

在本设计中三相电经整流桥所产生的电压输入至全桥变换器，全桥变换器通过直-交-直变换完成对输入电压的变换。高频变压器实现对逆变桥的交流输出的变压隔离，随后全波整流电路将变压器二次侧的交流电蒸馏为直流电再经LC滤波后产生充电电源。当负载电流连续时，其输出电压与输入电压之比为：

UNnout22D (2-1) UinN1

在设计中应取适当的变压器原副边匝比NN1以使得在一定占空比限制下得到所需的输出电压[4]。

2.2 主电路参数计算

在本设计中，全桥变换器工作于电流连续状态，综合考虑开关损耗及电感体积，开关管工作频率设定为20KHz，及周期为50us死区设定为5us。

2.2.1 输入整流滤波电路计算

图2-4主电路

输入滤波电容Cin的选择是比较关键的，（1）Cin如果太小，直流电压Vin的脉动就会比较大，为了得到所要求的输出电压，需要过大的占空比调节范围和过高的控制闭环增益。同时，直流电压Vin的最小值Vinmin也会比较小，要求高频变压器的原副边匝比变小，导致开关管的电流增大，输出整流二极管的反向电压增大。（2）Cin如果太大，其充电电流脉冲宽度变窄， 8

第2章充电器主电路设计

幅值增高，导致输入功率因数降低，EMI增加，过高的输入电流使得输入整流管和滤波电容的损耗增加。同时电容过大成本也会增加[5]。

选用以下经验算法来计算Cin的容量，已知输入交流电压的变换范围为Vline(min)~Vline(max)。频率为50Hz，步骤如下：

(1)Vline(min)~Vline(max)即380(110%)342V~418V，

（2

line(min)~line(max)即483.66V~391.14V

（3）整流滤波后直流电压的最大脉动值：

Vpplinemin7%~10%33.8~48.3V (2-2)

（4）整流滤波后直流电压Vin：

lineminVpp~linemax即435.29~591.14V (2-3)

(5)为了保证直流电压最小值符合要求每个周期中Cin所提供的能量WinPin11400约为：Win 76J，Pin为输入功率（效率按0.8算）Afin0.83500.8

（6）没半个周期输入滤波电容所提供的能量为[6]：

22Win1CinlineminlineminVpp (2-4)

22

因此输入滤波电容容量为：

WinCin2.3mF (2-5) 22lineminlineminVpp





2.2.2 高频变压器设计

1.变比 V0N2D (2-6) ViN1

上式是不考虑开关管压降，副边整流二极管压降，输出电感压降等，得出的公式。实际工程中，必须考虑。另外，为了提高高频变压器的利用率，减小开关管的电流，降低输出整流二极管的反向电压，从而减小损耗和降低成本，高频变压器原副边变比应尽可能取的大一些。同时为了在输入电压范围内能够输出所要求的电压，变压器的变比应按输入电压最低是来选择。设副边最大占空比为0.8，则可计算变压器副边最低电压：

V2VDVL3801.41Vsec0max478V (2-7) Dmax0.8全桥变换器的电压增益为：M

变压器原边输入最低电压为435.29V则变压器变比为

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NVP/VsecNP/NS435.29/4781:1.09实际中匝比取1：1.1

2.磁芯选择

按功率等级铁芯材料选非晶纳米合金，型号由面积乘积法选取

PT104

APKKfBK0fswj11X (2-8)

式中AP为铁心面积乘积，即磁芯窗口面积Aw与磁芯有效截面积Ae的乘积。PT为变压器视在功率，即V1I1V2I2。 1.41.4在这里，PTP031350w（效率按0.8算） 11140010.8

K0为窗口面积使用系数，K0此处取0.4。

4.44Kf为波形系数， Kf4.0

fs为开关工作频率，这里fs=20KHz

Bw为工作磁通密度，对于铁基非晶合金，取Bw=0.4T，Kj取为323，

X=-0.13则计算可得AP145.14cm4其容量大于所需AP值并有足够裕量[7]。

3.计算原副边匝数变压器匝数由下式确定：

Vinmax591.14Np24.6 (2-9) 34KffsBwAe420100.47.510

取25匝。副边绕组匝数：Ns

实际中取为28匝。

由以上公式可以看出：假设输入电压Vinmax和Np一定，提高工作磁密和开关频率，可以使体积重量显著减小，但Bw值的增加受到材料限制。低的铁芯损耗可以减低温度，温升反过来又影响使用频率和工作密度的选取。一般来说，开关电源对材料的主要要求是：尽量低的高频损耗、足够高的饱和磁密、高的磁导率、足够高的居里温度和好的温度稳定性。

10 NpN251.127.5 (2-10)

第2章充电器主电路设计

2.2.3 IGBT的选择

由前面的讨论得知变换器原边电压最大值Vinmax540110%591V考虑到2倍左右的裕量，可以选择耐压值为1200V的IGBT模块。原边电流的平均值IP30A,原边电流的峰值最高可能达到64A，考虑到裕量，选取耐压值为1200V，最大工作电流为100A[8]。

2.2.4 输出高频电感的设计

在工程设计中，一般选择输出滤波电感电流的脉动为最大输出电流的10%-30%之间，取脉动为最大输出电流的10%，此电源最大输出电流为30A，所以I0max3A。

输出滤波电感可按下式计算： L0

其中，ULmax为电感两端电压的最大值，t为开关管在半个周期内的导通时间，I0max为最大输出电流脉动。

ULmaxVsecmaxV0maxVinmaxV0max591380211V (2-12) KULmaxt659uHI0max(2-11)

V11380tTDT00.55014S (2-13) 22Vsec591

将相关数据带入到(2-12)式，可求得L0659uH。工程上一般取计算值得2倍，实际使用中的为1200uH的高频电感，技术指标为电感量

L=1200uH，频率为f40KHz，额定电流I30A。

2.2.5 输出滤波电容的设计

为了保持输出电压恒定需要在输出加入滤波电容，设计输出电容主要是限制输出电压纹波在一定范围之内。输出滤波电容的计算表达式为：

I0max (2-14) C08fsLU0

其中，fsL为输出电感的工作频率，即为原边开关管开关频率fs的二倍。 I0max为最大脉动电流，当输出电感为1200uH时，I0max约为3A

设计电压纹波为1%一下，所以U3800.01V3.8V，将相关数据带 11

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入到（2-14）式计算可得，C55F.而实际上由于影响输出电压脉动的主要原因不是开关频率造成的脉动，而是有三相不控整流后输入电压的300Hz文波造成的，实际中电容采取了由两个2200F/450V电解电容串联的形式，即输出滤波电容取值为1100F[9]。

2.2.6 隔直电容的选取

对于全桥电路来讲，在变压器原边串联隔直电容是为了解决磁通不平衡造成的危害。磁通不平衡是由于变压器初级的伏秒数在两个1/2周期内不平衡造成的，当磁芯的磁通逐步远离磁化曲线原点时，变压器会进入饱和状态，使之无法承受电压，造成开关管损坏。加入隔直电容后可以防止变压器直流偏磁，使其工作在磁滞回线原点附近。

在实际中为了使隔直电容能够线性充电可用下式计算：

106

C6.4uF (2-15) 2224fRNp/NSL

副边滤波电感量为1.2mH，原副边匝比为1：1.1

为了使耦合电容器充电线性，必须很好的选定谐振频率fR，一般按下式选定fR0.1fs

则带入计算可得：C6.4uF

VcIcIc29tDTs0.45096V (2-16) CC6

此外为防止电容在充电过程中产生过高的EMI和提高输出功率应使电容上的峰值电压为：

电容上的电压较大，重新选择隔直电容为9uF则电容上的电压值

IcIc29VctDTs0.45064V0.2Vin108V (2-17) CC9

在实际使用中为减小ESR采用6个1.5uF的无感CDE电容并联得到[9]。

2.2.7 输出整流二极管

本设计中输出电流连续，纹波系数为0.1，输出波形为三角波，其平均值为IDC30A ，有效值为

Irm30.004A,二极管承受的

反向最大耐压为591V考虑二极管反向恢复特性应选用耐压为1200V等级。 12

第2章充电器主电路设计

2.3 本章小结

本章的主要工作是主电路拓扑的选择和主电路详细参数的计算。通过比较几种不同的拓扑选出了适合本设计的全桥变换器。选择好拓扑类型后，文章第二节设计了符合题目要有的并带有特色的充电器主电路。然后根据题目要求结合实际应用计算得出主电路各个器件的参数。主电路设计基本结束，接下来下一章主要介绍控制电路的设计工作。

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第3章控制电路设计

本设计中控制系统主要包括调节器电路、保护电路脉冲发生电路、驱动

电路、检测电路。图

3-1

所示为系统框图。

图3-1系统框图

三相交流电经过输入整流滤波得到直流电，再经过高频变换器得到高频交流电，经过高频变压器变压，在经过输出整流滤波得到锂电池需要的直流电。控制电路通过电压电流检测电路，将采样电压电流输入到双闭环PI调节器。PWM发生电路将双闭环PI调节器给出的控制量（模拟量）变换成一定频率的PWM波，供给M57962以驱动IGBT。PWM波发生电路由SG3525构成。

3.1 调节器设计

从四十年代自动控制的诞生到现在，控制理论已经由近点控制理论发展到现代控制理论、智能控制理论等几个大的发展阶段。在经典控制理论中，PI控制是最早发展起来的控制策略之一，它不仅历史悠久，而且也是生命力最强的控制方式之一。近些年来，尽管控制理论取得了突破性进展，诞生了许多新的概念和设计方法。但是，与自适应控制、模糊控制等现代控制方法相比PI控制仍在工程中广泛应用[10]。PI调节器之所以能够广泛、持久的得到应用是因为：

（1）

（2）

PI调节器结构及设计方法简单，不需要太多的经验知识，十分适用于工程应用； PI调节器能够满足基本的性能要求，并且PI控制方案并不要14

第3章控制电路设计

求精确的数学模型，鲁棒性强，即其控制品质对被控对象的变化不敏感；

（3）（4）

PI调节器是广大工程技术人员所熟悉的，便于使用和调整； PI调节器的少许改进往往会获得明显的效果。

3.1.1 模拟PI

在模拟系统中PI调节器是一种线性调节器，其原理如图

3-2

图3-2 PI调节器原理图

带入，得

ViiRf

 (3-1) 1ViRidt10C1

V1V

V0iR1idt (3-2)

RC1RffVt1VtiV0iR1dt (3-3)

RC1Rff

令Kp

，TiR1C1,得 Rf

1

V0tKpVitVitdt (3-4)

Ti

该调节器中比例调节器的作用是对偏差做出瞬间快速反应。偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使控制量向偏差见效的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp。只有当偏差存在时，比例调节器才有控制量输出，

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因此对于大部分控制对象，单用比例调节器会产生静态误差。积分调节器的作用是把偏差累计的结果，做为他的输出。在调解过程中，只要偏差存在，积分器的输出就会不断增大，直至偏差为零，输出才可能维持某一常量，使系统在设定值不变的条件下趋于稳定。因此他能消除系统输出的静差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调。式3-5的第二项表明，积分常数

Ti越大，积分的累计作用越弱，反之积分作用越强。Ti必须根据控制的具体要求来选定。增加Ti将减慢消除静差过程，但可减少超调，提高稳定性[11]。

本设计中的负载为电池，充电过程中电池可等效为一个RC串联模型，对于本设计中的控制对象即电池的充电电压和充电电流主要以稳和准为主，对快速性能要求不高，对该类负载可采用PI调节器即以达到较好的稳态和动态性能。

3.1.2 充电控制策略

在本文的设计中，采用了两阶段充电的方法，综合了恒流充电和恒压充电的优点。第一阶段首先对锂电池以恒流充电方式充电。为了避免产生剧烈的化学反应而影响寿命，结合需要的充电速度，所以应对充电电流有一定的限制：

IC (3-5)

式中C为锂电池组的容量为100AH，按0.3倍率充电时选充电电流为I=30A。充电电流I，充电电压U，电池的电动势E，整个充电回路的电阻R之间具有以下关系：

UIRE (3-6)

而且回路电阻R一般保持不变，电池反电动势E变化极慢，因而对于瞬时值，改变充电电压U也就改变了充电电流I，若保持电流恒定，随着充电的继续，反电动势不断升高，充电电压也需不断升高。T1时刻，充电压升值电池电压限制值时，电过程进入第二阶段，即以固定电压U进行恒压限流充电。随着充电进行充电电流降低至停止电流时，电池已基本充满，这是充电电源制动停机完成整个充电过程。

第3章控制电路设计

图3-3充电曲线

3.1.3 闭环控制

图3-4双闭环PI控制方式框图

控制框图如图3-4所示，在在起始充电阶段电压达不到设定的恒压值[10] 电压环输出饱和。该阶段仅电流环工作。充电器在电流调节器的作用下恒流充电，充电电压逐渐上升。随着充电的进行，当充电电压达到设定的恒压值时，电压外环调节器退出饱和状态，此时双闭环起作用，电压外环的输出即为电流内环的输入，电流将跟随电压给定，这样就完成了从恒流充电到恒压充电的自动转换，并最终实现恒压充电。此后过程中充电电流不断减小，当控制器检测到的充电电流小于设定的停机电流就会发出关断信号以停机。本设计中的双闭环PI调节器在实现输出电压、电流恒定的同时还应保证系统能够工作稳定并有良好的静态响应和动态响应。

调节器的具体实现由模拟电路搭建而成，具体电路如图3-5所示

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图3-5闭环控制电路

图3-5中Vref为电压给定信号，Iref为电流给定信号。外环为电压环，其中V1是由电压采集电路得到的与电池电压成比例的电压量。电压外环的比放大系数为Kp1，积分时间常数为Ti1，根据调节器的电阻R405、R405、R405和电容R405计算公式如下：

Kp1

R405

(3-7)

R403R402

Ti1C404R405 (3-8)

在本设计中由于要实现先恒流再恒压的充电模式，在充电初始阶段电池组亏电的比较严重其电压较低，电池电压经采集电路进入电压环，在设计时有意将电压环的时间常数Ti1设计的较小，以使得当检测到的电池电压小于设定的阀值电压时电压环保和，输出限幅值，使得此时仅电流环起作用，此时调节图中电位器RP4即可调节输出电流大小。

电流内环的电流反馈量经过比例环节送入电流PI调节器。其中I1是检测电路中与充电电流相对应的检测电流，电流环的比例放大系数为Kp2，积分时间常数为Ti2，根据调节器的电阻R409、R407、R410和电容C405计算得出，公式如下：

Ti2C405R409 (3-9)

R409

(3-10) Kp2

R410R407

在设计时将电流环的时间常数设置的大一些，以使得在横流阶段不易导致电流环饱和。随着充电过程的进行，当电池的电压达到所设定的阀值是，电压环将退出饱和，电流环将跟随电压环的变化最终达到输出电压稳定的效果。

电压环参数选取：R40560R4027.5KR40320KC4044.7uF

第3章控制电路设计

电流环参数选取：R40962KR40730KR41010KC4054.7uF

3.2 PWM波发生电路设计

本设计中的PWM电路是将双闭环PI调节器给出的控制量变换成对应的频率一定、脉冲宽度控制量变化的PWM信号，供给M579262以驱动IGBT。PWM波发生电路由SG3525构成，SG3525为电流控制型芯片，可输出两路PWM信号以驱动全桥中的两对对管，具有200mA的输出，其中输出的的两路PWM信号之间的死区可以通过外界电阻电容来调节。此外，SG3525内部集成了软启动电路，接入端（引脚8）上通常接一个软启动电容。上电过程中，该电容由内部5V基准电压的50A恒流源充电，使占空比由小到大变化，SG3525的10引脚用于保护作用，在电路发生故障时可将10引脚电平拉高关断输出PWM信号。

EIN-EIN+SYNCCLKOUT

COMPVREFVCCVC

10K13

C20347UF/25V

C2020.1UF

CTDISRTSS

GNDOUTBOUTAShutdown

3.6K614

PWM1

7PWM2

Shutdown

SG3525

图3-6SG3525外围电路图

在本设计中变换器的工作频率设定为20KHz，周期为50us，设定上下桥臂PWM信号之间死区为5us，则输出PWM信号的最大导通时间为20us，SG3525输出的PWM信号频率由外接电阻RT、RD电容CT决定，且满足：

TT1T20.67RTCT1.3RDCT (3-11)

其中t10.67RTCT,为输出的PWM信号最大导通时间此处设为20us，

t21.3RDCT为两路PWM信号之间的死区时间此处为5us。

选择CT0.01F

RT3.6K

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RD130K

本设计中SG3525内部的误差放大器接作射极跟随器接收外部PI的输出值并将其与内部的锯齿波相比较以产生PWM信号以实现恒流或恒压，10脚(VSHUTDOWN脚)接受保护电路的信号以及时关断PWM信号来保护主电路器件，8脚接一10UF的电容以实现软启动[12]。

3.3 驱动电路设计

在电力电子系统中，设计IGBT的驱动电路和保护电路是应用的关键。IGBT栅极驱动电路应具备如下基本功能:

(1)提供足够的栅极电压来开通IGBT并在开通期间保持这个电压; (2)在最初开通阶段，提供足够的栅极驱动电流来减少开通损耗和保证IGBT的开通速度;

(3)在关断期间，提供一个反向偏置电压来提高IGBT抗暂态dv/dt的能力和抗EMI噪声的能力并减少关断损耗;

C4)在IGBT功率电路和控制电路之间提供电气隔离。对IGBT逆变器，一般要求的电气隔离为2500V以上;

5)在短路故障发生时，驱动电路会通过合理的栅极电压动作进行IGBT保护，并发出故障信号到控制系统。

图3.6为本设计中由M57962所构成的驱动电路。

如图3.6所示SG3525输出的PWM信号经R14,R13输入至M57962的14与13脚;由开关电源输出的24VDC给驱动系统供电，经15V稳压二极管D1和电阻R1分别给电解电容C1分压15V、C2分压9V。当M57962内开关管T1导通、T2关断时，C1通过T1、R2给IGBT的G、E间加+15V电压;当T1关断、T2导通，C2通过T2、R2、D8给IGBT的G、E间加-9V电压。由此实现了仅用单极性电源供电就可为IGBT提供正负偏压驱动，简化了驱动电源。图3-7中C1、C2的主要作用就是提供IGBT栅极驱动所需

第3章控制电路设计

图3-7M57962应用电路

的高脉冲电流，对于绝大部分的电路，电容器的容量为47uf即可;此外M57962的1脚为检测端，通过检测1脚上的电压来判断IGBT是否过流，当IGBT发生过流时1脚电压大于内部设定值，M57962发出关断信号使IGBT停止工作，同时8脚输出低电平将故障信号送至控制电路[13]。

3.4 检测电路设计

充电器在运行过程中需要检测输入侧电压、电池组充电电压、充电电流。输入侧电压的检测是为了进行输入侧过欠压保护;采集电池组电压和电流是为了生成调节器所需的反馈信号和输出过压过流信号。为了在主电路与控制电路之间有效隔离，电压检测电路由光耦元件构成，电流检测电路主要由霍尔传感器构成。

3.4.1 电压采集电路

使用电压传感器时只需要在电压传感器的原边按照额定输入电流选取合适的采样电阻，就能把被测的电压信号转换成了电流信号。传感器的次级使用一个采样电阻，再把电流信号转换成低电压信号给检测电路。图3-8是整个采样电路的原理图。在此以输出充电电压最高V0380V来计算采样电阻，电压传感器的额定输入电流Iin10mA，根据现实情况，选择采样电阻为39K以使传感器工作在接近额定状态下，则输入电流和电阻上消耗的功率为：

IinVin/R9.74mA (3-12) PVinIin3.7W (3-13)

因此在这里使用了4只39K/2W的绕线电阻2并2串，每只电阻消耗的

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功率为0.925W。

传感器的次级输出侧用1只200/1W的电阻将电流信号再转换成电压信号，最大输出25mA将得到4.87V的电压信号。运算放大器LM324当作电压跟随器使用，输出电压与输入电压同相，利用其输入阻抗高、输出阻抗低的特性作为缓冲电路。电压信号从电压跟随器输出之后再经过一个滤波环节送到后面的电路。被测电压与采样电路输出的电压信号之间的关系为380V: 4.87V。输入侧电压的检测电路与电池电压检测电路类似，仅需原边采样电阻选不同阻值。被测电压与采样电路输出的电压信号之间的关系为540V:5.9V。

3.4.2 电流采集电路

主电路中输出滤波电容和电池组之间的连线从电流传感器穿过，电流从传感器穿芯孔中穿入，即可从输出端子得到与被测电流对应的电流。然后将这个电流信号送回控制电路，按图3-9电路处理。其中R301是采样电阻为51，将其转换为电压信号，经比例运算后经RC滤波后送至电流环进行PI运算[14]。

第3章控制电路设计

+15V

20K

C30247uF

R301

C30122uF

23霍尔元

件-15V

-15V

图3-9电流采集电路

3.5 保护电路设计

锂离子蓄电池对充电电压有着严格要求，在充电过程中若有电池电压超过最大值则电池会发生过热，严重时甚至会爆炸，因此对锂电池组设置过压保护是极有必要的，此外由于充电器功率较大在电网不稳定时输入电压可能

过高或过低以致影响电路正常工作，因此还应设置输入过欠压保护电路。

在充电过程中若出现输出过流的现象则一方面可能导致电感磁饱和，另一方面过大的冲击电流对电池充电会使得发热比较严重。

在SG3525的10脚施加一持续的高电平即可关断输出的PWM波，设计中利用该引脚功能以实现保护。

在本设计中当出现上述故障时，通过比较器的动作来输出一高电平至SG3525的10脚，当发生过流过压保护时，由于可能会引起较严重的后果，因此发生该类故障时应将故障信号锁存，待停机后仔细分析。

图3-10输入欠压保护电路

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图3-12输出过流保护电路

图3-10所示为输入欠压保护电路，电压采集电路将采集到的输入电压转换为对应成比例的小信号电压并与基准电压相比较，当输入电压大于设定值时比较器输出低电平信号，电路正常工作;当输入电压小于设定值时比较器输出高电平信号，欠压保护动作，将此高电平信号送到SG3525的10脚即VSHUTDOWN封锁PWM信号。图3-11所示为过压保护电路，原理与欠压保护电路相同，当发生输入过压时将输出一高电平信号以封锁PWM信号。

为了避免在故障临界处发生振荡，影响系统稳定，所以保护电路中采用了迟滞比较器产生滞环，避免了临界振荡的发生。

图3-12所示为过流保护电路。当电路出现短路或其它异常情况时，电流会迅速增大造成器件损坏，这时需迅速切断斩波电路，以保护系统的安全。由于过流故障危险，因此当发生过流时过流信号应经锁存器锁存然后过流保护动作以彻底封死输出PWM波，直至故障解除并复位以后电路才一能正常工作[15]。

3.6本章小结

本章的主要工作是控制电路的设计以及充电策略的设计。通过流程图

第3章控制电路设计

介绍了充电器的控制策略，PI调节器组成双闭环，SG3525为PWN生成芯片，M57962为驱动芯片。工作流程如下，首先由电压电流检测电路得到与输出电压电流成比例的较小的电压电流。以检测电压电流电路的输出为PI调节器的输入，经过双闭环PI调节器，输入到SG3525的输入端，SG3525生成两路PWM波，两路PWM波通过M57962分别驱动单相全桥逆变的两个桥臂来驱动逆变器，完成闭环控制功能。

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第4章仿真结果分析

4.1 系统仿真

至此，本文已完成系统的主电路、控制电路的设计工作，接下来应用MATLAB仿真来验证充电器的可行性。

由于直接系统仿真时，各个模块之间互相关联影响，计算值与实际值存在偏差，很难直接完成系统整体仿真。当仿真波形存在偏差时也不容易找到问题的根源。所以先进行分部仿真，把系统分成几个小的模块仿真，当每个模块仿真完成后再把各个模块连接到一起进行整体仿真[16]。

4.2 主电路仿真及结果分析

图4-1为仿真电路，380V三相交流电输入，经三相不控整流得到

U1514.8v直流电输出，然后经过单相逆变的到单相交流电，在经过单相整流得到稳定的直流输出。图4-2为模拟PWM发生器设计。图4-3为三相不控整流输出波形，输出波形约为514V符合要求。其中仿真调试参数为电源相电压380V，输入滤波电容Cin=0.0023F。图4-4为单相逆变输出波形，其中仿真参数隔直电容Cg=6.4uF。图4-5为恒压充电电压波形，图4-6为恒流充电电流波形。其中仿真参数高频电感L0=1200uH，滤波电容C0=110Uf。

图4-1仿真电路

第

4章仿真结果分析

图4-2模拟PWM发生器

图4-3三相不控整流波形

图4-4单相逆变波形

图4-3为380V交流电经过三相不控整流后得到的直流电输入，

Ud=2.34U0由图可见输入整流波形良好。图4-4所示为输出为380VDC时变压器原边输入电压波形由图可见，输入波形良好，且关断时的尖峰较小不会对IGBT造成关断击穿威胁。图4-5所示为变压器副边电压，电压波形中的较大尖峰主要是由二极管的反向恢复特性所造成的，适当调整缓冲电路参数

可减小电压尖峰。图4-6所示为输出电压波形，其值大小380V

。

图4-5变压器副边电压波形

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图4-6恒压充电电压波形

图4-7恒流充电电流波形

4.3 模拟电压、电流采集

由于充电器系统的闭环是由电压、电流采集电路，PI比较器，芯片

SG3525,芯片M57962实现的，用仿真方法验证其可行性比较困难尚未完成，只有用简单的模拟驱动电路和电压电流采集电路的功能。下图即为电压、电流采集波形。

图4-8电压采集波形

第4章仿真结果分析

图4-9电流采集波形

000.20.40.60.811.21.41.61.8

-3

x 10

图4-10PWM波

4.4小结

在前几章设计工作结束后，本章节使用MATLAB对电路进行了仿真实验，其中单相不可控整流电路，单相逆变器，单相整流三部分单独仿真，使用电压源，电阻等元件模拟每个模块前后所连接的电路。将三个仿真波形良好的电路结合起来，组成主电路，对模块里的各项参数进行调节，以达到比较优化的输出效果。

仿真过程中遇到各种各样的困难，通过查阅仿真资料、向老师同学求教，学会了很多关于仿真的的知识。完成了基本仿真工作，证明了本设计的可行性。

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结论

本文针对电动汽车用用锂电池充电器进行了研究，完成了硬件设计和仿真工作。在此过程中曾遇到过许多问题，从最初的主电路设计到最后的控制环路一直都在遇到问题，碰到许多看似奇怪的现象，从最开始面对问题时的手足无措到后来的仔细分析解决问题的过程锻炼了自己的思考能力，培养了科学严谨的思维方法，最重要的是祛除了原来马虎大意的不良习惯。现将所做工作总结如下:

(1)针对具体的充电要求，设计了全桥变换的主电路，并对其电压电流参数进行了计算;设计了主电路中的变压器，对电磁的理解有了进一步的加深。

(2)本设计中充电控制策略的实现是由电压电流双闭环的PI调节器来实现的，对PI调节器有了进一步了解。

(3)设计了基于M57962的IGBT驱动电路，其输出波形理想，可稳定可靠地驱动IGBT。

(4)完成了主电路的仿真，完成了验证实验。

本文针对电动汽车用充电器的设计进行了研究，通过仿真验证了其充电功能，但由于本人学识水平、实践经验以及时间等限制，在很多方面做得还不够完善，论文中难免有不成熟与欠妥之处，恳请各位老师批评指点。

结论

参考文献

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[16] 洪乃刚.电力电子和电力系统拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京.机械工业出版社.2005

致谢

时光荏苒，四年美好的大学时光匆匆而过。在这里，我不仅学到诸多学习与设计的方法和能力，更学到许多为人处世的道理。经过半年的忙碌学习，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，是无法完成这次设计工作的。

在这里首先要感谢我的指导老师闫朝阳老师。他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从方案选择到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。他严谨求实的科学态度，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。闫老师不仅在学业上给我精心指导，同时还在思想、生活上给我无微不至的关怀，在此谨向闫朝阳老师致意诚挚的谢意和崇高的敬意。

其次要感谢和我一起做毕业设计的同学，同学始终互相帮助、互相鼓励，最终大家共同圆满的完成了毕业设计，在次向所有同学表示感谢！

感谢所有帮助我、支持我的家人和朋友们。没有他们的关怀与帮助我是无法取得今天的成绩，感谢大家！

最后，我想说：老师，您对我的谆谆教导、热心帮助和无私关爱我会永远铭记于心，您永远都是我最尊敬的老师。在此祝各位老师：工作顺利、身体健康、阖家幸福！

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附录1

开题报告

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题

2.1动汽车锂电池的原理和充电特点。

锂离子电池的额定电压为３．６Ｖ。电池充满时的电压（称为终止充电电压）一般为４．２Ｖ；锂离子电池终止放电电压为２．５Ｖ。如果锂离子电池在使用过程中电压已降到２．５Ｖ后还继续使用，则称为过放电，对电池有损害。

电动汽车用锂电池充电器

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