一種電動汽車的快速充電系統設計

引言

　　由于石油危機和日益嚴重的環境污染，電動汽車發展已經是大勢所趨。蓄電池為電動汽車提供動力，而蓄電池充電性能直接影響蓄電池的使用和壽命，蓄電池一般分為鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。由于蓄電池種類繁多且容量不一，不同種類和容量的蓄電池往往需要不同的充電器匹配，如果蓄電池的充電器匹配不好會出現過充過熱等不安全現象，從而影響蓄電池的正常使用并縮短蓄電池壽命。因此，設計一款基于單片機控制的能為各類蓄電池充電的多功能充電系統是十分必要的。多功能充電系統能快速穩定地為不同類型和不同容量的蓄電池充電，我們在軟件上針對不同類型的蓄電池設計了相應的充電方法，使每種蓄電池都能在最佳充電方法下充電。對于不同容量的蓄電池，在選擇好充電方法時只要設定充電參數即可快速穩定地為蓄電池充電。

　　1 硬件電路設計

　　本系統采用移相全橋軟開關電路，即將Boost電路與全橋變換器合成一起組成單級PFC電路，該電路結構簡單、效率高，可以實現對輸入電流的整定，又可以工作在較大功率場合，發揮了全橋電路的優勢。

　　系統主要由充電主電路和充電控制回路組成，圖1為多功能快速充電系統硬件原理圖。

　　1.1 系統工作原理

　　本設計采用了開關電源技術，最大功率為3500W，先將220V單相工頻交流電，經4個二極管組成全橋電路進行整流，再經過大電容濾波得到300V左右的直流電，此時直流電中紋波較大。直流電通過由4個絕緣柵雙極晶體管（IGBT）組成的全橋逆變器，得到電壓可調的高頻交流電，經高頻變壓器耦合到副邊，再經全橋整流，最后經電感電容濾波得到紋波很小的直流電為蓄電池充電。多功能充電系統能為不同類型的蓄電池及容量不同的蓄電池充電，其充電過程中的充電電壓、電流通過單片機實時控制，整個充電系統為反饋控制系統，單片機通過實時檢測充電過程中的電流、電壓及溫度監測整個充電過程，有效地避免了充電過程中過流、過壓及過熱現象，使充電過程安全穩定地進行。

　　逆變橋前的空氣開關是為了防止電路中出現短路或大電流損壞蓄電池或電子器件。單片機通過檢測充電電流、電壓及溫度與充電前的設定值進行比較，控制輸出4路PWM波到4個IGBT的柵極，從而控制其集電極到發射極電流通斷時間，達到控制輸出電壓的目的。

　　由于IGBT需隔離驅動，本設計選用了三菱公司IBGT專用驅動芯片M57962L，圖2是其應用電路。

　　由于選用了4只IGBT組成全橋逆變器，每個IGBT需要一個M57962L芯片驅動，而每個M57662L芯片需要3個電壓等級即15V、l0V、5v為其供電，其中5v電壓同時為MC9S12XS128單片機供電，本文設計了一款功率為50W的變壓器，為單片機及4個M57962L芯片供電，其次級繞組輸出3組電壓，經整流濾波穩壓后，得到上述所需的3個電壓。

　　1.2 充電控制回路

　　選用飛思卡爾MC9S12XS128單片機作為控制核心進行數據采集和控制，其內部數據存儲器8KB、程序存儲器128KB，2個SCI、1個SPI、1個IIC、1個CAN、16路A/D、8路PWM、8路ECT模塊，其工作頻率為80MHz，運算速度快，處理能力大大提高。該芯片集成了l6路l2位高精度的A/D轉換器，能直接對蓄電池的充電電壓、電流及溫度進行檢測，8路PWM可直接輸出到M57962L芯片控制IGBT的通斷，簡化了單片機外圍電路的設計。

　　1.2.1 電壓檢測

　　本系統選用電阻分壓式結構，并聯在充電電路中監測電壓信號，電壓信號從PAD0口經單片機自帶A/D轉換器傳至單片機進行處理，這種結構能根據外面的實際電壓自動選用相應的量程檢測電壓，使電壓越小時，檢測到的電壓精度越高，有助于更精確地控制充電過程中的充電電壓的變化。

　　1.2.2 電流檢測

　　　本系統選用霍爾式電流傳感器檢測充電電流信號，并將檢測到的電流信號經過一定的換算處理從PAD1口經單片機自帶的A/D轉換器傳至單片機進行處理，該傳感器精度高，能精確的檢測到充電電流0.1A的變化。