微机控制的大功率充电电源的研制

    关键词：充电电源 PC/104工控机 全桥变换器 动力电池

对电动汽车能源的动力电池及其充电技术的研究，往往需要针对不同种类的动力电池进行多种充电方式的充电试验。这就要求研制的充电电源不仅能对不同种类的动力电池进行充电，而且要能够进行多种充电方式的充电。而目前国内市场上销售的充电电源，无论是常规充电电源还是智能化充电电源，都往往是针对某一类动力电池的，并且只能采用单一充电方式进行充电。因此为了进行动力电池充电技术的相关研究，往往需要购买多台充电电源或自行研制相应的充电电源。前者需要大量的资金和宽阔的试验场地，而后者需要较强的专业技术和较长的开发周期。本课题研制了微机控制的大功率充电电源。

图1

    该电源采用PC104工业计算机作为控制核心，选取全桥变换器拓扑电路作为主电路，通过控制主电路在不同时刻的输出电流和输出电压，可以实现多种充电方式充电；通过预置不同的参数，可以对多种动力电池进行充电；通过结合液晶显示屏和手控盒，可以方便地实现充电方式和充电参数的预置及各采样数据(电池端电压、充电电流、电池表面温度等)的显示。

1 硬件设计

1．1 主电路设计

充电电源的主电路采用目前技术上比较成熟的全桥变换拓扑电路，其原理图如图1所示。三相380V交流电压经三相整流桥整流、电容滤波后得到约514V的直流电压，经全桥逆变电路变换后得到高频脉冲电压，再经高频变压器隔离变换后，由高频整流器整流及滤波器滤波后得到所需的直流电压。主电路的PWM控制方式采用常规的PWM控制方式。功率开关器件采用新型的复合器件--绝缘栅双极晶体管IGBT，它集MOSFET和GTR的优点于一体，具有输入阻抗高、电压型驱动控制、开关损耗小、饱和电压低、通断速度快、热稳定性好等优点，是大功率全桥变换器的首选功率开关器件。变换频率取为20kHz，利于减小高频脉冲变压器及副边滤波用扼流圈的体积和重量。二次整流器件采用快恢复二极管，利于减小整流管反向恢复时间对输出电压的影响。
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    1．2 控制系统设计

充电电源主要由主电路和控制系统组成。控制系统以PC／104嵌入式工业计算机为核心，配以接口电路、采样电路、PWM控制电路及IGBT驱动电路等，可按照预置自动控制充电过程，并在充电过程中进行充电数据(包括电池端电压、充电电流及电池表面温度等)的自动采集、实时显示、批量存储及分析处理等。控制系统组成框图如图2所示。

1．2．1 PC／104嵌入式工业计算机

控制系统之所以采用PC／104嵌入式工业计算机，主要是考虑到PC／104嵌入式工业计算机具有以下几方面的显著特点：(1)小型化。PC／104采用模块化的设计方法，单个模块的体积为90mm×96mm×l5mm。若一个PC／104系统采用三个模块，在90mm×96mm×45mm的小空间内就能实现台式工控机的全部功能；(2)低助耗。绝大多数模块采用+5V电源，芯片采用CMOS芯片，功耗特别低，只有1~2W，无需外加散热装置；(3)PC／104在软、硬件上与标准PC／AT体系完全兼容，可以很快掌握其软、硬件的使用方法，而将主要精力放在软件和接口的设计上。CPU模块提供PC机的不同档次的标准化产品，便于进行更新和升级；(4)外围模块齐全，提供显示控制、磁盘控制、通讯控制、数据采集控制等各种功能的产品；(5)采用一种紧凑的层叠栈接结构，各模块间通过加固的64针和40针的直立式连接器连接，并用四个金属托架支撑，更加坚固牢靠。本系统中采用了深圳盛博科技有限公司生产的PC／104总线SCM／Super Dx嵌入式CPU模块，其内包含了Intel 80486 CPU(100MHz)、16M在板内存、1个与PC／AT兼容的双向并行口、两个RS232串行口、7个DMA、14个中断、三个计数器、一个PC／AT键盘接口等。此外，为了消除频频读写硬盘可能带来的不稳定因素，采用32MB的Disk On Chip2000半导体固态盘取代硬盘，直接装在SCM／Super Dx嵌入式CPU模块的32脚DIP插座上。