文档介绍：动力锂离子电池充电电源设计技术
赵永国赵拥强
摘要:本文叙述充电电源的总体方案,设计了一款以SG3525和IR2113芯片为控制和驱动芯片的高频逆变式充电电源,电源主电路采用高频整流电路、滤波电路、高频逆变电路等。完成了主电路中变压器的设计及功率磁性元器件的设计,主要功率器件的选型等,进行了控制电路设计,控制部分采用电压外环电流内环的双闭环PI调节器实现主电路的恒流恒压输出,同时设计了保护电路,防止过压过流现象的发生。
关键词:高频逆变,充电电源,PI,电动汽车,全桥变换
1 引言
作为电动汽车的动力源泉,电池的问题引起了各研究机构的广泛关注。在现有实用的电池中,锂离子电池被公认为是最有希望的动力电池。锂离子蓄电池与其他电池相比,主要有以下特点:
(1)高能量密度:锂离子电池的重量是相同容量的镍福或镍氢电池的一半,体积是镍镉的40—50%,镍氢的20—30%。
(2)高电压:,相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。
(3)无污染:锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。
(4)循环寿命高:在正常条件下,锂离子电池的充放电周期可超过500次。
(5)无记忆效应:由于锂离子电池不存在记忆效应,因此在未完全充放电的情况下不会减小容量。但若过充的话则会影响锂电池的寿命。
基于上述特点,锂离子电池十分适宜于作为电动汽车的动力源。目前北京已有锂离子蓄电池纯电动公交车示范运行线并运行良好,说明锂离子电池应用于电动汽车会取得良好的效果。对于蓄电池的使用和维护来说,能充分、安全、高效的对其进行充电是一个很重要的问题,其效果直接影响到了电池的性能和寿命。电动汽车的发展正处于一个方兴未艾的时期,本实验室也积极参于到了该课题的研究中。文中所设计的充电器正是基于实验室课题针对动力锂电池组而设计的。
2 总体方案设计
充电电源设计指标
本设计的主要任务是设计一款动力锂离子电池充电电源,基本要求为小型化、轻量化、智能化。其具体设计要求如下:
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(1)输入电压:交流220V (2)输出电压:直流72V (3)输出电流:10A
(4)输出过流保护:输出电流为110%额定电流时过流保护,切断直流输出。(5)输出过压保护:输出电压超过110%额定电压停止输出,电压低于过压值后自动恢复
(6)输入过压保护:输入电压超过250V,自动关闭,电压正常后自动恢复(7)逆变功率元件采用MOSFET或IGBT (8)采用电压、电流双反馈控制(9)逆变控制采用专用PWM集成电路实现
总体方案设计
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图2-1 方案设计框图
本系统采用SG3525单片集成PWM控制芯片为控制核心,外加输入电压检测电路、输出电压检测电路、输出电流检测电路、驱动电路、整流电路、滤波电路、高频逆变电路、高频变压器电路、保护电路,由于需要选择高频逆变元件,所以本方案选择以功率MOSFET为开关变换器的逆变元件。设计中采用了电流、电压双反馈的方法来达到恒流或恒压充电的目的,应用了SG3525脉宽调制器和IR2113驱动器以及相应的控制电路。动力锂离子电池充电电源电路主要包括主电源回路、控制电路两部分。主回路部分由桥式整流电路、滤波电路、全桥逆变电路,PWM波形产生电路和驱动电路等电路组成。交流电输入后,经全桥整流得到300V左右的直流电,由大电容进行低频滤波。电路中由MOSFETQ1、Q2、Q3、Q4组成全桥逆变器,通过给MOSFETQ1、Q3组成的超前桥臂和Q2、Q4组成的滞后桥臂分别加PWM控制信号,是全桥逆变电路的输出端可得到脉宽可调的高频交流电,然后经隔直电容滤去直流分量,防止变压器直流偏礠,得到的交流方波经变压器得到理想的交流电压,然后经全桥整流得到直流电,并经滤波电路的到72V左右的直流电输出。对于输入电压保护,采用变压器降压、全桥整流、滤波电路得到直流电并与给定电压比较控制SG3525的SD端。输出过流保护采用霍尔电流传感器,检测电流经比较电路接至SG3525的SD端。输出过压保护采用的是霍尔电压传感器,检测电压值,并与给定电压比较,比较后同样接至
SG3525的SD端。SG3525控制IR2113的运行。输出电路的电压检测电路和电流检测电路分别接至电压、电流反馈电路的电压输入端和电流输入端,进而起到反馈的作用。
充电电源主回路设计
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,综合考虑开关管损耗及电感体积,开关管工作频率设定为50KHz,即周期为20us死区设定为2us。
图2-2 充电电源的主电路
输入整流滤波电路计算
输入滤波电容Cin的选择是比较关键的,(1)Cin如果