直流充电电源设计【开题报告+文献综述+毕业论文】

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本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化直流充电电源设计一、课题研究意义及现状在上世纪九十年代之前大部分使用的还是无控制、无保护的工频变压器降压加整流这样简简单单所谓的充电器，使用时往往需人员值守，人工调节充电参数，否则大有充坏电池的可能。到了九十年代，随着电子技术的迅猛发展，特别是电动车行业的发展，结合成本等因素用开关电源及电子自动控制的充电器也迅速普及于民用，相继推出了恒流、限压的二段式和恒流、限压、涓流（保压）的三段式充电器。现在普遍使用的也就这三段式了。经过这些年的使用，普通三段式所存在的不足越来越被行业人员所察觉，它虽然有所说的智能控制，只是对于充电时的电压、电流的控制而忽略了对电池充电无比重要的脉动成分和温度特征，对付电动车电池的特征参数离散、串联格数多、温度影响大等特殊性，其“智能控制”也成为了“呆板作为”。在它控制下的蓄电池或多或少的存在过充、欠充、失水、硫化、失衡、热失控等结症。那么，有无更好的充电模式呢？目前呼声最高的莫过于脉冲充电技术。随着电力电子技术、电机技术、蓄电池技术的快速发展，以电力驱动的电动车越来越普及，因其无污染、能耗少、噪音低、易驾驶等特点，有着取代传统内燃机车的趋势，成为国内外大力推广和发展的交通工具。 目前，电动车核心部件中的电动机、控制器和车体三大部件在理论和技术上已较为成熟，而另两大部件蓄电池、充电器的发展还不能满足电动车的发展要求，有一些理论和技术问题还有待解决，现已成为影响电动交通工具发展的瓶颈。目前，我国的电动车用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池，这主要是由于铅酸蓄电池具有技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点。铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，因此广泛应用于国防、通信、铁路、交通、工农业生产部门。近年来全密封免维护铅酸蓄电池其密封好、无泄漏、无污染等优点，能够保证人体和各种用电设备的安全，而且在整个寿命期间，无需任何维护。然而，由于充电方法不正确，充电技术不能适应免维护电池的特殊需求，造成电池很难达到规定的循环寿命。虽然近年来蓄电池自身的技术有了不小的进步，但作为其能量再次补充的充电器的发展非常缓慢，传统的常规充电时间过长，快速充电技术至今仍未能完全解决，严重地制约着电动车的发展。二、课题研究的主要内容和预期目标本课题要求学生根据已经学习的知识设计出一种开关电源式蓄电池充电器。蓄电池充电器可分为两大类。货运三轮充电器一般使用带工频变压器的充电机，体积大、重量大，费电，但是可靠，便宜；电动自行车则使用所谓开关电源式充电器，省电，效率高，但是易坏。常用的开关电源式充电器又分半桥式和单激式两大类，单激类又分为正激式和反激式两类。半桥式成本高，性能好，常用于带负脉冲的充电器；单激式成本低，市场占有率高。电池充电通常要完成两个任务，首先是尽可能快地使电池恢复额定容量，另一是使用小电流充电，补充电池因自放电而损失的能量，以维持电池的额定容量。一个理想的充电器也就应该同时具备：1、减少失水：a降低恒压值；b负脉冲去极化以降低恒压值。2、去硫化：a高压大电流正脉冲去硫化；b高压小电流过充电去硫化。3、防充鼓：a降低恒压值；b升高转折电流值；c提前降低恒流值，以减少发热量；d定时关机。4、均衡：a高压小电流过充电；b高压大电流正脉冲补充电。初步的目标：通过模拟仿真，设计出比较理想的开关电源式蓄电池充电器，并且能完成电池充电的两个基本任务。最终目标：希望结合老师的指导，完成充电器的优化设计，使其能在减少失水、去硫化、防充鼓、均衡等方面有比较明显的优势。三、课题研究的方法及措施通过学过的理论知识和实验经历对蓄电池充电进行进一步的研究，在研究的过程中巩固和系统整理自己学习的知识，并在此基础上进行创新研究。先搜集有关该课题的各方面资料，同时加以认真阅读研究，再在理解认识的基础上和指导老师的指导下设计可行性的方案，最后论证和完善设计方案。1.了解开关电源的工作原理，条件，及分类；2.针对对蓄电池的特点，学习和研究蓄电池蓄电池充放电过程中的极化现象；3.理解常见的几种充电方法，如恒流充电法、阶段充电法、恒压充电法；4.学习掌握快速充电技术（脉冲式充电法、REFLEXTM快速充电法、变电流间歇充电法、变电压间歇充电法、变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法）；5.学习掌握开关电源控制技术，撰写论文。 四、课题研究进度计划毕业设计期限：自2010年10月15至2011年4月20日。第一阶段（4周）：2010年10月15日至2010年10月17日分析任务。2010年10月18日至2010年10月25日分析收集资料。2010年10月26日至2010年10月31日分析完成开题报告。2010年11月1日至2010年11月6日分析文献综述。2010年11月7日至2010年11月12日外文翻译。第二阶段（6周）：2011年2月18日至2011年2月25日学习掌握蓄电池充电基础。，2011年2月26日至2011年3月5日充电器总体方案设计。2011年3月6日方案一用PWM信号发生器实现。2011年3月7日方案二用单片机实现。2011年3月8日方案三用SOPC设计实现。2011年3月9日至2011年3月12日比较三种方案选择第三方案。2011年3月13日至2011年3月20日硬件设计。2011年3月21日至2011年3月28日软件设计。2011年3月29日至2011年4月5日撰写论文。第三阶段（2周）：2011年4月6日至2011年4月20日论文修改、准备答辩材料。五、参考文献[1]王兆安，黄俊.电力电子技术（第4版）[M].电力电子技术.北京：机械工业出版社，2002[2]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计．[M]北京：电子工业出版社，1999年．[3]沙占友等编著．新型单片开关电源设计与应用技术[M]．北京：电子工业出版社，2004[4]周志敏，周纪海,纪爱华.开关电源使用设计（第2版）[M].北京：人民邮电出版社，2007[5]UnderstandingBoostPowerstagesinSwitchModePowerSupplies.TIApplicationReport[M].Boston:kluwerAcademicPress,1998年.[6]刘凤君.现在逆变技术应用[M].北京:电子工业出版社,2006.8[7]沈锦飞,吴雷等.电源变换应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007. [8]陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京：机械工业出版社.2006，5.[9]林瑞光.电机与拖动基础[M].杭州：浙江大学出版社.2005，8.[10]麻友良.汽车电器与电子控制系统[M].第2版.北京:机械工业出版社，2008,4：18～24.[11]胡超，张华等.电动汽车直流充电系统研究[J].华东电力，2009,10,37(10).[12]朱松然.铅酸蓄电池技术[M].第2版.北京.机械工业出版社，2004.[13]MartyBrown.PowerSupplyCookbook[M].SecondEdition..UK:BostonOxfordJohannesburgMelbourneNewDelhi,2001.30-40.[14]王云艳，姜久春等.电动汽车充电站管理系统[J].微机发展，2005,15（11）. 毕业论文文献综述电气工程及自动化直流充电电源概述摘要：文章对直流充电系统的构成做了较为全面的介绍，阐述了电动车用电池的现状和发展趋势，并介绍了常见的直流充电电源。关键词：直流充电；充电电源；蓄电池充电；充电方法1.引言电动汽车能源供给系统对于电动车产业而言是不可缺少的子系统,当电动车动力电池电能消耗到一定程度,就必须使用充电系统对其动力电池进行电能补充,为电动汽车运行提供能量补给,从而满足电动汽车的循环使用。同时,要在较大范围内推广普及电动汽车,就必须配套建设能源供给系统,以增强公众对使用电动汽车的兴趣和信心。因此,电动汽车充电系统是电动汽车的重要基础支撑系统,是实现电动汽车产业化和推广普及的关键条件,对电动汽车的产业发展具有重大影响。2.直流充电系统构成直流充电系统由PWM整流装置、直流输入控制装置、直流输出控制装置和直流充电管理装置组成。其系统框图如图1所示。图1直流充电系统系统框图 各装置功能说明如下:(1)PWM整流装置:对输入的三相交流电进行整流,经滤波后,形成稳定的直流母线电压(650V),以提供给后级输出控制装置,为输出控制装置提供动力电源。(2)直流输入控制装置(DCM):主要用于直流电能计量,直流供电控制、安全防护等。(3)直流输出控制装置(PUM):主要用于与车载BMS(能量管理系统)通信,进行DC/DC功率变换,输出动力电池所需电压、电流。(4)直流充电管理装置:用于人机交互和界面显示,实现身份识别、费用收取、票据打印、数据管理、控制输入控制装置供电等。[2]3.电动车用电池的现状和发展趋势电池作为电动车动力来源，目前应用于电动车的可充式二次电池主要有:铅酸(LeadAcid)电池、镍福(NickelCadmium)电池、镍氢(NickelMetalHydride)电池和锂(Lithium)电池。（1）镍一氢电池(Ni-MH)此类蓄电池的比能量高，寿命长，有较高的比功率，污染轻等优点，被认为是较好的电动车用蓄电池。但是由于Ni-MH蓄电池的技术未臻成熟，价格贵，单体电池电压低，使用时串联电池个数多，而且均匀一致性较差，限制了蓄电池组实际可使用的寿命。尤其是镍氢电池在高温时自放电率会增高，造成电容量下降的缺点。因此认为Ni-MH蓄电池在电动车上应用的地位是暂短的、过渡性的，将来的市场份额是有限的。（2）锂离子蓄电池和聚合物铿离子蓄电池锂离子蓄电池和聚合物锂离子蓄电的比能量更高，有较高的比功率，寿命长，污染轻等优点，被认为是有希望的电动车用电池。但因内含锂活性物质，易产生化学作用，遇火、氮、酸或氧化剂时，可能会有爆炸或着火危险等安全性问题成为影响锂离子蓄电池和聚合物锂离子蓄电池在电动自行车上应用的主要制约因素。它们将成为用于高端电动车的电池，将是继铅酸蓄电池之后所占比例较大的电池。但受价格限制，暂时所占比例不会很大。（3）锌空电池锌空电池是金属一空气电池的一种，属于半燃料电池范畴。它有比能量高，原材料丰富，价格不高，污染轻等优点，被认为是电动车用电池的有竞争力的候选者。但目前还没能真正投入使用。（4）其他电池(如Ni-Zn蓄电池、锌镍蓄电池和燃料电池) 虽然它们各有特点，但都几乎没有在商业化的轻型电动车上使用。这主要是由于价格贵、综合性能不理想、或技术不成熟、或受资源、服务配套系统制约因素影响。氢氧燃料电池虽然在大力发展中，可望成为最理想的电动车电池之一，但在电动车上的应用可能还要等待很长时间(至少15年)。（5）铅酸蓄电池铅酸蓄电池在100多年的历史中一直不断地在改进提高，有的是革命性的提高，生产技术最为成熟。特别是密封免维护铅酸蓄电池因其有着成本低、价格便宜、材料来源丰富、适用性宽、可逆性好、单体电池电压高、技术和制造工艺较成熟、安全可靠、具有瞬间放电力强、大电流放电性能良好、使用温度范围广等综合因素，已成为商业化轻型电动车主要采用的电池，目前所占市场份额在95%以上。[3]4.常见的直流充电电源目前，直流充电电源主要有两种：线性稳压电源和开关电源。线性电源和开关电源的根本区别在于稳压控制方式和输出电路的不同。线性电源的稳压特性是由稳压电路中的调整管来实现的，调整管也是输出管，电路工作在调整管的线性区，因此称为线性直流稳压电源。开关电源的稳压电路由电子开关组成，用开关的工作状态来实现稳定输出电压，因此称为开关电源。其核心是DC-DC电路。DC-DC电路可以分为转换型和隔离型，隔离型比较好，输出和输入之间没有直接的电连接关系。和线性电源相比较，开关型稳压电源有以下的特点：（1）效率高。开关型稳压电源采用非线性的DC-AC-DC电压调整电路，不使用调整管，调压电路的功率开关管上的电压降很小，相应损耗小，所以效率和线性电源相比较可以得到很大的提高，一般可达65-90%。（2）重量轻。开关型稳压电源可以采用对电网输入的交流电压直接整流的方法，替代笨重的工频变压器，使电源的重量下降到1/50。（3）稳压范围宽。在输入交流电压有效值变化时，可以利用反馈电路来保持输出电压的稳定。（4）所需要的滤波电容小，由于稳压电路的功率开关管工作在几十千Hz以上，远远大于工频，因此滤波电容的容量可以大大减小。（5 ）控制电路相对线性电源比较复杂，并且瞬态响应不如线性稳压电源。储能单元和脉冲形成回路，具有储存能量和将能量转换成陡脉冲的功能。储能方式大致有两类：电容储能和电感储能。电感储能技术在现代科学技术领域中，诸如等离子体物理、受控核聚变、电磁推进、重复脉冲的大功率激光器、高功率雷达、强流带电粒子束的产生以及强脉冲电磁辐射等领域，都有着极为重要的应用。电感储能的储能密度高和传输功率大，从而使得储能装置体积小、成本低。而电容储能简单、所需充电功率小，技术成熟，容易操作，工作时不影响环境，经济合理。[5]5.充电方法的研究理论和实践证明，蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程。一般地说,充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降,不可能自动按恒流或恒压充电。充电过程中影响充电的因素很多,诸如电解液的浓度、极板活性物的浓度、环境温度等的不同,都会使充电产生很大的差异。随着放电状态、使用和保存期的不同,即使是相同型号、相同容量的同类蓄电池的充电也大不一样。上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图3-1所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向。图3-1最佳充电曲线由图1可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。蓄电池是可逆的。其放电及充电的化学反应式如下：PbO2＋Pb＋2H2SO4→2PbSO4＋2H2O(3-1)[1] 很显然，充电过程和放电过程互为逆反应[4]。可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行,而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。5．1常规充电法常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是“安培小时规则”：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安培时数。实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。一般来说，常规充电有以下3种。5．1．1恒流充电法恒流充电法[5]是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图3-1所示。控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。图3-2恒流充电曲线5.1.2阶段充电法此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图3-3所示。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。 图3-3二阶段法曲线三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。5.1.3恒压充电法充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电，如图3-4所示。由于充电初期蓄电池电动势较低充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易的控制系统。图3-4恒压充电法曲线这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。5．2快速充电方法 1972年，美国科学家马斯在第二届世界电动汽车年会上提出了著名的马斯三定律，即对于任何给定的放电电流，蓄电池充电时的电流接受比”a”与电池放出的容量的平方根成反比，即a=k1/(3-2)式中：K1为放电电流常数，视放电电流的大小而定；C为蓄电池放出的容量。马斯三定律说明，在充电过程中，当充电电流接近蓄电池固有的微量析气充电曲线时，适时地对电池进行反向大电流瞬间放电，以消除电池的极化现象，可以提高蓄电池的充电接受能力，如图1所示。也就是说通过反向大电流放电，可以使蓄电池的可接受电流曲线不断右移，同时其陡度不断增大，即α值增大，从而大大提高充电速度，缩短充电时间。基于上述理论，并考虑到铅酸蓄电池自身的一些特性，快速充电装置所用的充电方法将整个充电过程分为了预充电、脉冲快速充电、补足充电、浮充电4个阶段（1）预充电对长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池充电时，一开始就采用快速充电会影响电池的寿命。为了避免这一问题要先对蓄电池实行稳定小电流充电，使电池电压上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阈值时再进行大电流快速充电。（2）脉冲快速充电在快速充电过程中，采用分级定电流脉冲快速充电法，将充电电流分成三级，如图4-4所示。开始充电时采用大电流，随着电池容量的增加，电压逐渐升高，电流等级开始降低，使充电电流的脉冲幅度和宽度随蓄电池端电压的升高而分级减小。采用这种方法可以消电接近充满时易出现的振荡现象及过充电问题。在脉冲快速充电过程中，电池电压上升较快，当电压上升至补足充电电压阈值时，转入补足充电阶段。 图3-4（3）补足充电快速充电终止后，电池并不一定充足电，为了保证电池充入100％的电量，对电池还要进行补足充电。此阶段充电采用恒压充电，可使电池容量快速恢复。此时充电电流逐渐减小，当电流下降至某一阈值时，转入浮充阶段。（4）浮充电此阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，只要电池接在充电器上并且充电器接通电源，充电器就会给电池不断补充电荷，这样可使电池总处于充足电状态。此时也标志着充电过程已结束。6.结语目前，快速充电技术和快速充电装置设计参数尚缺乏一个统一的标准，不同厂家生产的充电电源对蓄电池充电率的要求、线路、型号、规格不同，充电效果也缺乏统一的度量，影响了快速充电技术的应用和普及。快速充电技术是对传统的充电技术的变革，它必然要对蓄电池的制造工艺提出变革，蓄电池的制造工艺和结构必须与快速充电技术相适应。只有这样，才能使这一新兴的技术得到广泛的普及和应用。参考文献[1]麻友良.汽车电器与电子控制系统[M].第2版.北京:机械工业出版社，2008,4：18～24.[2]胡超，张华等.电动汽车直流充电系统研究[J].华东电力，2009,10,37(10).[3]朱松然.铅酸蓄电池技术[M].第2版.北京.机械工业出版社，2004.[4]MartyBrown.PowerSupplyCookbook[M].SecondEdition..UK:BostonOxfordJohannesburgMelbourneNewDelhi,2001.30-40.[5]王云艳，姜久春等.电动汽车充电站管理系统[J].微机发展，2005,15（11）. [6]陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京：机械工业出版社.2006，5.[7]王兆安，黄俊.电力电子技术（第4版）[M].电力电子技术.北京：机械工业出版社，2002[8]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计．[M]北京：电子工业出版社，1999年．[9]沙占友等编著．新型单片开关电源设计与应用技术[M]．北京：电子工业出版社，2004[10]周志敏，周纪海,纪爱华.开关电源使用设计（第2版）[M].北京：人民邮电出版社，2007[11]UnderstandingBoostPowerstagesinSwitchModePowerSupplies.TIApplicationReport[M].Boston:kluwerAcademicPress,1998年.[12]刘凤君.现在逆变技术应用[M].北京:电子工业出版社,2006.8[13]沈锦飞,吴雷等.电源变换应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007.[14]林瑞光.电机与拖动基础[M].杭州：浙江大学出版社.2005，8. 毕业设计（20__届）直流充电电源设计摘要 本文介绍了充电器对蓄电池充电的一般原理，从阀控蓄电池内部氧循环的设计理念出发，研究各种充电方法对铅酸蓄电池寿命的影响。针对蓄电池充电过程中出现的种种问题，分析现有各种充电方法存在的问题，提出一种可对铅酸蓄电池实现三段式慢脉冲充电的智能充电器设计方案。采用NIOSII实时检测充电电流和蓄电池电压的实际值，分级控制开关电源的脉冲频率和实时调节脉冲占空比，从而调节充电电流和电压，实现对蓄电池的分级慢脉冲充电。并介绍了NIOSII系统开发的一般方法。这个方案不仅可实现快速充电，同时可以减少析气，消除硫化，进行均衡充电，从而大大地延长了铅酸蓄电池的使用寿命。关键词：蓄电池；开关电源；充电器；NIOSII AbstractThedesigndescribesthechargertothebatterychargerofthegeneralprinciples,fromtheinternaloxygencycleofvalve-regulatedbatterydesignconceptsstartingtostudyavarietyofchargingmethodsforlead-acidbatterylifeimplications.Forbatterychargingproblemsarisingintheprocess,analysisofexistingproblemsinavarietyofchargingmethods,proposedalead-acidbatteriescouldachievetheFour-slowpulsechargeoftheintelligentchargerdesign.Controltheswitchingpowersupplypulsefrequencyanddutycycle,thusregulatingchargecurrentandvoltagetoachievetheclassificationofthebatterychargewithslowpulse.Thisprogramnotonlyforfastcharging,whilereducinganalysisofgas,toeliminatesulfide,abalancedcharge,thusgreatlyextendingtheservicelifeoflead-acidbatteries.KeyWords:Batteries;Switchpower;Charger;NIOSII 目录1　引言12　蓄电池充电基础22.1蓄电池充电原理22.1.1蓄电池充电特性22.2蓄电池充电方式42.2.1恒流充电法42.2.2恒压充电法42.2.3浮充法52.2.4分阶段充电法52.2.5快速充电法63　充电器基础电路83.1基本电路83.1.1整流电路83.1.2滤波电路93.2其它电路103.2.1防浪涌电路103.2.2防市电过压电路113.2.3全桥和半桥式开关电源的DC/AC功率转换114　充电器总体设计方案134.1系统设计134.2方案的比较和选择135　硬件设计165.1系统硬件总体方案165.2前置放大电路165.3电池电压检测电路176　软件设计186.1NIOSII核的配置186.2软件主流程196.3数据处理软件设计207　小结22致谢23参考文献24 -0-浙江万里学院本科毕业论文1　引言随着电力电子技术、电机技术、蓄电池技术的快速发展，以电力驱动的电动车越来越普及，因其无污染、能耗少、噪音低、易驾驶等特点，有着取代传统内燃机车的趋势，成为国内外大力推广和发展的交通工具。目前，电动车核心部件中的电动机、控制器和车体三大部件在理论和技术上已较为成熟，而另两大部件蓄电池、充电器的发展还不能满足电动车的发展要求，有一些理论和技术问题还有待解决，现已成为影响电动交通工具发展的瓶颈。目前，我国的电动车用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池，这主要是由于铅酸蓄电池具有技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点。铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，因此广泛应用于国防、通信、铁路、交通、工农业生产部门。近年来全密封免维护铅酸蓄电池其密封好、无泄漏、无污染等优点，能够保证人体和各种用电设备的安全，而且在整个寿命期间，无需任何维护。然而，由于充电方法不正确，充电技术不能适应免维护电池的特殊需求，造成电池很难达到规定的循环寿命。虽然近年来蓄电池自身的技术有了不小的进步，但作为其能量再次补充的充电器的发展非常缓慢，传统的常规充电时间过长，快速充电技术至今仍未能完全解决，严重地制约着电动车的发展。 262　蓄电池充电基础2.1蓄电池充电原理2.1.1蓄电池充电特性理论和实践证明，蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程。一般地说，充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降，不可能自动按恒流或恒压充电。充电过程中影响充电的因素很多，诸如电解液的浓度、极板活性物的浓度、环境温度等的不同，都会使充电产生很大的差异。随着放电状态、使用和保存期的不同，即使是相同型号、相同容量的同类蓄电池的充电也大不一样。上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图2-1所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向。图2-1最佳充电曲线由图2-1可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。蓄电池是可逆的。其放电及充电的化学反应式如下： 26PbO2＋Pb＋2H2SO4→2PbSO4＋2H2O很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。一般来说，产生极化现象有3个方面的原因。1）欧姆极化充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。2）浓度极化电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。3）电化学极化这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。例如：电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。放电时，立即有电子释放给外电路。电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢Me－eMe＋，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子Me＋转入溶液，加速Me－eMe＋反应进行。总有一个时刻，达到新的动态平衡。但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。 262.2蓄电池充电方式由于蓄电池的充电方式有很多种，依据蓄电池的特性选择最合适的充电方法。现总结如下。2.2.1恒流充电法顾名思义，恒流充电方法就是对蓄电池进行充电时，自始至终保持充电电流不变。恒流充电虽然具有较高的充电效率，能方便地根据充电时间来决定充电是否停止，也可以改变被充蓄电池的数目，但在开始时充电电流过小，而充电后期充电电流过大，不仅充电时间长，而且耗气量大，能量高，充电效率在65%以下。恒流的电流在充电后期会电解水，产生气体，是蓄电池内部压力上升，如不加控制极易是蓄电池因失水而干枯，最终将造成蓄电池容量急剧下降。如下图2-2所示：图2-2阀控铅酸蓄电池的充电特性曲线2.2.2恒压充电法恒压充电法是充电电源的电压在充电的整个过程中保持恒定不变。这种充电方法充电初期充电电流很大，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电电流逐渐减小，充电过程不必调整电流。这种方法在充电过程中析气量也很小，充电时间短，能耗低，充电效率高，一般8小时即可充满。 26在阀控铅酸蓄电池的充电特性曲线V（图2-2）上,充电器的输出电压始终是在充电器设计人认为蓄电池安全受电的最高允许电压上，低于这个电压，则蓄电池无法充满，在充电过程中，单体蓄电池的充电电压比蓄电池本身的实际电压高；通过蓄电池的充电电流，则比蓄电池的最大安全接受电流大10倍以上。蓄电池在充电前多已经放完电，其电压处在最低电压上。若在采用恒压充电，通过蓄电池的充电电流将是蓄电池的安全接受电流的几十倍，当充电器的容量不够大时，则充电器因过载而烧毁。因此，恒压充电法不适合放电较深的蓄电池充电；不适合数量多的蓄电池充电，因不能使所有的电池均衡。故电动自行车蓄电池也不适用于恒压充电。2.2.3浮充法浮充法是充电器以很小的充电电流（C/30~C/20）对蓄电池进行充电，以确保蓄电池始终处于充满电的状态。浮充法广泛用于蓄电池作为备用电源或应急电源的电器设备中，是一种有备而无患的充电方式。2.2.4分阶段充电法分阶段充电法是在对蓄电池充电的最初阶段采用较大的充电电流，当蓄电池电压达到控制点时，则将较大的充电电流转为涓流充电。常用的分阶段充电法有二阶段充电法和三阶段充电法。①二阶段充电法是采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。它首先以恒电流将蓄电池充至预定的电压值，之后改为恒电压完成蓄电池的剩余充电。通常两阶段之间的转换电压，就是第二阶段充电的恒电压。②三阶段充电法是在对蓄电池充电开始和结束阶段采用恒电流充电，而中间阶段则采用恒电压充电。三段充电方式曲线，如图2-3所示。图2-3三段充电方式曲线 26分阶段充电方式,虽是蓄电池充电的最理想方式,但充电器电路复杂,成本高,还需要有蓄电池电压监测控制电路。充电器对蓄电池产生影响的是充电电压、充电电流和充电波形及频率.其中,充电电压与蓄电池是否充满电有关,充电电流与蓄电池充得快或慢有关,而充电的波形与频率则与蓄电池的容量与寿命(即充得好坏)有关.充电时三者各有侧重,是相辅相成的关系.而三段式电动自行车充电器的充电模式,侧重于充电电压和充电电流,缺少充电波形和频率方面的实施技术.这样,就不能在充电过程中有效地去除蓄电池电解液浓度极差、板栅硫酸盐化和极化现象.因此,理想的电动自行车充电器应具有脉冲充电、负脉冲激活,高频充电和变频充电等多种充电模式与充电技术,使电动自行车充电器既有常规充电功能,又有修补性充电功能,成为多功能充电器。2.2.5快速充电法常规充电是采用小电流慢充方式，对新的铅酸蓄电池而言，初充电需70h以上，进行普通充电也需10h以上。充电时间也不能过长，充电时间过长，不仅拉长充电监测时间，浪费电能，而且也限制了蓄电池的循环使用次数，增大了维护工作量。快速充电法是用大电流在短时间内对蓄电池进行充电。为了保证蓄电池不过充和不因大电流短时内充满而损坏，需加有控制电路。此电路能在充电末期实时地检测蓄电池的充电电压、端电压的温度，并根据随时检测到的相关参数来控制充电过程。（1）检测蓄电池电压在大电流充电末期，通过辅助电路检测蓄电池电压，当蓄电池电压达到设定值时，即将大电流转变成小电流充电，这是为了保证蓄电池的充电容量。为此，控制电路预设的充电截止电压必须比充电峰值电压低。（2）检测蓄电池端电压降（-△V）充电时通过蓄电池的充电电流，是由辅助电路在大电流充电末期，检测到的蓄电池端电压降（-△V）进行控制的，充电特性曲线如图2-4所示 26图2-4快速充电特性曲线-△V检测方式为电压检测系统，当充电器的充电峰值电压确定后，若-△V检测电路检测到蓄电池的端电压达到设定值时，由控制电路自动改变充电器的充电方式。（3）检测蓄电池温度蓄电池在充电末期，会因其负极发生氧复合反应产生热量，使蓄电池温度升高。蓄电池温度的升高最终将导致充电电流增大，为控制因温度升高所增大的电流，应在蓄电池外壳上设置温度传感器或热敏电阻等温度检测元件，实时地将蓄电池温度信息传递给控制电路。当蓄电池温度升至设定值时，控制电路即改变充电器的充电方式，或切断蓄电池的充电电路。 263　充电器基础电路3.1基本电路3.1.1整流电路由于在充电器中，必须把市电的220v50hz交流电变为直流电，这需要通过整流电路完成转换。（1）单相全波整流电路图3-1是单相全波整流电路图3-1单相全波整流电路（2）桥式整流电路图3-2所示为基于变压器中心抽头的单相全波整流电路，而在实际应用中，通常采用图3-2所示的另一种单相全波整流电路，叫桥式全波整流电路。图3-2桥式整流电路在开关电源式充电器中，这两种整流电路都得到了应用。大家都比较熟悉 263.1.2滤波电路由电路知识可知：理想电容的容抗对直流电(f=0)是无穷大，而对交流成分，频率越高容抗越小。理想电感的感抗对直流电（f=0）是0Ω，近似直通短路，而对交流成分，频率越高越高。利用电容和电感的电抗特点，可以组成形式多样的滤波器。在波器电路中，通常，将电感串联在电路中，利用的是电感对交流感抗对交流感抗大，阻挡交流成分；而将电容并联在电路中，利用的就是电容对交流容抗小，短路、旁路交流成分。一般最常见的就是电源滤波电路和电源噪声滤波电路。上节的整流电路之后输出的是脉动直流电，理论和实践都表明，它是直流电和许多频率不同的交流电的混合物。电源滤波电路的工作原理，也可解释为：将交流成分堵挡或旁路（短路），保留直流成分。这里堵挡就是利用电感对交流感抗大，串联在电路中堵挡交流成分；旁路就是利用电容对直流电容抗是无穷大，而对交流成分容抗小，并联在电路中将交流成分短路入地。图3-3（a）所示电路就是已经介绍过的电容滤波电路。接在整流电路之后，输入脉动直流电，输出较平滑的直流电。图3-3（b）所示电路由电容和电阻组合，叫RC滤波电路。图中C1是容量大的分解电容，具有一定的寄生电感，其感抗的存在造成对高频成分旁路效果差些。因此，一般并联一只容量不大但寄生电感很小的高频电容C2，可以明显改善对高频滤波的效果，弥补电解电容的不足。常用50HZ交流市电，本来是光滑的正弦波，但是工农业生产和生活中使用的各种电器，在使用中对它造成污染，可以看作在50HZ正弦波交流市电中，掺进了许多高频电流干扰。图3-3（c）所示电路就是开关电源是充电器所特有的电源噪声滤波电路。串联在市电和桥式整流电路之间。一方面，它阻挡了市电中的干扰窜进充电器，另一方面，它也阻挡了开关电源产生的干扰反窜回市电电网中造成电磁污染。 26图3-3（c）中左边图的L是双线并联绕在同一个磁芯上的滤波电感。电感L串联在电路中，利用其交流共模感抗大，阻挡共模高频干扰成分。图3-3（c）中右边图是左边图的改进，电容变成了四只C1、C2、C3、C4。它们的其中一端都接地，可将差模和共模的高频干扰通过电源插头的保护地，引入地。这几只电容容量吧大，但关系的人身安全，要求不能漏电，耐压高。图3-3滤波电路3.2其它电路3.2.1防浪涌电路开关电源式充电器中，在市电桥式整流电路后面，几乎所有电容滤波电路，滤波电路端的电压通电前为0V，加电瞬间，电容两端的电压不能跳变，相当于短路，电流极大，这个冲击电流，叫做浪涌电流，极易损坏整流管等元件，为了保护它们，在电路里串联一只负温度系数的热敏电阻。见图3-4（b）所示。图3-4使用负温系热敏电阻的放浪涌电路大多数导电材料的电阻具有正温度系数，也就是随温度上升，电阻值上升，但是这种变化微不足道。这里讲的热敏电阻是有明显正温度系数（PTC）或负温度系数的（NTC）的电阻。 26在充电器里广泛使用的是负温度系数电阻其特性见3-4（a）所示。在室温下，通电前，它仅有5-10Ω电阻值，当有电流通过时，温度会上升，其电阻会减小，这种负温度系数电阻串联在充电器的市电输入电路里，加电瞬间，室温下5-10Ω电阻的串联大大降低了浪涌电流，随通电时间增加，NTC温度升高，其电阻值下降接近0Ω，但为了维持电阻发热，需要保持一个非常小的电阻，这种小电阻对电路功率影响很小，因此，这种简单有效的防浪涌电路被广泛应用在开关电源式的充电器中。热敏电阻在原理图中的代号是Rt，在实际使用中无正负极之分。在桥式整流电路的二极管上并联小电容，对二极管也有抗浪涌保护作用。3.2.2防市电过压电路充电器还使用一种压敏电阻作市电输入过压保护，这种电阻两端电压没有超过保护值时，阻值呈现无穷大。但是当两端电压超过保护启动电压时，其电阻值急剧下降，接近短路。压敏电阻并联在充电器的市电输入短路中，在市电低于240-250V时，它的阻值接近无穷大，当市电高于保护值时，其电阻值接近0Ω，将市电输入短路，造成保险管熔断，从而切断电源，起到过压保护作用。压敏电阻在原理图中的代号是Rv，在实际使用中无正负极之分，特性和应用见图3-5所示。图3-5使用压敏电阻的防过压电路压敏电阻启动电压的测量可用摇表和电压表配合进行，在此不作介绍。3.2.3全桥和半桥式开关电源的DC/AC功率转换 26开关电源的优点是：比串联式稳压器效率高省电：PWM频率高过几十千赫：变压电感的体积重量可以做得最小，节省钢材铜材，保护电路动作时间可以做到小于半导体的（也叫焦尔）损坏时间。功率转换部分由变压器进行能量转换和传递，是个关键部位，由于变压器能对交流进行电能传递，对直流电需要通过开关将通过初级绕阻的电流大小和方向进行不断交换，这就是开关电源名字的来历。图3-6给出了常用的全桥式和半桥式开关电源的工作过程，图中V为直流电源；L1为变压器的初级绕组，L2为次级绕组；K是开关，实际电路中K是功率开关管；箭头是电流方向。图3-6全桥和半桥式开关电源的DC/AC功率转换开关电源中开关导通时间长，传输电能多，次级绕组的输出电压高，电流就相应答。用PWM控制功率开关管，就可以改变次级绕组输出的电压和电流。加上闭环反馈就可以稳定电压、电流或限制功率。 264　充电器总体设计方案4.1系统设计根据设计任务书的要求，本系统使用开关电源，通过脉冲电流的方式来实现充电的目的。由市电送来的220V交流电经整流、滤波后，经脉冲变压器降压送给蓄电池进行充电。系统可以分为控制部分和信号检测部分。控制部分则包括微处理器模块、电源通断控制模块、开关管驱动模块三个基本部分。信号检测部分由充电电流测量及充电电压测量模块组成，其中电流测量用以测量蓄电池充电时的充电电流，电压测量模块模块测量蓄电池充电时蓄电池的实时电压。这两个实时信号反馈给微处理器，由微处理器判断后，控制PWM波形的占空比。从而控制充电电压和电流的大小。当蓄电池的电压达到额定值后，说明蓄电池已经充满电，单片机控制开关，断开电源，停止充电。4.2方案的比较和选择方案一：用PWM信号发生器实现的方案。蓄电池充电时，电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样的信号经过各种处理后，分别送进PWM信号发生器的电压和电流反馈引脚。PWM信号性器对反馈回来的电压、电流信号进行分析，然后调整PWM输出信号的占空比。这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。这种方法是目前市场充电器流行使用的方法，也是一种很技术非常成熟的方法。这种方案的优点是，技术简单、成熟、有多年的实用经验、所需的元器件少、成本低，但其在没充满电的情况下就会产生过充电的现象，增加蓄电池的损耗，使蓄电池的寿命减少。方案图如图4-1所示。 26图4-1方案一框图方案二：用单片机实现的方案。由51系列单片机代替PWM信号发生器输高频变压器蓄电池PWM波形发生器电流电压反馈出PWM波形控制开关管在一个周期内的导通与断开。电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。数字信号送入单片机（MCU），由单片机对数字信号进行分析和处理。然后单片机调整PWM输出信号的占空比。这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电器便停止对蓄电池的充电。这是充电器目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术比较复杂、没有什么实用经验、所需的元器件少、成本比方案一要高，单片机使用软件来控制整个充电器，使得充电的过程易于控制。在充满电的情况下才会产生过充电的现象，减少蓄电池的损耗，延长蓄电池的寿命，方案图如图4-2所示。图4-2方案二框图方案三：用SOPC设计实现。用NIOS软核来控制A/D采样，包括将采得的数据存入RAM。由VHDL语言编写PWM信号发生器IP核，产生 26PWM波形控制开关管在一个周期内的导通与断开，并生成其它外围模块。电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。数字信号送入NIOS，由NIOS对数字信号进行分析和处理。然后NIOS调整PWM输出信号的占空比。这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电器便停止对蓄电池的充电。这是充电器目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术是最复杂、所需的元器件少、成本比上两个方案都要高，但是由于FPGA能通过编程构造各种功能的模块，可以大大的减少外围电路，增加电路的抗干扰的能力，FPGA的晶振频率一般为几十MHz，故信号的采样频率高。在充满电的情况下才会产生过充电的现象，减少蓄电池的损耗，延长蓄电池的寿命，方案图如图4-3所示。图4-3方案三框图综合以上三个方案，本次设计选择方案三进行。 265　硬件设计5.1系统硬件总体方案本文采用SOPC技术通过在FPGA中植入嵌入式系统处理器NiosII作为核心控制电路，利用FPGA中的可编程逻辑资源和IP软核来构成该嵌入式系统处理器的接口功能模块，借助于Avalon总线，实现对外围PWM模块、SDRAM等硬件的控制，FPGA通过Avalon总线对输入模块和输出等模块进行配置。整个系统的主要工作流程是：设计中用到的Altera公司的DE2开发板有丰富的硬件资源供选用，DE2开发板主要包括以下组成部分：一片CycloneIIIEP3C25器件，主动串行配置器件EPCSl6，板上内置用于编程调试和用户API设计的USBBlaster，支持JTAG模式和AS模式，32MByte高速SDRAM，50MHz晶振。EP3C25是FPGA开发平台的核心，所有其他设备都是围绕它进行设计的。在SOPCBuilder中包含了上述器件同NiosCPU的接口模块，本系统用到的模块只需在SOPCBuilder中将对应的接口模块添加进来即可。其余的如PWM模块、测速模块等将以用户自定义的接口方式添加进来。5.2前置放大电路对电流信号的处理经过一个低通滤波器和两级电路放大电路。由于蓄电池充电时电流信号的从20mA～3A，范围很大，它有一段的信号是很小，并且经过0.1Ω电阻的采样电路的后，采样电流信号幅值变为2mA～0.3A，为此在本设计中对采样电流信号进行两级放大，既前置放大电路和后级放大电路。如图5-1所示,采样电流经过由R54和C36组成的低通滤波器，让10KHz的有用信号能进入到前置放大器中，而10KHz以上的谐波信号则从电容C36流入地中，提高了电路的搞干扰能力。为了提高对充电采样电流测量的精度，利用仪用放大器AD620对采样电流进行精确的放大10倍，其中电阻R44的阻值为：R44=49.4KΩ/(A-1)=49.4KΩ/(10-1)=5.5KΩ。 26图5-1前置放大电路图5.3电池电压检测电路由电压采样电路出来的电压信号送入由R22和C24组成的低通滤波器，其截止频率为fH=1/2×3.14R22C24=1/2×3.14×1.5×103×10-8≈10.6KHz。对于频率大于10.6KHz的干扰信号经电容C24流入地，而对频率小于10.6KHz的有用信号进入电压跟随器电路中，再将信号送进模数转换芯片中。电压跟随器具有电压隔离的作用，也称为电压隔离器，电压隔离器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1，具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，你可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路，当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响，电压信号跟随器电路图如图5-2所示。图5-2电压信号跟随器电路图 266　软件设计6.1NIOSII核的配置利用NiosIIIDE完成对充电系统的控制与控制算法编写，主要使用C语言进行控制与算法编写；本文使用SOPCBuilder组建的NiosII嵌入式系统，如图6-1所示。该系统除了配置NiosII最小系统的CPU核—NiosIICPU，Avalon总线，使用FPGA资源例化的存储器之外，还有以下外接设备的控制单元：(1)SDRAMController：(2)CommonFlashInterfaee：(3)JTAGUART；(4)锁相环PLL：(5)IntervalTimer：(6)通用I/0接口，包括PWM模块接口等图6-1SOPCBuilder组建NiosII系统对于SOPCBuilder组建的NiosII系统，可以在QuartusII软件方便的调用，在QuartusII中BlockDiagram设计调用NiosII系统的框图如6-2图所示给该系统配备工作时钟，并分配FPGA的I/O管脚，程序经综合，布局，仿真之后，就可将配置文件通过各种配置方法下载到FPGA上。本设计使用JTAG+AS方式，通过USB 26Blaster下载电缆线将计算机USB接口与FPGA的JTAG口相连，把配置文件从计算机下载人FPGA。图6-2NiosII处理器系统框架图6.2软件主流程充电器只有按照铅酸电池的充电，充电效率才是最高，效果也最好。故根据前文介绍的铅酸电池的充电特性和不同的充电的方法，本设计采用分阶段充电法并以36V、12Ah铅酸蓄电池为例，当蓄电池放完电后，其充电参数为：第一阶段采用恒流充电，充电电流为（1.8±0.2）A,充电电压逐渐上升至43.2V,充电时间为4-6h。第二阶段采用恒压充电，充电电压为43.2V逐渐上升至（44.5±0.1）V,充电电流逐渐降至（0.35±0.1）A,充电时间在2-4h。第三阶段采用浮充充电,恒压为（41.4±0.2）V,浮充电流为（0.35±0.1）A。充电器软件主流程框图如图6-3所示。 26图6-3充电器软件主流程框图6.3数据处理软件设计在数据处理模块软件设计中,首先将电压值与10V电压进行比较,如果电压值小于10V,那么充电器对蓄电池进行小电流的预充电,此时NIOSII输出PWM波形的占空比为15%,之后便不断地对电压信号进行测量,随着蓄电池电压的不断增大,不断的增大PWM波形的占空比,一直到蓄电池的电压大于或等于10V。如果电压值大于10V则进入恒流充电，否则测量充电电流的大小。如果电流增大则增大PWM波形的占空比，否则返回测量蓄电池的电压。如果电压值大于10V而又小于43.2V，那么充电器对蓄电池进行恒流充电，此时NIOSII输出PWM波形的占空比设定为90%，之后便不断地对电压信号进行测量,随着蓄电池电压的不断增大,不断的减小PWM波形的占空比,一直到蓄电池的电压大于43.2V。如果电压值大于43.2V则进入恒压充电，否则测量充电电流的大小。如果电流减小则减小PWM波形的占空比，否则返回测量蓄电池的电压。如果电压值大于43.2V而又小于44.5V，那么充电器对蓄电池进行恒压充电，此时NIOSII 26输出PWM波形的占空比设定为10%，之后便不断地对电压信号进行测量,随着蓄电池电压的不断增大,不断的减小PWM波形的占空比,一直到蓄电池的电压大于等于44.5V。如果电压值大于等于44.5V则进入浮充充电，否则测量充电电流的大小。如果电流减小则减小PWM波形的占空比，否则返回测量蓄电池的电压。如果电压值大于44.5V，那么充电器对蓄电池进行浮充充电，此时NIOSII输出PWM波形的占空比设定为5%，之后便不断地对电压信号进行测量,随着蓄电池电压的不断增大,不断的减小PWM波形的占空比,一直到蓄电池的充电电流大于等于0.35A。如果电流值小于等于0.35A则停止充电，程序流程图如图6-4所示。图6-4数据处理程序流程图 267　小结本设计方案按照任务书的要求采用以NIOSII为基础设计的智能充电器，能够实现对电车的铅酸池进行充电，并能够根据充电过程自动控制，可以实现充电过程的无人值守，延长电池的使用寿命。由于设计时间短，在电路设计与充电算法方面还存在不足，有待于以后不断改进。因电动车智能充电器对可靠性要求很高，因此除了要对整体结构进行合理设计外，还要对保护电路进行完善考虑。为此，我们在下一步研究充电器可以设置输入欠压、过压及过流；输出过流、过压及短路；功率管过流及过热保护；蓄电池的过热保护。我坚信，电动车使用铅蓄电池是一个潜在的巨大的持久性产业，经过几年的努力它一定会演变成现实的生产了，给人们的生活和工作带来巨大的变化的。不可再生资源的的枯竭，能源的紧缺，环境的污染，注定了新技术新能源的开发将贯穿整个时代。 26参考文献[1]赵良炳，现代电力电子技术[M].清华大学出版社，1995.[2]朱松然，铅酸蓄电池技术第二版[M].北京.机械工业出版社，2004.[3]王鸿麟，钱建立，周晓军.智能快速充电器设计与制作[M].科学出版社，2001.[4]杨帮文，实用电池充电器与保护器电路集锦[M].电子工业出版社，2001.[5]杨旭等，开关电源技术[M]，机械工业出版社，2004.[6]王德志．蓄电池原理及应用[M]．北京：中国铁道出版社，1991.[7]周志敏，周纪海等．充电器电路设计与应用[M]．北京：人民邮电出版社，2006.[8]王鸿麟等．智能快速充电器设计与制作[M]．北京：科学技术出版社，1998[9]周志敏，周纪海等．开关电源实用技术——设计与应用[M]．北京：人民邮电出版社，2003.[10]MartyBrown.PowerSupplyCookbook[M].SecondEdition..UK:BostonOxfordJohannesburgMelbourneNewDelhi,2001.30-40.[11]UnderstandingBoostPowerstagesinSwitchModePowerSupplies.TIApplicationReport[M].Boston:kluwerAcademicPress,1998年.[12]周志敏．周纪海等．阀控式密封铅酸蓄电池实用技术[M]．北京：中国电力出版社，2004.[13]胡超，张华等.电动汽车直流充电系统研究[J].华东电力，2009,10,37(10).[14]王云艳，姜久春等.电动汽车充电站管理系统[J].微机发展，2005,15（11）. 26附录1PWM模块源代码modulePWM(clk,reset_n,chipselect,address,write,writedata,read,byteenable,readdata,PWM_out);inputclk;inputreset_n;inputchipselect;input[1:0]address;inputwrite;input[31:0]writedata;inputread;input[3:0]byteenable;output[31:0]readdata;outputPWM_out;reg[31:0]clock_divide_reg;reg[31:0]duty_cycle_reg;regcontrol_reg;regclock_divide_reg_selected;regduty_cycle_reg_selected;regcontrol_reg_selected;reg[31:0]PWM_counter;reg[31:0]readdata;regPWM_out;wirepwm_enable;always@(address)beginclock_divide_reg_selected<=0;duty_cycle_reg_selected<=0;control_reg_selected<=0;case(address)2'b00:clock_divide_reg_selected<=1;2'b01:duty_cycle_reg_selected<=1;2'b10:control_reg_selected<=1;default:beginclock_divide_reg_selected<=0;duty_cycle_reg_selected<=0;control_reg_selected<=0;endendcaseend//PWMalways@(posedgeclkornegedgereset_n)begin 26if(reset_n==1'b0)clock_divide_reg=0;elsebeginif(write&chipselect&clock_divide_reg_selected)beginif(byteenable[0])clock_divide_reg[7:0]=writedata[7:0];if(byteenable[1])clock_divide_reg[15:8]=writedata[15:8];if(byteenable[2])clock_divide_reg[23:16]=writedata[23:16];if(byteenable[3])clock_divide_reg[31:24]=writedata[31:24];endendend//?PWM????????always@(posedgeclkornegedgereset_n)beginif(reset_n==1'b0)duty_cycle_reg=0;elsebeginif(write&chipselect&duty_cycle_reg_selected)beginif(byteenable[0])duty_cycle_reg[7:0]=writedata[7:0];if(byteenable[1])duty_cycle_reg[15:8]=writedata[15:8];if(byteenable[2])duty_cycle_reg[23:16]=writedata[23:16];if(byteenable[3])duty_cycle_reg[31:24]=writedata[31:24];endendend//??????always@(posedgeclkornegedgereset_n)beginif(reset_n==1'b0)control_reg=0;elsebegin 26if(write&chipselect&control_reg_selected)beginif(byteenable[0])control_reg=writedata[0];endendend//????always@(addressorreadorclock_divide_regorduty_cycle_regorcontrol_regorchipselect)beginif(read&chipselect)case(address)2'b00:readdata<=clock_divide_reg;2'b01:readdata<=duty_cycle_reg;2'b10:readdata<=control_reg;default:readdata=32'h8888;endcaseend//assignpwm_enable=control_reg;//PWMalways@(posedgeclkornegedgereset_n)//beginif(reset_n==1'b0)PWM_counter=0;elsebeginif(pwm_enable)beginif(PWM_counter>=clock_divide_reg)PWM_counter<=0;elsePWM_counter<=PWM_counter+1;endelsePWM_counter<=0;endendalways@(posedgeclkornegedgereset_n)//设置周期beginif(reset_n==1'b0)PWM_out<=1'b0;elsebegin 26if(pwm_enable)beginif(PWM_counter<=duty_cycle_reg)//设置占空比PWM_out<=1'b1;elsePWM_out<=1'b0;endelsePWM_out<=1'b0;endendendmodule