開關(guān)穩(wěn)壓電源與智能充電器研究與設(shè)計(jì)

1、申報(bào)項(xiàng)目級(jí)別校級(jí)省級(jí)國(guó)家級(jí)第三屆大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目申 報(bào) 表項(xiàng)目名稱 開關(guān)穩(wěn)壓電源與智能充電器的研究與設(shè)計(jì) 項(xiàng)目主持人 肖 艷 梅 學(xué)院班級(jí) 信息工程學(xué)院自動(dòng)化系 聯(lián)系電話 指導(dǎo)老師 盤 宏 斌 填表日期 2 0 10年4月2日 湘 潭 大 學(xué) 教 務(wù) 處 制填寫說明一、申報(bào)書要按要求逐項(xiàng)認(rèn)真填寫，填寫內(nèi)容必須實(shí)事求是，表達(dá)明確嚴(yán)謹(jǐn)?？杖表?xiàng)要填“無”。二、格式要求：表格中的字體用小四號(hào)仿宋體，1.5倍行距；需簽字部分由相關(guān)人員以黑色鋼筆或水筆簽名。均用A4紙雙面打印，于左側(cè)裝訂成冊(cè)。 三、申報(bào)國(guó)家級(jí)、省級(jí)項(xiàng)目如未獲批立項(xiàng)，將參與校級(jí)項(xiàng)目的遴選。項(xiàng)目名稱: 開關(guān)穩(wěn)壓電源與智能充

2、電器的研究與設(shè)計(jì)學(xué)院名稱信息工程學(xué)院學(xué)生姓名專業(yè)名稱性別入學(xué)年份彭秋波自動(dòng)化男2007肖艷梅自動(dòng)化女2008陳珊自動(dòng)化女2008譚佳棋自動(dòng)化男2008徐斌自動(dòng)化男2008指導(dǎo)教師盤宏斌職稱講師學(xué)科專業(yè)電氣工程項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的和要解決的主要問題:1、 項(xiàng)目研究與實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谖覈?guó)國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）中明確提出要大力發(fā)展“低能耗與新能源汽車”，重點(diǎn)研究開發(fā)混合動(dòng)力汽車、動(dòng)力蓄電池、新能源汽車實(shí)驗(yàn)測(cè)試及基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)等。隨著化石能源的日益緊缺和大氣污染及其氣候變暖的加劇，響應(yīng)目前提倡的“節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展目標(biāo)，電動(dòng)汽車或化石能源與蓄電池驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力汽車具有發(fā)

3、展較好的發(fā)展前景。目前國(guó)內(nèi)外一些汽車廠家已經(jīng)推出混合動(dòng)力汽車或者純電動(dòng)汽車，如比亞迪的F3DM雙?；旌蟿?dòng)力汽車、以及本田公司等在車展上展出的純電動(dòng)汽車，還有當(dāng)前使用較多的電動(dòng)摩托車等，因此開發(fā)具有智能控制技術(shù)的電動(dòng)車充電器還是具有一定的實(shí)用價(jià)值，符合低碳經(jīng)濟(jì)及其國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）的發(fā)展需要。目前傳統(tǒng)的充電器普遍存在以下幾個(gè)問題：（1）不具備對(duì)蓄電池的智能充電功能，擴(kuò)展性差，人機(jī)界面不友好；（2）對(duì)同類電池充電缺乏自適應(yīng)性，充電控制策略落伍，導(dǎo)致了電池的壽命短、效率低和可維護(hù)性差；（3）抗干擾能力差，對(duì)電網(wǎng)污染大，不能滿足電磁兼容要求；（4）充電器之間缺乏通信

4、及群控功能，不能滿足以后建立智能充電站的需要。當(dāng)前我國(guó)市場(chǎng)上所謂的數(shù)字式開關(guān)電源只有數(shù)字顯示功能，其控制系統(tǒng)本質(zhì)上還是模擬控制或者模擬與數(shù)字結(jié)合的控制，依然有著模擬系統(tǒng)控制的缺點(diǎn)。今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，集數(shù)控、數(shù)顯、記憶功能于一體的可調(diào)式開關(guān)穩(wěn)壓電源研究將成為研究主流。目前對(duì)智能充電器和數(shù)字穩(wěn)壓電源的研究都是獨(dú)立分開的，長(zhǎng)期以來充電器只能充電而無法擔(dān)當(dāng)穩(wěn)壓電源功能，而穩(wěn)壓電源無法擔(dān)當(dāng)充電器功能，因此將智能充電功能和數(shù)字穩(wěn)壓功能集成在一個(gè)智能設(shè)備上，這個(gè)設(shè)備除了可以對(duì)蓄電池進(jìn)行智能充電以外，還可以在其他的時(shí)候?qū)π枰绷麟娫吹脑O(shè)備充當(dāng)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源。充電方式的選擇直接影響著電池的使用效率和使用

5、壽命，充電技術(shù)近年來發(fā)展非常迅速。充電器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段。(1)限流限壓式充電器最原始的就是限壓式充電，然后過渡到限流限壓式充電，它使用的方式就是淺充淺放，其壽命表述就是時(shí)間，沒有次數(shù)，比如10年，這種充電模式的效果較差。(2)恒流/限壓式充電器這是充電器發(fā)展的第二階段，這種模式的充電器占據(jù)了充電器市場(chǎng)近半個(gè)世紀(jì).首先,以恒電流充電至預(yù)定的電壓值,然后,改為恒電壓完成剩余的充電.一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓.這種充電器充電電流總是低于電池的可接受能力,造成充電效率低,大大降低了電池的壽命.(3)自適應(yīng)智能充電器隨著大規(guī)模集成IC的出現(xiàn),充電設(shè)備進(jìn)入了一個(gè)全新的自適應(yīng)、智能階

6、段，即稱為第三代充電器自適應(yīng)充電器遵循各類電池的充、放電規(guī)律進(jìn)行充、放電。本課題就是綜合國(guó)內(nèi)外最新充電技術(shù)和開關(guān)穩(wěn)壓電源技術(shù)，針對(duì)電動(dòng)車動(dòng)力電池的特點(diǎn)，以單片機(jī)作為控制芯片，期望研究和設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)可靠、有較高技術(shù)含量、有推廣價(jià)值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的一體化大功率開關(guān)穩(wěn)壓電源與智能充電器的智能設(shè)備，對(duì)環(huán)保、節(jié)能型電動(dòng)車和充電器及其開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和開發(fā)具有重要的意義。2、實(shí)現(xiàn)方法本設(shè)計(jì)涉及到電力電子變換技術(shù)、PWM控制技術(shù)、信息處理、信號(hào)檢測(cè)以及單片機(jī)控制技術(shù)，構(gòu)成了一個(gè)以集成電路芯片和單片機(jī)控制為基礎(chǔ)的大功率開關(guān)穩(wěn)壓電源與智能充電器為一體的智能設(shè)備。將市電經(jīng)整流得到穩(wěn)定的直流電，并在直流變換的過程中實(shí)

7、現(xiàn)功率因數(shù)校正（PFC），提高設(shè)備的抗干擾性，減小充電過程中的諧波含量，降低對(duì)電網(wǎng)的污染。通過程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的電池充電和電源穩(wěn)壓的智能管理。3、擬解決的關(guān)鍵問題（1） 如何在傳統(tǒng)充電器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展出電路性能可靠、電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源，并實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正（PFC）；（2） 充電技術(shù)、開關(guān)穩(wěn)壓控制算法的軟件設(shè)計(jì)和研究；（3） 智能設(shè)備的硬件抗干擾和軟件抗干擾技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)等。研究和實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容、研究方法與手段、預(yù)期成果:一、 研究和實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容（1） 分析當(dāng)前蓄電池充電器和開關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展現(xiàn)狀，指出智能充電功能和數(shù)字穩(wěn)壓功能集成在一個(gè)智能設(shè)備上的必要性；（2） 對(duì)電源系統(tǒng)的主電路進(jìn)行

8、設(shè)計(jì)，對(duì)各主要元器件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算；（3） 設(shè)計(jì)基于單片機(jī)和PWM專用芯片的智能控制電路，具有完善的穩(wěn)壓穩(wěn)流、電壓電流采樣、保護(hù)電路、聲光報(bào)警、人機(jī)界面等功能；（4） 在學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)充電控制策略的基礎(chǔ)上，選用或者提出自己的控制策略；（5） 設(shè)計(jì)抑制電磁干擾的措施，包括硬件方面和軟件方面；（6） 在軟件仿真的基礎(chǔ)上制作出硬件電路，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試。二、 研究方法與手段（1） 通過互聯(lián)網(wǎng)、圖書館等方式查找資料和實(shí)地考察開關(guān)穩(wěn)壓電源、電動(dòng)車充電器的使用情況，了解現(xiàn)在市面上的開關(guān)穩(wěn)壓電源、大功率充電器存在什么樣的缺陷，提出能否避免現(xiàn)存在的缺陷。如當(dāng)前我國(guó)市場(chǎng)上所謂的數(shù)字式開關(guān)電源只有數(shù)字顯示功能，其控制系

9、統(tǒng)本質(zhì)上還是模擬控制或者模擬與數(shù)字結(jié)合的控制，依然有著模擬系統(tǒng)控制的缺點(diǎn)。大功率非線性用電器在使用過程中普遍存在的產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng)，使電網(wǎng)功率因數(shù)下降，導(dǎo)致電網(wǎng)品質(zhì)下降的問題能否在本設(shè)計(jì)中得到解決。此外，傳統(tǒng)的充電器因?yàn)楦鞣矫娴脑蛟谑褂玫倪^程中對(duì)蓄電池的損壞很嚴(yán)重，對(duì)蓄電池的使用壽命和提供電能的質(zhì)量都有影響。探究開關(guān)穩(wěn)壓電源與智能充電器的一體化研究對(duì)解決以上一系列問題是否具有可行性。（2） 基于以上設(shè)想，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下，本開關(guān)穩(wěn)壓電源與智能充電器主要由電源變換電路、采樣電路、微處理器、脈寬調(diào)制器、鍵盤和顯示器等部分組成，是一個(gè)閉環(huán)的穩(wěn)壓電源與智能充電系統(tǒng)。整流市電單片機(jī)PWM控制蓄電

10、池DC/DC充電鍵盤采樣電路顯示PFC穩(wěn)壓電源圖1 ： 穩(wěn)壓電源與智能充電器結(jié)構(gòu)框圖參數(shù)估算：輸入電壓90-270V AC、蓄電池4×12V、整流后輸出180-380V DC、功率因數(shù)校正后功率因數(shù)接近1.0、DC/DC（穩(wěn)壓電源）輸出電壓45-65V DC（3） 設(shè)計(jì)整流電路（AC/DC）將市電變換成直流電，采用不可控整流電路，原理如右圖： 圖2 ：整流電路原理圖（4） 采用功率因數(shù)校正（PFC）解決大功率非線性充電器在使用過程中使電網(wǎng)功率因數(shù)下降的缺陷。從原理上講，任何一種DC/DC變換器，都是在在一定規(guī)律的占空比的控制下完成DC/DC變換，故只要選用合適的占空比，實(shí)現(xiàn)輸入電流跟

11、隨整流電壓、輸出穩(wěn)定直流電壓并非難事?；谝陨显?，設(shè)計(jì)無橋Boost變換器電路以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)。原理如下圖： 圖3 ：無橋Boost變換器電路（5） 設(shè)計(jì)DC/DC變換電路，將電壓變換至符合要求的范圍之內(nèi)，本設(shè)計(jì)采用直流斬波電路，采用全控型器件的PWM直流斬波器，利用功率開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)通斷控制，通過通、斷時(shí)間的變化來改變負(fù)載上的直流電壓平均值。采用先進(jìn)的PWM控制算法，通過軟件編程，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字式穩(wěn)壓控制，得到能提供高質(zhì)量電能的開關(guān)穩(wěn)壓電源。直流斬波主電路原理如下圖： 圖4 ：直流斬波主電路（6） 開關(guān)穩(wěn)壓電源與智能充電器的軟件設(shè)計(jì)，采用模塊化的設(shè)計(jì)，包括主程序模塊、充電管理模塊、四

12、階段充電策略模塊、穩(wěn)壓管理模塊、PID算法控制模塊、人機(jī)界面模塊等。在程序的初始階段，首先是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，其后判斷電池是否連接正確，根據(jù)電池電壓值判斷應(yīng)該進(jìn)入哪一個(gè)充電階段。充電完成后發(fā)出聲光警示、關(guān)斷電源等；其中充電策略采用四階段充電，經(jīng)過激活充電、恒流充電、恒壓充電、涓流浮充電，以12V蓄電池為例說明如下圖： 圖5 ：四階段充電圖（7） 設(shè)計(jì)PWM控制器，采用PWM專用芯片對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行控制，更適合于運(yùn)用開關(guān)器件的DC/DC變換器，集成控制器性能優(yōu)異，所需外圍器件較少，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔。（8） 采用基于單片機(jī)處理的采樣電路來設(shè)計(jì)保護(hù)電路，這樣可以由軟件和硬件為系統(tǒng)提供雙重保護(hù)，使系

13、統(tǒng)能更加可靠的穩(wěn)定運(yùn)行。（9） 在仿真軟件中利用動(dòng)態(tài)仿真集成環(huán)境simulink下，搭建系統(tǒng)原理電路進(jìn)行仿真。在仿真的基礎(chǔ)上制作出硬件電路，進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)、調(diào)試。（10）總結(jié)在設(shè)計(jì)過程中遇到的問題、解決辦法、積累的經(jīng)驗(yàn)等。三、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)和特色（1）隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，供電系統(tǒng)非線性負(fù)荷的大量增加，對(duì)電網(wǎng)造成的干擾愈加嚴(yán)重和復(fù)雜，導(dǎo)致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降。目前電力系統(tǒng)諧波污染與功率因數(shù)降低、電磁干擾已并列為電力系統(tǒng)的三大公害。該項(xiàng)目中針對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)下降的問題提出了功率因數(shù)校正（PFC），采用了無橋Boost變換器電路來實(shí)現(xiàn)PFC；l 目前對(duì)鉛酸蓄電池充電器和數(shù)字開關(guān)穩(wěn)壓電源的研究都是獨(dú)立的，人

14、們使用的鉛酸蓄電池充電器只能給蓄電池充電，開關(guān)穩(wěn)壓電源也只有穩(wěn)壓的功能，不具備對(duì)蓄電池的充電功能。該項(xiàng)目將開關(guān)穩(wěn)壓電源和智能充電器結(jié)合在一起進(jìn)行一體化研究與設(shè)計(jì)。（2）研究表明：過充電，可使蓄電池發(fā)熱，電解液失水：而充電不足，則可使蓄電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)不充分，長(zhǎng)期充電不足會(huì)導(dǎo)致蓄電池容量下降。由此可見，充電器性能的好壞直接影響著蓄電池的使用效果和使用壽命。該項(xiàng)目是一種以單片機(jī)為控制器用智能充電器的設(shè)計(jì)方案該裝置能根據(jù)蓄電池的充電特性或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到的充電狀態(tài)來智能化地調(diào)節(jié)充電電壓和充電電流，而且調(diào)節(jié)范圍寬，并具有過流、過壓等保護(hù)功能。四、預(yù)期成果（1）在simulink環(huán)境下搭建出開關(guān)穩(wěn)壓電源仿真模型

15、；（2）設(shè)計(jì)單片機(jī)智能控制程序，并在軟件中進(jìn)行仿真；（3）制作出系統(tǒng)電路PCB板；（4）制作出一套開關(guān)穩(wěn)壓電源與智能充電器的樣機(jī)；（5）撰寫出該智能設(shè)備的用戶手冊(cè)；（6）爭(zhēng)取與該項(xiàng)目方面的公司的合作機(jī)會(huì)，將其開發(fā)成成熟的產(chǎn)品走向市場(chǎng)。五、項(xiàng)目研究進(jìn)度安排徐斌譚佳琪陳珊彭秋秋肖艷梅設(shè)計(jì)整流電路和PFC電路設(shè)計(jì)采樣電路設(shè)計(jì)DC/DC變換電路設(shè)計(jì)單片機(jī)控制電路及編寫單片機(jī)控制程序選用充電策略開關(guān)穩(wěn)壓電源的市場(chǎng)調(diào)查及為設(shè)計(jì)開關(guān)穩(wěn)壓電源儲(chǔ)備知識(shí)充電器的市場(chǎng)調(diào)查及為設(shè)計(jì)充電器儲(chǔ)備知識(shí)研究將開關(guān)穩(wěn)壓電源與智能充電器一體化設(shè)計(jì)方案，并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)保護(hù)電路將各部分電路聯(lián)合設(shè)計(jì)，在軟件中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)將充電器部分聯(lián)合設(shè)計(jì)并進(jìn)行軟件仿真實(shí)驗(yàn)分開關(guān)穩(wěn)壓電源和智能充電器兩部分進(jìn)行硬件制作設(shè)計(jì)PWM控制電路基于制作的開關(guān)穩(wěn)壓電源與智能充電器樣機(jī)進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)并調(diào)試完成整個(gè)項(xiàng)目，撰寫論文，結(jié)題報(bào)告爭(zhēng)取與公司合作機(jī)會(huì)開發(fā)該項(xiàng)目產(chǎn)品第一階段第二階段第三階段第四階段附：各階段結(jié)束時(shí)，認(rèn)真總結(jié)遇到的問題， 并尋求解決方案，為下階段研究準(zhǔn)備；第二階段結(jié)束時(shí)，撰寫中期檢查報(bào)告； 第四階段結(jié)束時(shí)，撰寫項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告。六、經(jīng)費(fèi)預(yù)算主要用途預(yù)算經(jīng)費(fèi)（元）階段經(jīng)費(fèi)計(jì)劃（元）開支項(xiàng)目 前半階段后半階段購(gòu)買所需軟硬件5000租用儀器設(shè)備2000外協(xié)加工費(fèi)用1500收集資料、調(diào)研、管理費(fèi)用等1500