??? 摘 要： 鋰電池由于具備體積小、能量密度大、單體電壓高、自放電率低、內(nèi)阻小等特點而被廣泛應(yīng)用于混合動力系統(tǒng)" title="動力系統(tǒng)">動力系統(tǒng)中。針對傳統(tǒng)鋰電池保護電路" title="保護電路">保護電路和充電電路" title="充電電路">充電電路表現(xiàn)出的局限性，提出了基于DSP2407A的智能管理系統(tǒng)" title="管理系統(tǒng)">管理系統(tǒng)(可有效地保護鋰電源系統(tǒng))和基于PFC的充電電路(可有效地對電池充電）。實驗結(jié)果證明了設(shè)計的正確性，為混合動力汽車用鋰電源系統(tǒng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。
??? 關(guān)鍵詞： 混合動力? 鋰電池保護? 功率因數(shù)校正? 智能管理系統(tǒng)
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??? 隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，能源的過度消耗以及環(huán)境的嚴重污染，迫使人們開始考慮發(fā)展新一代節(jié)能環(huán)保型汽車。發(fā)展混合動力汽車(Hybrid Electric Vehicle)是解決能源危機和環(huán)境污染的最佳方案之一[1-3]。當汽車處于低污染要求排放區(qū)域時，為提高發(fā)動機的效率和燃油性能，一般關(guān)閉發(fā)動機，采用高性能蓄電池提供能量驅(qū)動汽車正常行駛。因此，蓄電池的性能在很大程度上決定了汽車污染物的排放和行駛路程。
??? 現(xiàn)今用于混合動力系統(tǒng)中的動力性電池有：鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池[4-5]。
??? 鉛酸電池由于能量密度低、充放電壽命短、廢棄物難處理等缺點基本上已被未來的混合動力系統(tǒng)所淘汰。鎳氫電池單體電壓相對較低，只有1.2V，且有“記憶效應(yīng)”，需要定期地大規(guī)模放電保護，這在很大程度上加大了電源管理系統(tǒng)的任務(wù)；其次，鎳氫電池自放電率高，一般情況下達到了10%～15%。
??? 與其他電池相比，鋰離子電池在容量、功率方面具有較大的優(yōu)勢。鋰離子電池功率密度高（800W/Kg）、單體電壓高（平均電壓為3.6V）、不污染環(huán)境、沒有“記憶效應(yīng)”、自放電率低(約為3%～5%)，是一種理想的動力性電池，在國外已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于混合動力系統(tǒng)和航空航天飛行器中。國內(nèi)，對大功率動力型鋰電池的研究只是在最近幾年且不成熟，本文就是基于這一現(xiàn)實提出了基于DSP2407A的鋰電池智能管理系統(tǒng)和基于PFC的充電系統(tǒng)。
1 60V/50A鋰電池智能管理系統(tǒng)
??? 在參考國內(nèi)外鋰電池保護電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于DSP2407A的鋰電池智能管理系統(tǒng)，其原理框圖如圖1所示。
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??? 鋰電池組由14個單體組成，充電上限限制電壓為60V，放電下限限制電壓為40.5V，平均放電電壓為50V，平均放電電流為40A，溫度保護門檻為110°C，均衡點為4.2V，最大充電電流為50A。
??? 此智能管理系統(tǒng)包括：過壓保護、欠壓保護、過流保護、短路保護、溫度保護等電路和基于上限充電電壓的上均衡保護電路、基于下限放電電壓的下限自鎖電路以及電量顯示電路等。在這個系統(tǒng)中，鋰電池的電量顯示電路非常重要：一方面由于鋰電源為密封裝置，電量顯示可以提示用戶還有多少能量可以利用；另一方面電量顯示電路在電源出現(xiàn)低壓時不僅向DSP控制器提出保護功能，而且還可以通過CAN總線向充電系統(tǒng)提出充電請求。
2 60V/50A鋰電池充電系統(tǒng)設(shè)計
??? 所要設(shè)計的鋰電池充電系統(tǒng)性能如下：
??? (1) 采用限流轉(zhuǎn)恒壓充電方式；
??? (2) 功率因數(shù)PF>0.97;
??? (3) 交流輸入電壓范圍：200V～240V;
??? (4) 輸出功率Pout＝3kW;
??? (5) 直流輸出浮充電壓Vout=60V;
??? (6) 最大充電電流Imax=50A。
??? 電路由兩級構(gòu)成，前級為PFC級，對輸入進行功率因數(shù)校正，同時提升電壓到380V；后級采用DC/DC" title="DC/DC">DC/DC方案，把電壓從380V降到60V，并采用限流定壓方式充電，其基本原理圖如圖2所示。
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2.1 PFC級主電路設(shè)計
??? 有源功率因數(shù)校正電路，都是基于DC/DC拓撲的，原則上有Buck、Boost、反激、正激等多種結(jié)構(gòu)。由于Boost電路具有電感電流連續(xù)、允許寬的輸入電壓范圍、驅(qū)動電路容易等特性，因此被廣泛地應(yīng)用于功率因數(shù)校正電路中。本文設(shè)計的基于Boost拓撲的PFC主電路原理圖如圖3所示。
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2.2 DC/DC主電路設(shè)計
??? DC/DC電路的功能主要是將PFC主電路輸出的380V直流電壓轉(zhuǎn)換成60V浮充電壓，最高電流為50A輸出。常用于大功率DC/DC變換器的電路有全橋和半橋電路，但這兩種電路有如下缺點：
?? ?(1)橋臂上、下開關(guān)管在不可預(yù)見的干擾下會產(chǎn)生直通短路，損壞開關(guān)管;
??? (2)某一個開關(guān)管驅(qū)動脈沖丟失時，變壓器原邊會因偏磁而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象;
??? (3)兩路驅(qū)動脈沖寬度不一致會導(dǎo)致變壓器原邊偏磁飽和。
??? 正激變換電路則避免了上述現(xiàn)象的發(fā)生，因此被廣泛地應(yīng)用于一些要求較高的開關(guān)電源中。本文設(shè)計的基于雙管正激的DC/DC電路拓撲如圖4所示。
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2.3 控制電路設(shè)計
2.3.1 PFC級控制電路設(shè)計
??? ML4824為PFC/PWM兩級復(fù)合控制芯片。PFC級控制電路原理圖如圖5所示。圖中，直流母線波信號經(jīng)R2、R3、R4、C6、C7構(gòu)成的二階濾波網(wǎng)絡(luò)成為輸入電壓前饋信號，同時母線波信號還經(jīng)電阻R5成為輸入電壓波形采樣信號。PFC級輸出電壓經(jīng)R9、R17分壓送到ML4824的電壓誤差放大器的輸入端，這個信號與基準電壓比較后成為電壓誤差信號。R1為輸入電流采樣電阻，采樣的電流信號送到ISENSE腳。R8、C11、C12和R18、C16、C17分別構(gòu)成電流誤差放大器和電壓誤差放大器的補償網(wǎng)絡(luò)。
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2.3.2 DC/DC控制電路設(shè)計
??? ML4824既可以作為電壓型PWM控制芯片，也可以作為電流型PWM控制芯片。本文將其應(yīng)用為電流型PWM控制芯片控制DC/DC電路，控制原理圖如圖6所示。圖中，輸出電壓經(jīng)分壓電阻采樣后與TL431形成的基準電壓進行比較，得到輸出電壓誤差信號，經(jīng)光耦隔離后送至芯片形成電壓環(huán)；而通過R19采樣的開關(guān)電流送至芯片形成電流環(huán)，從而構(gòu)成雙閉環(huán)調(diào)節(jié)。SQ為主電路開關(guān)管Q3的S腳。
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??? DC/DC電路實現(xiàn)限流定壓方式充電就是指在充電初期限制一個最大充電電流(通過調(diào)節(jié)圖6中電阻R19、R16來實現(xiàn))，隨著蓄電池正負極間電壓逐漸升高，充電電流也隨之減小，直至蓄電池充滿，蓄電池正負極間電壓等于電路輸出電壓，此時蓄電池處于浮充狀態(tài)，待充一個階段后DSP控制器檢測其電流，當小于某個數(shù)值就關(guān)閉充電回路。
2.4 輔助電源設(shè)計
??? 對于整個系統(tǒng)而言，需要多路不同電壓等級的直流電源，如DSP控制板需要5V、15V兩路電源，同時還供霍爾電流傳感器使用。綜合成本和實用性兩方面的考慮，選用TOPSWITCH反激式電源，其原理如圖7所示。
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3 實驗
??? 圖8為PFC控制電路不工作時的輸入電壓和輸入電流波形，由于PFC電路沒有工作，輸入電流畸變很嚴重。
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??? 圖9為PFC控制電路工作后輸入電壓和輸入電流波形，從圖中可以看出，輸入電流能夠很好地跟蹤輸入電壓波形，功率因數(shù)達到了0.99。
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??? 圖10為充電電路在恒流階段的電流波形。從圖中可以看出輸出電流紋波很小。
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??? (1)針對一般鋰電池保護電路的缺陷提出了基于DSP2407A的鋰電池智能管理系統(tǒng)。實驗證明，可很好地保護電源系統(tǒng)。
??? (2）針對一般充電電路電流畸變很嚴重的問題提出了基于功率因素校正PFC的充電電路。實驗證明，可有效地實現(xiàn)限流恒壓對鋰電池充電，電流紋波很小。
參考文獻
[1] ?熊志偉.混合動力城市客車動力系統(tǒng)研究[D]. 武漢:武漢理工大學(xué)碩士論文，2005.
[2]? 劉金玲.并聯(lián)混合動力客車控制策略研究[D]. 北京：清華大學(xué)碩士論文，2005.
[3]? 方偉新，吳森.超級電容與蓄電池并聯(lián)使用對混合動力公交車的改進[J].客車技術(shù)與研究，2005,(5)：11-14.
[4]? 陳全世，仇斌.燃料電池電動汽車[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.
[5]? 胡驊，宋慧.電動汽車[M].北京：人民交通出版社，2002.
[6] ?黃海宏，王海欣.基于TOPSwitchⅡ的開關(guān)電源設(shè)計.現(xiàn)代電子技術(shù)[J]，2006,(4):16-18.