开关稳压电源与智能充电器研究与设计

1、申报项目级别校级省级国家级第三届大学生研究性学习和创新性实验计划项目申 报 表项目名称 开关稳压电源与智能充电器的研究与设计 项目主持人 肖 艳 梅 学院班级 信息工程学院自动化系 联系电话 指导老师 盘 宏 斌 填表日期 2 0 10年4月2日 湘 潭 大 学 教 务 处 制填写说明一、申报书要按要求逐项认真填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。二、格式要求：表格中的字体用小四号仿宋体，1.5倍行距；需签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名。均用A4纸双面打印，于左侧装订成册。 三、申报国家级、省级项目如未获批立项，将参与校级项目的遴选。项目名称: 开关稳压电源与智能充

2、电器的研究与设计学院名称信息工程学院学生姓名专业名称性别入学年份彭秋波自动化男2007肖艳梅自动化女2008陈珊自动化女2008谭佳棋自动化男2008徐斌自动化男2008指导教师盘宏斌职称讲师学科专业电气工程项目研究和实验的目的和要解决的主要问题:1、 项目研究与实验目的在我国国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）中明确提出要大力发展“低能耗与新能源汽车”，重点研究开发混合动力汽车、动力蓄电池、新能源汽车实验测试及基础设施技术等。随着化石能源的日益紧缺和大气污染及其气候变暖的加剧，响应目前提倡的“节能减排、低碳经济”的发展目标，电动汽车或化石能源与蓄电池驱动的混合动力汽车具有发

3、展较好的发展前景。目前国内外一些汽车厂家已经推出混合动力汽车或者纯电动汽车，如比亚迪的F3DM双模混合动力汽车、以及本田公司等在车展上展出的纯电动汽车，还有当前使用较多的电动摩托车等，因此开发具有智能控制技术的电动车充电器还是具有一定的实用价值，符合低碳经济及其国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）的发展需要。目前传统的充电器普遍存在以下几个问题：（1）不具备对蓄电池的智能充电功能，扩展性差，人机界面不友好；（2）对同类电池充电缺乏自适应性，充电控制策略落伍，导致了电池的寿命短、效率低和可维护性差；（3）抗干扰能力差，对电网污染大，不能满足电磁兼容要求；（4）充电器之间缺乏通信

4、及群控功能，不能满足以后建立智能充电站的需要。当前我国市场上所谓的数字式开关电源只有数字显示功能，其控制系统本质上还是模拟控制或者模拟与数字结合的控制，依然有着模拟系统控制的缺点。今后相当长的一段时间内，集数控、数显、记忆功能于一体的可调式开关稳压电源研究将成为研究主流。目前对智能充电器和数字稳压电源的研究都是独立分开的，长期以来充电器只能充电而无法担当稳压电源功能，而稳压电源无法担当充电器功能，因此将智能充电功能和数字稳压功能集成在一个智能设备上，这个设备除了可以对蓄电池进行智能充电以外，还可以在其他的时候对需要直流电源的设备充当一个直流稳压电源。充电方式的选择直接影响着电池的使用效率和使用

5、寿命，充电技术近年来发展非常迅速。充电器的发展经历了三个阶段。(1)限流限压式充电器最原始的就是限压式充电，然后过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅放，其寿命表述就是时间，没有次数，比如10年，这种充电模式的效果较差。(2)恒流/限压式充电器这是充电器发展的第二阶段，这种模式的充电器占据了充电器市场近半个世纪.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.这种充电器充电电流总是低于电池的可接受能力,造成充电效率低,大大降低了电池的寿命.(3)自适应智能充电器随着大规模集成IC的出现,充电设备进入了一个全新的自适应、智能阶

6、段，即称为第三代充电器自适应充电器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。本课题就是综合国内外最新充电技术和开关稳压电源技术，针对电动车动力电池的特点，以单片机作为控制芯片，期望研究和设计出经济可靠、有较高技术含量、有推广价值和市场竞争力的一体化大功率开关稳压电源与智能充电器的智能设备，对环保、节能型电动车和充电器及其开关稳压电源的设计和开发具有重要的意义。2、实现方法本设计涉及到电力电子变换技术、PWM控制技术、信息处理、信号检测以及单片机控制技术，构成了一个以集成电路芯片和单片机控制为基础的大功率开关稳压电源与智能充电器为一体的智能设备。将市电经整流得到稳定的直流电，并在直流变换的过程中实

7、现功率因数校正（PFC），提高设备的抗干扰性，减小充电过程中的谐波含量，降低对电网的污染。通过程序设计，实现全数字化的电池充电和电源稳压的智能管理。3、拟解决的关键问题（1） 如何在传统充电器的基础上扩展出电路性能可靠、电压可调的稳压电源，并实现功率因数校正（PFC）；（2） 充电技术、开关稳压控制算法的软件设计和研究；（3） 智能设备的硬件抗干扰和软件抗干扰技术的研究与实现等。研究和实验的主要内容、研究方法与手段、预期成果:一、 研究和实验的主要内容（1） 分析当前蓄电池充电器和开关稳压电源的发展现状，指出智能充电功能和数字稳压功能集成在一个智能设备上的必要性；（2） 对电源系统的主电路进行

8、设计，对各主要元器件参数进行计算；（3） 设计基于单片机和PWM专用芯片的智能控制电路，具有完善的稳压稳流、电压电流采样、保护电路、声光报警、人机界面等功能；（4） 在学习国内外先进充电控制策略的基础上，选用或者提出自己的控制策略；（5） 设计抑制电磁干扰的措施，包括硬件方面和软件方面；（6） 在软件仿真的基础上制作出硬件电路，进行实验调试。二、 研究方法与手段（1） 通过互联网、图书馆等方式查找资料和实地考察开关稳压电源、电动车充电器的使用情况，了解现在市面上的开关稳压电源、大功率充电器存在什么样的缺陷，提出能否避免现存在的缺陷。如当前我国市场上所谓的数字式开关电源只有数字显示功能，其控制系

9、统本质上还是模拟控制或者模拟与数字结合的控制，依然有着模拟系统控制的缺点。大功率非线性用电器在使用过程中普遍存在的产生谐波污染电网，使电网功率因数下降，导致电网品质下降的问题能否在本设计中得到解决。此外，传统的充电器因为各方面的原因在使用的过程中对蓄电池的损坏很严重，对蓄电池的使用寿命和提供电能的质量都有影响。探究开关稳压电源与智能充电器的一体化研究对解决以上一系列问题是否具有可行性。（2） 基于以上设想，设计系统的结构框图如下，本开关稳压电源与智能充电器主要由电源变换电路、采样电路、微处理器、脉宽调制器、键盘和显示器等部分组成，是一个闭环的稳压电源与智能充电系统。整流市电单片机PWM控制蓄电

10、池DC/DC充电键盘采样电路显示PFC稳压电源图1 ： 稳压电源与智能充电器结构框图参数估算：输入电压90-270V AC、蓄电池4×12V、整流后输出180-380V DC、功率因数校正后功率因数接近1.0、DC/DC（稳压电源）输出电压45-65V DC（3） 设计整流电路（AC/DC）将市电变换成直流电，采用不可控整流电路，原理如右图： 图2 ：整流电路原理图（4） 采用功率因数校正（PFC）解决大功率非线性充电器在使用过程中使电网功率因数下降的缺陷。从原理上讲，任何一种DC/DC变换器，都是在在一定规律的占空比的控制下完成DC/DC变换，故只要选用合适的占空比，实现输入电流跟

11、随整流电压、输出稳定直流电压并非难事。基于以上原理，设计无桥Boost变换器电路以实现功率因数校正(PFC)。原理如下图： 图3 ：无桥Boost变换器电路（5） 设计DC/DC变换电路，将电压变换至符合要求的范围之内，本设计采用直流斩波电路，采用全控型器件的PWM直流斩波器，利用功率开关器件实现通断控制，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值。采用先进的PWM控制算法，通过软件编程，实现全数字式稳压控制，得到能提供高质量电能的开关稳压电源。直流斩波主电路原理如下图： 图4 ：直流斩波主电路（6） 开关稳压电源与智能充电器的软件设计，采用模块化的设计，包括主程序模块、充电管理模块、四

12、阶段充电策略模块、稳压管理模块、PID算法控制模块、人机界面模块等。在程序的初始阶段，首先是对单片机进行初始化，其后判断电池是否连接正确，根据电池电压值判断应该进入哪一个充电阶段。充电完成后发出声光警示、关断电源等；其中充电策略采用四阶段充电，经过激活充电、恒流充电、恒压充电、涓流浮充电，以12V蓄电池为例说明如下图： 图5 ：四阶段充电图（7） 设计PWM控制器，采用PWM专用芯片对开关稳压电源进行控制，更适合于运用开关器件的DC/DC变换器，集成控制器性能优异，所需外围器件较少，使系统更加简洁。（8） 采用基于单片机处理的采样电路来设计保护电路，这样可以由软件和硬件为系统提供双重保护，使系

13、统能更加可靠的稳定运行。（9） 在仿真软件中利用动态仿真集成环境simulink下，搭建系统原理电路进行仿真。在仿真的基础上制作出硬件电路，进行大量的实验、调试。（10）总结在设计过程中遇到的问题、解决办法、积累的经验等。三、项目创新点和特色（1）随着工业经济的迅猛发展，供电系统非线性负荷的大量增加，对电网造成的干扰愈加严重和复杂，导致电网供电质量下降。目前电力系统谐波污染与功率因数降低、电磁干扰已并列为电力系统的三大公害。该项目中针对电网功率因数下降的问题提出了功率因数校正（PFC），采用了无桥Boost变换器电路来实现PFC；l 目前对铅酸蓄电池充电器和数字开关稳压电源的研究都是独立的，人

14、们使用的铅酸蓄电池充电器只能给蓄电池充电，开关稳压电源也只有稳压的功能，不具备对蓄电池的充电功能。该项目将开关稳压电源和智能充电器结合在一起进行一体化研究与设计。（2）研究表明：过充电，可使蓄电池发热，电解液失水：而充电不足，则可使蓄电池内化学反应不充分，长期充电不足会导致蓄电池容量下降。由此可见，充电器性能的好坏直接影响着蓄电池的使用效果和使用寿命。该项目是一种以单片机为控制器用智能充电器的设计方案该装置能根据蓄电池的充电特性或实时监测到的充电状态来智能化地调节充电电压和充电电流，而且调节范围宽，并具有过流、过压等保护功能。四、预期成果（1）在simulink环境下搭建出开关稳压电源仿真模型

15、；（2）设计单片机智能控制程序，并在软件中进行仿真；（3）制作出系统电路PCB板；（4）制作出一套开关稳压电源与智能充电器的样机；（5）撰写出该智能设备的用户手册；（6）争取与该项目方面的公司的合作机会，将其开发成成熟的产品走向市场。五、项目研究进度安排徐斌谭佳琪陈珊彭秋秋肖艳梅设计整流电路和PFC电路设计采样电路设计DC/DC变换电路设计单片机控制电路及编写单片机控制程序选用充电策略开关稳压电源的市场调查及为设计开关稳压电源储备知识充电器的市场调查及为设计充电器储备知识研究将开关稳压电源与智能充电器一体化设计方案，并为系统设计保护电路将各部分电路联合设计，在软件中进行仿真实验将充电器部分联合设计并进行软件仿真实验分开关稳压电源和智能充电器两部分进行硬件制作设计PWM控制电路基于制作的开关稳压电源与智能充电器样机进行大量的实验并调试完成整个项目，撰写论文，结题报告争取与公司合作机会开发该项目产品第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段附：各阶段结束时，认真总结遇到的问题， 并寻求解决方案，为下阶段研究准备；第二阶段结束时，撰写中期检查报告； 第四阶段结束时，撰写项目结题报告。六、经费预算主要用途预算经费（元）阶段经费计划（元）开支项目 前半阶段后半阶段购买所需软硬件5000租用仪器设备2000外协加工费用1500收集资料、调研、管理费用等1500