总线型锂电池充电系统设计说明书2012年8月天津大学电气与自动化工程学院目录第一章技术规范和要求 (2)第二章系统概述 (3)第三章各模块功能实现 (5)第四章性能和技术保障 (12)第五章项目实施和产品报价 (13)第一章技术规范和要求一、技术指标1.运行环境条件：海拔小于2500m（室内/室外），环境温度-40℃～+55℃；相对湿度≤95%；2.运输和贮存环境条件：海拔小于3500m（室内/室外）温度-45℃～+80℃；相对湿度≤95%；3.防护等级：IP45；4.输入电源：180V～250V,50±5Hz；5.单模块技术指标：输出电压0～7V,输出电流20A,效率>0.9,纹波<100mv；6.输入输出隔离电压Vrms≥3500V/1mA 1min。
二、电源充电指标1.采取全并充充电模式；具备恒流、恒压和限流充电功能；2.充电电流3A～7A；控制精度±0.2A；检测精度±0.05A，恒流充电电流值可以在其允许的范围内任意设置（设置的最小单位为0.05A）；3.单体电池恒压充电值为3V至4.15V，精度为±0.02V，恒压充电电压值可以在其允许的范围内任意设置（设置的最小单位为0.02V）；4.截止充电电流值为0.5A，截止充电电压值为4.17V，截止充电时间为1-8h可设定；5.充电机具备双总线通讯接口，可冗余通讯故障，通过配套的控制软件和上位计算机通讯。
上位计算机软件可以获取电池组各单体每次充电的充电时间、电流、单体电压、充电量等各种信息。
三、技术规范1.HJB68-92 《舰艇电子装备显控台，机箱，机柜通用规范》2.QJ201A-99 《印制电路板通用规范》3.QJ165A-95 《航天电子电气产品安装通用技术要求》4.GB2421 《电工电子产品基本环境试验规程总则》5.JB/TS234-91 《工业控制计算机系统验收大纲》6.GB/T15532-2008 《计算机软件单元测试》第二章系统概述一、控制柜外形设计图1 控制柜外形800线缆长度根据用户要求而定其他线缆走线方式如一组三组方式图2 控制柜各模块安装图锂电池充电系统控制柜上层为工控机监控系统，整流电路，开关按钮，控制系统，右侧包含四块备用充电模块，以便故障模块的切换，下层分为四小层，每层为高为100mm，存放模块组，每层分为两组，每组存放10块，共80块充电模块，如图依次编号，备用模块编号为81至84号，图示每个模块上红色圆圈代表正极，黑色圆圈代表负极。
二、控制系统集成图3 锂电池充电系统1.主电路采用整流桥实现双整流电路供电，输入为工频220V交流电，直流母线输出300v，通过两路AC/DC整流桥，实现整流电源的热冗余，避免故障引发的电源断电；2.RM1～RM80为插件式模块设计,采用微控制器与可靠性极高的全砖功率模块实现375V输入电压至输出3～5V隔离变换,采用零电流谐振变换，开关频率高达40MHZ，极大地缩小了电源尺寸；3.RM1～RM80带有双总线通讯接口实现与上位机的实时数据交换，各类管理指令通过内置的微控制器及电压电流传感与保护电路实现锂离子电池充电参数设定和充电过程的监控与管理；4.上位机可实现友好的人机交互能力，各种控制指令通过菜单选项自动配置，图形化显示过程曲线和故障诊断结论，输出报告可方便用户管理。
第三章各模块功能实现一、插件式全砖功率模块设计RM1~RM80为VICOR公司生产的插件式模块设计,采用微控制器与可靠性极高的全砖功率模块实现375V输入电压至输出3~5V隔离变换,采用零电流谐振变换，开关频率高达40MH Z，极大地缩小了电源尺寸。
1.高密度DC-DC 转换器技术VICOR(怀格)公司是美国的专业模块电源生产厂家，其产品最大特点是功率密度高、可靠性好。
产品系列覆盖10W～600W，输入输出隔离，使用方便，广泛应用于电信、工控、电力电子、军工、三航等领域。
第二代VICOR模块使用了ZCS/ZVS（零电流/零电压开关）技术，能有效率、低噪声，高频操作。
主开关是共漏极，可以改善散热和噪声管理。
而设置于初级控制集成电路内的复位开关，是一个共用源，方便控制。
图4 全型、小型、微型模块的功率处理和控制基本原理（* 微型系列没有+/- SENSE 引脚）VICOR公司的DC-DC模块把控制部份集成为两个集成电路（初级和次级端）。
减少元件数目，减少成本及提升可靠性。
同时，多出来的空间可以用来处理功率转换。
2.控制引脚功能及应用（1）初级控制模块使能/ 失能可通过将PC 电压拉到 2.3 V 以下(相对于负输入)，使模块失能。
并联两个或以上转换器以增大系统功率时，应连接所有PC 引脚，以确保所有转换器同时启动。
应该用外部电路控制阵列中所有转换器的PC 引脚，一旦输入电压在正常操作范围内，这外部电路会令转换器使能。
（2）初级辅助电源在5.75 V 时，PC 可提供高达 1.5 mA 的电流。
PC端可向LED供电，以表示，模块使能。
（3）并联母线Vicor全型、小型和微型转换器模块内有独特的设计，方便并联操作，容易增大功率或组成冗余阵列。
PR 引脚是一个可以在模块之间发送和接收信息的双向端口。
并联(PR) 母线上的脉冲信号可使每个转换器模块中的高频开关同步操作，从而实现负载均流。
这些模块能自行定出主导模块，即民主阵列。
主导模块向并联母线发送同步脉冲信号，同时，母线上的其它模块接收同步脉冲。
一旦主导模块发生故障，阵列会“挑选”出新的主导，而不会中断输出电源。
模块并联方式如下：图5 并联模块接线图（4）控制功能输出电压编程可通过固定电阻、电位器或者DAC 调整或程控转换器的输出电压。
下调：模块不是恒定功率的元件；具有恒定的电流限制。
因此，下调输出电压时，输出功率会按相同百分比减少。
切勿超出最大额定输出电流。
下调电阻器必须与 -S 引脚相连（微型模块上的 - OUT 引脚）。
上调：模块有最大额定输出功率。
为了确保输出功率不超出额定值，应上调输出电压，以减低额定输出电流，两者的增减百分比相同。
上调电阻器必须与 +S 引脚相连（或微型模块上的 +OUT 引脚）。
切勿将模块上调到最大调整范围以上 (+10%)，否则，可能启动过压保护电路。
电压上调下调，可通过变换电阻实现，计算电阻公式如下所示：图6 输出电压下调电路连接图图7 输出电压上调电路连接图 二、 可重构控制器设计 1.控制器架构图8控制器设计框图控制器采用FPGA+DSP的组成模式，结合了DSP的高速运算能力和FPGA的可重构电子线路设计能力，是控制器在实时性、可靠性和可扩展行方面有非常良好的表现，上图所示为控制器内部设计方案。
2.数据处理与控制单元本设计方案采用TI公司所生产的TMS320F2812 数字讯号处理器作为主控单元，该型号DSP支持在C 语言中直接嵌入汇编语言进行开发，即可在C 语言的环境中搭配汇编语言来撰写程序。
（1）主频：150MHz；（2）省电设计(1.8VCore，3.3VI/O) ；（3）高效能32BitCPU ；（4）哈佛总线结构；（5）快速中断响应；（6） 4M线性程序寻址空间；（7）看门狗定时器模块；（8）三个外部中断；（9）外围中断扩展方块(PIE)，支持45个外围中断 9.128位保护密码；（10）三个32位CPU Timer；（11）同步串行外围接口SPI模块；（12）两个异步串行通讯接口SCI模块，标准UART ；（13）16个信道12位模拟-数字转换模块(ADC) 。
3.可重构逻辑电子线路设计本设计中采用Altera公司CycloneII系列的EP2C5Q208芯片，实现高性能可重构的电子线路设计，并且在其上编写了RS485接口逻辑，不仅如此，由于其设计灵活，为后续的功能扩展留下了很方便的硬件接口。
其资源如下：（1）具有138个可编程的通用I/O口，分为4个BANK；（2） 8256个LE(Logic Elements,逻辑单元)，可满足一般的要求；（3） M4K块共有162Kbits(165888bit)的存储单元，M4K就是一个4K；bits的存储单元，从而大大节省了LE逻辑单元的使用量（4）具有2个PLL（锁相环），36个98位X9位的硬件乘法器；（5） JTAG下载接口，对应下载的文件是SOF文件，速度快，JTAG将程序直接下载到FPGA 中，但是掉电程序丢失，平时学习推荐使用JTAG方式，最后固化程序的时候再通过AS方式将程序下载到配置芯片中即可。
三、RS485通讯总线设计通讯为RS485接口，异步串行，半双工传输，默认通讯协议方式采用ASCII 方式，默认数据格式为：1位起始位，7位数据位，2位停止位。
具体数据传输方式如下图所示：图9 RS485数据通讯设计控制器在RS485网络中既可以作为主机使用，也可以作为从机使用，作为从机时，PC机可以作为主机向控制器传输数据。
具体通讯方式如下：（1）控制器为从机，主从式点对点通信。
主机使用广播地址发送命令时，从机不应答；（2）控制器作为主机，使用广播地址发送命令到从机，从机不应答；（3）用户可以通过用键盘或串行通信方式设置控制器的本机地址、波特率、数据格式；（4）从机在最近一次对主机轮询的应答帧中上报当前故障信息。
四、上位机监控软件设计1.监控功能（1）可人工设定充电机的状态参数和充电截止条件，实现恒压或恒流限压充电方式；（2）可实现对电池组各单体电压进行全过程检测并纪录；（3）根据设定充电截止条件，完成时停止充电并发出声光提示自动断开电源；（4）实时监测各单体电池的充电电压、电流，实时检测各单体电池的充电量，数据的存储时间间隔0.01至5秒可设置；（5）故障诊断：充电过程中，实时监测各单体电池的状态，发现异常单体电池时，可实现故障诊断或早期报警，并具报警保护触发功能。
当有报警保护触发信号时，充电机应能自动切断总电源或单体电源，能自动保存故障信息；（6）保护功能：整体电源实现了，整流电路双冗余和充电模块的热冗余，在充电过程中，当某一单体电池电压低于所设定的最低值时，充电机具有报警保护功能并停止充电，在充电过程中，当某一单体电池电压超过所设定的最高值时，充电机具有报警和保护切断停止充电功能；（7）档案管理：每个单体电池都有一个永久的ID号码，记录其各种参数（充电日期、循环次数、电压，电流，每次充电的起始时间、终止时间等），以方便电池维护。
2.监控实现图10 分布式充电系统框图上位机采用Visual Basic编写监控软件，完成可视化电池状态监控软件的编写。
通过RS485通信接口将电池的电压、电流等信息上传至上位机，通过软件的编写，完成充电的电池组单体电池的实时监控，一旦出现异常，将产生报警信号，将自动切断电源。