基于ADUC831和UCC3895的非車載充電機控制電路的研制

解兆延，王平來，李小偉，張曉鵬

（1.山東省汽車電子重點實驗室 2.山東省科學院自動化研究所，濟南 250014）

面對當前能源危機和環(huán)境污染問題的雙重壓力，發(fā)展電動汽車，實現(xiàn)汽車能源動力系統(tǒng)的電氣化，推動傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，在國際上已經(jīng)形成了廣泛共識。目前，尤其是” 十二五”以來我國已出臺許多政策，扶持和引導電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展。在電動汽車的發(fā)展過程中，電動汽車充電站這一基礎(chǔ)設施的建設具有重要的推動和保障作用，而非車載充電機又是電動汽車充充電站的核心部件，因此研究非車載充電機具有很重要的意義。本文介紹了一種基于ADUC831和UCC3895的非車載充電機，主要分析其控制系統(tǒng)的設計和研制。

1 簡介

本文設計的充電機輸入電壓為三相工頻交流電壓，輸出電壓400V～600V，輸出電流最大為20A，輸出功率最大10KW。本充電機采用了一種基于副邊CDD嵌位的ZVZCS的電路拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2 充電機的控制系統(tǒng)設計

充電機的控制系統(tǒng)以ADI公司的8為模擬控制器ADUC831和TI公司的UCC3895為核心。ADUC831負責外圍信號的采集和監(jiān)測、充電機輸出電壓電流的控制以及整個充電機系統(tǒng)的各種保護功能；UCC3895根據(jù)系統(tǒng)要求產(chǎn)生移向控制信號，控制整個主回路的正常工作。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 ADUC831

ADuC831 M icroConverter 是一款完全集成的單芯片12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。與ADI公司的所有M icroConverter產(chǎn)品一樣，它在單芯片上提供精密模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換功能以及一個Flash微控制器。ADuC831硬件完全向后兼容ADuC812。ADuC831提供52引腳PQFP或56引腳CSP封裝，采用3V或5V電源供電。

該單片機主要有以下特點：8通道、5 s、自校準、12位ADC；兩個12位軌到軌電壓輸出DAC；兩路靈活的PWM輸出；工業(yè)標準8052微控制器；62KB可在線重新編程的閃存程序存儲器；4KB可讀寫的非易失性閃存數(shù)據(jù)存儲器；2K-By te SRAM (8052內(nèi)核還有256字節(jié)存儲器) ；溫度監(jiān)控器；基準電壓源、串行接口端口、看門狗定時器、電源監(jiān)控器、上電復位等；嵌入式下載/調(diào)試和仿真功能。

充電機的控制電路中主要用到了單片機的以下模塊：

1）ADC模塊。采用單片機的ADC0、ADC1、ADC2三個通道，分別采集充電機的輸出電壓、輸出電流和充電機的內(nèi)部溫度信號。

2）DAC模塊。采用單片機的DAC0，DAC1，分別提供充電機輸出電壓和輸出電流的給定值。

3）定時器0。采用單片機的定時器模塊，定時20毫秒一個工作周期。

4）UART模塊。采用單片機的UART模塊，接收上位機的控制信號，發(fā)送充電機的工作狀態(tài)等信息。

2.2 UCC3895

UCC3895 芯片是Texas Instrum en ts 公司生產(chǎn)的專用PWM移相全橋DC/DC 變換器新型控制芯片。它在UCC3875 原有基礎(chǔ)上增加了自適應死區(qū)設置和PWM軟關(guān)斷能力，適應了負載變化時不同的準諧振軟開關(guān)要求。由于它采用了BICMOS 工藝，從而功耗更小，工作頻率更高，更加符合電力電子裝置高效率、高頻率、高可靠的發(fā)展要求。通過不同的外圍電路設置，它既可工作于電壓模式，也可工作于電流模式，并且軟啟動/ 軟停止可按要求進行調(diào)節(jié)。本文中充電機控制系統(tǒng)采用電壓/ 電流雙閉環(huán)控制。通過電壓電流硬件PI電路控制UCC3895產(chǎn)生移向信號，來調(diào)整整個系統(tǒng)的輸出電壓和電流。

本設計中UCC3895的工作頻率設置為20KHz,死區(qū)時間設置為5uS。

2.3 電路設計

2.3.1 電壓電流信號采集電路

整個系統(tǒng)需要采集的電壓電流信號如下：

1）交流輸入電壓信號：該信號首先經(jīng)過整流濾波后變?yōu)橹绷麟妷海缓笸ㄟ^LM 393比較器產(chǎn)生輸入過壓和欠壓信號，通過光耦發(fā)送到單片機的IO進行檢測。

2）輸入電流信號：三相380V交流輸入電壓經(jīng)過主回路整流橋后，變?yōu)橹绷髂妇€電壓，在直流母線回路中串接霍爾電流傳感器，經(jīng)過濾波放大后通過LM 393比較器產(chǎn)生輸入過流信號，發(fā)送到單片機進行檢測。

3）輸出電壓信號：輸出電壓信號經(jīng)過電阻分壓后，通過LM 358放大跟隨后送入單片機的ADC。

4）輸出電流信號：輸出電流信號經(jīng)過檢流電阻后，通過LM 358放大跟隨后送入單片機的ADC。

2.3.2 溫度控制電路

溫度控制電路包括溫度檢測電路和風扇驅(qū)動電路。溫度檢測采用LM 35模擬溫度傳感器，采集到的溫度模擬信號經(jīng)過放大處理后送入單片機檢測，單片機通過溫度的高低驅(qū)動風扇的運行。

2.3.4 RS485接口電路

RS485接口電路負責充電機與外部充電樁進行通訊，控制充電機的電壓和電流的輸出，同上檢測充電機的工作狀態(tài)和故障信息。采用MAX485作為接口電平轉(zhuǎn)換芯片。

2.3.5 鍵盤顯示電路

鍵盤顯示電路主要是設置充電機的運行參數(shù)，包括電壓電流的限制值等。采用74CH164驅(qū)動數(shù)碼管顯示充電機的各種運行信息。

3 試驗結(jié)論

在三相380V交流電壓下對充電機進行了測試，主要測試設備包括：橫河DL750示波記錄儀，高壓差分探頭751574，以及LEM公司的電流互感器。

其中CH5為超前臂上管電壓，CH6為滯后臂下管電壓，CH7為諧振電感兩端電壓，CH8為變壓器原邊電流波形。通過波形可以判斷，諧振電感發(fā)生了諧振，原邊電流的波形符合ZVZCS的要求。

4 結(jié)語

該充電機控制電路經(jīng)過試驗測試，最高效率達到93%，滿足了整個充電機的控制要求。對國家推廣電動汽車的充電設施建設提供了更多的解決方案。

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