電動汽車蓄電池雙向充放電系統(tǒng)的研制

曹以龍, 涂少博, 帥祿瑋

(上海電力學院 電子與信息工程學院, 上海 200090)

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電動汽車蓄電池雙向充放電系統(tǒng)的研制

曹以龍, 涂少博, 帥祿瑋

(上海電力學院 電子與信息工程學院, 上海 200090)

針對電動汽車行駛過程中能源浪費的問題,采用電流可逆斬波電路,實現(xiàn)了電動汽車剎車制動時電能的再回收.選用高性能的DSP芯片設(shè)計了電動汽車蓄電池充放電電路,能夠控制充放電的電流和電壓,優(yōu)化充電過程,提高了充電效率和電池使用壽命.

電動汽車; 雙向充放電; 智能充電

蓄電池是電動汽車的主要動力來源,能夠循環(huán)再充電,行車成本低廉,使用方便安全.傳統(tǒng)的電動汽車在行駛過程中不能實現(xiàn)蓄電池再充電,造成能源的浪費,而目前短期內(nèi)高性能的蓄電池技術(shù)難以取得突破,導致電動汽車的續(xù)航能力大大降低.隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,采用電流可逆斬波電路可以很好地解決這一問題.本文選用高性能的DSP(Digital Signal Process)[1]芯片,設(shè)計了電動汽車蓄電池充放電電路,能夠?qū)崿F(xiàn)雙向充放電,在汽車剎車時可以實現(xiàn)再生制動能量回收,大大節(jié)約了能量,提高了電動汽車的續(xù)航能力.

1 電動汽車蓄電池雙向充放電系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)及軟件功能

1.1 系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)

圖1為蓄電池雙向變換器電路[2]原理圖.

該系統(tǒng)可分為4個部分.第1部分為DC-DC主回路部分[3-5],采用升降壓電路,如圖2所示.在電動汽車使用充電樁給蓄電池充電的過程中,T1導通,降壓斬波電路(buck)工作,輸出電流i>0,電源向電池充電,T2和D1總保持關(guān)斷狀態(tài);當T1關(guān)斷后,由于電抗器L積累的能量少,經(jīng)D2續(xù)流時間短,電抗器L的儲能釋放完畢,回路電流為零.當汽車在運行的過程中,蓄電池經(jīng)過主回路給電動機供電,T2導通,升壓斬波電路(boost)工作,輸出電流i<0,電池放電,電抗器L儲能,待T2關(guān)斷后,電池和電抗器積累的能量共同使D1導通,實現(xiàn)放電.

圖1 蓄電池雙向變換器電路原理

圖2 DC-DC主回路

第2部分為驅(qū)動電路[6]部分,如圖3所示.驅(qū)動采用LM5100C半橋驅(qū)動模塊,驅(qū)動T1和T2的導通與關(guān)斷.其峰值輸出電流為1 A,最大輸入電壓為14 V,最小輸入電壓為9 V,上升和下降時間為10 ns,符合電路要求.

第3部分為采樣電路部分,如圖4所示.采用霍爾TBC15DS3.3電流傳感器[7]和差分電路進行采樣,其初級和次級之間是絕緣的,可用于測量直流、交流和脈沖電流.其優(yōu)點是測量精度高.額定輸入電流為6 A,測量電流范圍為12 A,額定輸出電壓為0.625 V,符合電路要求.采樣值經(jīng)過濾波和限幅后,通過DSP對數(shù)據(jù)進行處理,實現(xiàn)對電流電壓的控制.

第4部分為控制電路,如圖5所示.以高性能的DSP為核心,構(gòu)成雙向充放電的控制器.控制器包括顯示、鍵盤、電流、電壓的A/D采樣,以及T1和T2的導通與關(guān)斷控制.

1.2 系統(tǒng)的軟件功能

因為使用全數(shù)字控制DC-DC變換器,所以控制部分、保護功能、人機交互功能統(tǒng)一由DSP實現(xiàn),具體使用方法如下.

開機后,會進入等待模式,數(shù)碼管上循環(huán)顯示“please holdon”,此時,主電路處于等待狀態(tài),所有開關(guān)管處于斷開狀態(tài).在按下任意鍵后進入工作界面,第1位字母表示工作模式,共有3種工作模式,這3種工作模式通過長按任意按鍵進行轉(zhuǎn)換.

(1) c表示工作在充電(change)模式,由電源經(jīng)過雙向DC-DC的buck電路對電池進行恒流充電,在這個界面下可以進入輸入界面,按動按鍵就可以改變輸入?yún)?shù),按動一次上下,修改參數(shù)0.05,以此達到充電電流可調(diào).

圖3 驅(qū)動電路

圖4 采樣電路

圖5 控制電路

(2) b表示工作在傳統(tǒng)電池(battery)放電模式,電池經(jīng)過雙向DC-DC的boost電路對負載進行恒壓放電,在此界面下無法輸入.

(3) d表示工作在雙向(double)模式,電池既可以經(jīng)過雙向DC-DC的boost電路對負載進行恒壓放電,帶負電源也可以經(jīng)過雙向DC-DC的buck電路對電池進行充電,實現(xiàn)雙向DC-DC功能,在此界面下無法輸入.

第2位字母表示當前顯示參數(shù)的意義,區(qū)分大小寫,分別是:U代表電源處(buck電路輸入端,boost電路輸出端)電壓;u代表電池處(boost電路輸入端,buck電路輸出端)電壓;I代表電源處(buck電路輸入端)回路電流;i代表電池處(boost電路輸入端)回路電流.電流也以A為單位,電壓以V為單位.

控制部分采用PID[8-10]控制算法,工作在充電模式下,控制電池處的充電電流,利用PID控制算法實現(xiàn)充電電流可控;工作在放電模式與雙向模式下,統(tǒng)一控制電源處電壓,利用上管與下管的占空比自動實現(xiàn)電流方向的改變,不需要人為的判斷.

保護部分為監(jiān)控電池側(cè)的電壓,當電池電壓超過事先設(shè)定的閾值時,會強制切斷主電路的控制,關(guān)閉開關(guān)管,以達到保護的目的.在這一狀態(tài)下,數(shù)碼管全滅,控制板的LED會亮起,表示電池保護,若要退出此狀態(tài),則需要采用特殊的手段.

2 系統(tǒng)調(diào)試及實驗結(jié)果

按照上述設(shè)計制作成品,如圖6所示.并據(jù)原理設(shè)計模擬實驗,對成品性能進行測試.

圖6 電動汽車蓄電池雙向充放電系統(tǒng)

2.1 充電模式下電池電流對比

表1為充電模式下理論電流、檢測電流與實測電流的對比.由表1可知,無論是控制電流、實測電流還是顯示電流,其誤差都極小,精確控制到小數(shù)點后兩位無誤差,說明控制與測量均有效.

根據(jù)誤差公式:

(1)

求得控制誤差與測量誤差分別為0.057 68,0.056 8,其重合度對比曲線如圖7所示.由圖7可以看出,其曲線基本重合,控制誤差與測量誤差均為5%,滿足測量與控制要求.

表1 理論電流、檢測電流與實驗電流的比較 A

圖7 重合度對比曲線

2.2 放電模式與雙向模式下電源性能驗證

測量輸出電壓波形,結(jié)果如圖8所示.由圖8可知,輸出電壓紋波小于5%,紋波較小,控制精度較高,滿足電動汽車充電要求.

圖8 輸出電壓波形

改變電池側(cè)(低壓側(cè))的電壓值驗證可控范圍,電壓從4.7 V增加到15.5 V(采樣間隔為0.1 V),并繪制圖像,結(jié)果如圖9所示.由圖9可知,電壓在4.8～15.2 V之間可控,BOOST電路最大放大倍數(shù)約為3倍.根據(jù)穩(wěn)壓系數(shù)計算公式:

(2)

可得穩(wěn)壓系數(shù)為0.043 4<5%,滿足設(shè)計要求.

圖9 穩(wěn)壓系數(shù)測量結(jié)果

2.3 雙向模式下充放電轉(zhuǎn)換功能驗證

在電池側(cè)電壓為8.8 V的情況下,改變高壓側(cè)電壓,從15 V提升至22 V,記錄電池側(cè)電流(以充電方向為正)與輸出側(cè)電壓,并繪制圖像,如圖10所示.經(jīng)過驗證,隨著高壓側(cè)電壓的提高,電池側(cè)電流逐漸增大,說明電池側(cè)逐漸從放電模式向充電模式過渡,且在模式轉(zhuǎn)換中輸出電壓始終恒定,驗證了電路具有雙向DC-DC功能.

2.4 過充電保護功能驗證

逐漸升高電池側(cè)電壓,多余能量將無法再向電池側(cè)灌入,高壓輸出側(cè)電壓將會提高,在高于一定幅值后,電路將啟動保護功能,切斷輸出電壓,如圖11所示.此時輸出電壓會直接降為0 V,以保護電路.

圖10 雙向DC-DC功能驗證

圖11 過充保護截圖示意

3 結(jié) 論

(1) 本文制作的電動汽車雙向充放電裝置能夠很好地實現(xiàn)充電與放電的轉(zhuǎn)換.

(2) 在充電模式下,能夠控制電流恒定,充電電流在1～2 A 內(nèi)步進可調(diào),且電流控制誤差低于5%,充電穩(wěn)定,效率高,可達90%以上.而且在充電電壓過高時,能夠?qū)崿F(xiàn)自保護功能.

(3) 在放電模式下,輸出紋波電壓小于5%,穩(wěn)壓系數(shù)低,可控精度高,輸入范圍廣,在電壓過低時,依然能夠保持穩(wěn)定的輸出電壓.

[1] 顧衛(wèi)鋼.手把手教你學DSP——基于TMS320X281x[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011:100-470.

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[4] 孫文,林平,盧冶.用于電動汽車的雙向DC/DC變換器控制設(shè)計[J].變換器及器件,2012,46(7):40-42.

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[7] 張麗華.串聯(lián)諧振雙向DC/DC變換器研究[D].秦皇島:燕山大學,2011.

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(編輯 胡小萍)

Development of Electric Vehicle Nattery Two-way Charging and Discharging System

CAO Yilong, TU Shaobo, SHUAI Luwei

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Combined with the current reversible chopper circuit and in order to reduce the electric energy wasted in the process of the car,the electric car braking energy recycle is completed successfully.The electric car battery charging and discharging control circuit is designed by the high performance DSP chip,which is able to control the charging and discharging current and voltage,optimize the charging process,and improve the charging efficiency and battery life.

electric car; two-way charge and discharge; intelligent charging

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.010

2016-03-16

曹以龍(1965-),男,博士,教授,安徽當涂人.主要研究方向為電力電子技術(shù),電能質(zhì)量,并網(wǎng)逆變技術(shù)等.E-mail:caoyilong2004@126.com.

上海市科技創(chuàng)新行動計劃地方院校能力建設(shè)項目(13160500900).

U469.72;TM910.6

A

1006-4729(2017)01-0044-05