基于DSP的電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁的設(shè)計(jì)與研究

田成元，王志新

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

基于DSP的電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁的設(shè)計(jì)與研究

田成元，王志新

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

文章來(lái)源于實(shí)際科研課題，通過(guò)基于DSP的電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁方案的設(shè)計(jì)，對(duì)充電樁的整體主電路 、逆變電路、控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，同時(shí)給出了軟件實(shí)現(xiàn)流程圖。該研究結(jié)果符合電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁符合目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的充電控制任務(wù)。

電動(dòng)汽車(chē)；充電樁；DSP；通信

引言

隨著國(guó)務(wù)院《關(guān)于印發(fā)節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012―2020年）的通知》（國(guó)發(fā)〔2012〕22號(hào)）的印發(fā)，以及全國(guó)各地由于傳統(tǒng)汽車(chē)造成的空氣污染愈發(fā)嚴(yán)重的大背景下，新能源汽車(chē)尤其是電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)會(huì)更加快速發(fā)展，而電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施是電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)推廣的前提和基石，完善、高效的能源供給網(wǎng)絡(luò)是電動(dòng)汽車(chē)普及的關(guān)鍵因素。

電動(dòng)汽車(chē)充電樁的研究將有助于縮短充電時(shí)間和降低電動(dòng)汽車(chē)成本，推廣使用電動(dòng)汽車(chē)；電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)為電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行提供能量補(bǔ)給，是電動(dòng)汽車(chē)商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的必要條件之一。通過(guò)在各個(gè)場(chǎng)所安裝大量的充電樁，就可以更安全和方便地為電動(dòng)汽車(chē)充電。為了使直流充電樁的應(yīng)用及管理智能化，本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了充電樁主電路設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、以及控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

1 充電樁充電策略分析

設(shè)計(jì)充電樁時(shí)應(yīng)保證充電與顧客之間可靠、方便地進(jìn)行交互，電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：操作靈活、運(yùn)行可靠、數(shù)據(jù)安全、人機(jī)界面有過(guò)流、具有漏電、短路、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流等自動(dòng)保護(hù)裝置。為了使充電樁能為不同電壓等級(jí)的電動(dòng)汽車(chē)電池充電，充電樁的容量按照目前最大要求來(lái)配置，因此本文所設(shè)計(jì)的充電樁的主要參數(shù)如下：輸入電壓三相三線制，電壓為 380V±10%，頻率 50Hz；輸出：直流12～750V，直流5～60A。

充電機(jī)理：為了充電過(guò)程安全、縮短充電時(shí)間,保護(hù)電池,提高電池的使用效率，同事兼顧根電池的化學(xué)特性，大幅度提高電池的電量[1], 本文設(shè)計(jì)的充電樁采用和兩階段充電法組合的形式，即開(kāi)始充電時(shí)采用脈沖充電法，然后采用兩階段充電法完成電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的充電。

2 充電樁電源主電路的設(shè)計(jì)

2.1 充電樁電源主電路的原理

本文設(shè)計(jì)的充電樁輸入電壓為電網(wǎng)三相 380V±10%，輸出：DC12～750V，DC5～60A ，功率為 40Kw。三相交流電源經(jīng)過(guò)不可控橋式整流濾波變成直流，輸入IGBT 橋。DSP控制板通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路使功率開(kāi)關(guān) IGBT工作把直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制的交流電壓，然后由高頻變壓器變壓隔離，最后通過(guò)整流濾波輸出得到直流，進(jìn)而對(duì)鉛酸蓄電池充電。同時(shí)通過(guò)可控的電流電壓反饋回路改變充電電流和充電電壓[2]，通過(guò)檢測(cè)電池的端電壓，充電電流以提供單片機(jī)進(jìn)行決策。放電電路在充電電壓較高時(shí)工作，以提高電池的接受能力。輔助電路提供器件工作電源，而保護(hù)電路（過(guò)流，過(guò)壓、過(guò)溫）可以保證系統(tǒng)安全、可靠工作。同時(shí)通過(guò)DSP控制來(lái)顯示電量、時(shí)間等數(shù)據(jù)。直流充電樁的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 直流充電樁的系統(tǒng)框圖

充電主電路原理圖如圖2所示，主電路主要有市電三相輸入端、三相橋式不可控整流濾波電路、DC/DC移相控制零電壓零電流軟開(kāi)關(guān)（ZVZCS）PWM全橋變換器拓?fù)錁?gòu)成[3-7]。其中開(kāi)關(guān)管Q1、Q3構(gòu)成超前橋臂，開(kāi)關(guān)管Q2、Q4構(gòu)成滯后橋臂，Lr為變壓器漏感。

圖2 充電樁電源主電路原理圖

2.2 充電樁電源主電路主要參數(shù)設(shè)計(jì)

1）三相不控整流橋的選擇

充電電源輸入三相交流電的線電壓有效值為：

三相不控整流橋輸出的直流電壓Ud為：

將（1）式帶入（2）得：

充電電源輸入最大功率為：

三相不控整流橋輸出電流Id的平均值為：

將（3）和Ud(min)=461.7V帶入（4）式中得

三相不控整流橋?yàn)榱}波整流電路，所以每個(gè)整流二極管流過(guò)電流的有效值為：

將Id(max)≈97.5A帶入（5）后得Ieff(max)≈56A

由此可求出整流二極管的額定電流為：

因此，保留富裕量選用180A/1600V三相不可控整流橋。

2）開(kāi)關(guān)管的選擇

本充電電源的開(kāi)關(guān)管主要依據(jù)其工作時(shí)的額定電壓和額定電流的來(lái)選擇，其選型。根據(jù) IGBT 工作波形和變壓器原邊工作波形得知，經(jīng)過(guò) IGBT 的平均電流是直流母線平均電流的一半，因此 IGBT 的工作平均電流為：

IGBT 承受的最大反向電壓為：

由于原邊電流存在一個(gè)諧振尖峰，峰值最高可達(dá) 240A以上，考慮安全裕量和散熱，最終選擇IGBT耐壓1200V，額定電流300A的半橋模塊，每一個(gè)半橋模塊封裝有兩個(gè)IGBT。充電電源全橋變換器的由兩個(gè)半橋模塊構(gòu)成。

3 充電樁控制系統(tǒng)主要硬件電路的設(shè)計(jì)

充電電源控制系統(tǒng)采用控制板產(chǎn)生移相PWM波來(lái)控制開(kāi)關(guān)管,對(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行采樣和分析,并采用相應(yīng)的控制算法,如果發(fā)生異常情況,如過(guò)壓、過(guò)流等情況還能快速啟動(dòng)保護(hù)電路。其控制系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 充電電源控制系統(tǒng)框圖

圖4 IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理圖

驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力以及驅(qū)動(dòng)電路與 IGBT的接口電路的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。在本文的充電樁電源中采用富士公司開(kāi)發(fā)的 EXB841厚膜芯片為核心組成驅(qū)動(dòng)電路，其內(nèi)部已經(jīng)加入了隔離電路，能驅(qū)動(dòng)高達(dá)400A的600V IGBT 和高達(dá) 300A 的 1200V IGBT。其驅(qū)動(dòng)信號(hào)延遲小于 1微秒，最高工作頻率可達(dá) 40kHz，內(nèi)部采用高隔離電壓光耦作為信號(hào)隔離。驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)，要滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：Vcc=20V，Iin=10mA。電壓過(guò)高會(huì)造成IGBT管的損壞，過(guò)低會(huì)增大開(kāi)關(guān)管的ON電壓；驅(qū)動(dòng)電流較大會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)造成延時(shí)，而太小又會(huì)降低電路穩(wěn)定性[6]。

根據(jù)移相角的大小輸出移相控制用的4 路PWM信號(hào)，然后經(jīng)IGBT驅(qū)動(dòng)電路隔離放大為具有驅(qū)動(dòng)IGBT 能力的脈沖信號(hào)，以達(dá)到控制主功率電路輸出的目的。其內(nèi)部過(guò)流保護(hù)和過(guò)電壓檢測(cè)輸出電路，以防止IGBT以正常驅(qū)動(dòng)速度切斷過(guò)流時(shí)，產(chǎn)生過(guò)高的集電極電壓尖脈沖損壞IGBT。IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示。

4 充電樁控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖5 主程序流程圖

圖6 中斷服務(wù)程序的流程圖分別

DSP程序主要包括輸出電壓、電流采樣程序，PWM信號(hào)產(chǎn)生程序、PI控制算法程序、外中斷保護(hù)程序，通信顯示程序等 。DSP的主程序和中斷服務(wù)程序的流程圖分別如圖5、圖6所示。

在中斷程序里主要完成對(duì)輸出信號(hào)的讀取和保存采樣結(jié)果,并調(diào)用控制算法計(jì)算出控制量，完成對(duì)移相角的更新。DSP的主程序和中斷服務(wù)程序的流程圖分別如圖5所示和圖6所示。

5 性能分析

眾所周知，在全橋電路中，只有正確的驅(qū)動(dòng)脈沖波形才能保證可靠搞笑的輸出功率，根據(jù)前面的分析、設(shè)計(jì)，計(jì)算，實(shí)驗(yàn)得到兩對(duì)對(duì)角開(kāi)關(guān)管之間的移相脈沖波形如圖7、圖8，從圖中可以看出Q1比Q4先開(kāi)通，Q3比Q2先開(kāi)通。

圖7 開(kāi)關(guān)管Q1和Q4的移相波形

圖8 開(kāi)關(guān)管Q2和Q3的移相波形

主電路的主要工作波形如下：通道1為變壓器原邊電流波形，通道2為變壓器原邊電壓波形，通道3在圖中為變壓器副邊整流后的電壓波形，具體如圖9所示。

圖9 主電路的主要工作波形

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)項(xiàng)目需求分析，本文設(shè)計(jì)的一種基于DSP的電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁電源，給出了主電路、控制電路，此電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能齊全；DSP具有良好的抗干擾能力和強(qiáng)大的通訊能力及可擴(kuò)展性，便于充電樁的優(yōu)化和升級(jí)。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為后續(xù)電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁的設(shè)計(jì)與研制奠定了理論基礎(chǔ)，將在直流充電場(chǎng)合具有很好的應(yīng)用前景。

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Design and Research of electric vehicle DC charging pile based on DSP

Tian Chengyuan, Wang Zhixin
( Gansu Vocational And Technical College Of Communications, Gansu Lanzhou 730070 )

This article from the actual research project, through the electric car dc charging pile scheme based on DSP design, the main circuit of charging pile, inverter circuit, drive circuit, control system for the detailed design, and software flow chart are given. The results conform to the electric car dc charging pile up to the present standards, through the test,can realize to the electric vehicle charging control tasks.

electric vehicle; charging pile; DSP; communication

CLC NO.: U469.72 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-56-04

U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-56-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.019

田成元（1981-），碩士，講師，工程師，就職于甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：汽車(chē)工程機(jī)械機(jī)電監(jiān)測(cè)與控制。

項(xiàng)目來(lái)源：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助（310822161115）；甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（1504FKCA001）；甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目（2016A-130）。