基于DSP的智能充電系統(tǒng)在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用研究

隨順科，孫長(zhǎng)江

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，徐州 221116 ）

0 引言

汽車帶給人們生活很多便利的同時(shí)也給人們帶來(lái)了環(huán)境污染、能源消耗的問(wèn)題。電動(dòng)汽車作為新能源汽車是解決上述問(wèn)題的有效途徑之一。由全部或部分電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)的汽車稱為電動(dòng)汽車，主要包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池汽車三種類型。目前，電動(dòng)汽車的發(fā)展還有很多制約因素，諸如一些關(guān)鍵技術(shù)像蓄電池的開(kāi)發(fā)，驅(qū)動(dòng)效率的提高，快速充電裝置的研制等方面需取得較大突破，才能使電動(dòng)汽車得到廣泛應(yīng)用。

1 智能充電裝置

快速充電法是指在短時(shí)間完成對(duì)蓄電池的充電過(guò)程。為了保證蓄電池不因大電流短時(shí)內(nèi)充滿而損壞和不過(guò)充，因此需要相應(yīng)的控制電路。該電路能在充電末期實(shí)時(shí)地檢測(cè)蓄電池的充電電壓、充電電流和端電壓的溫度，并根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的相關(guān)參數(shù)來(lái)控制充電過(guò)程。圖1是智能充電電路框圖?？刂破鬟x用TMS320F2812，它是32位定點(diǎn)DSP芯片，具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制能力。充電器電路主要包括主電源回路、控制電路和變換電路三部分組成。

2 變換器與控制電路的設(shè)計(jì)

2.1 變換器的設(shè)計(jì)

文中選用反激式變換器，下面針對(duì)反激式DC-DC變換器進(jìn)行研究。反激式DC-DC變換器是一種電氣隔離的升壓/降壓變換器，也是最簡(jiǎn)單的隔離型直流變換器。其電路主要由輸入/輸出濾波電容器、電感變壓器、功率開(kāi)關(guān)管、高頻整流管等構(gòu)成。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 智能充電電路框圖

圖2 反激式直流變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電路工作原理與電磁能量轉(zhuǎn)換原理：功率開(kāi)關(guān)管VF導(dǎo)通期間，輸入電壓Vin經(jīng)輸入濾波電容濾波，功率開(kāi)關(guān)管VF導(dǎo)通，高頻整流管VD反偏關(guān)斷， 由于，Vm>0，變壓器初級(jí)線圈電流iL上升，磁儲(chǔ)能W上升，變壓器電感將輸入電能轉(zhuǎn)化為磁儲(chǔ)能，變壓器儲(chǔ)能增加。輸出端所接負(fù)載由輸出濾波電容供電。Vin從不向Vout直接提供電能，而是將Vm輸入的電能轉(zhuǎn)化為變壓器電感中的磁儲(chǔ)能，再通過(guò)VF關(guān)斷期間，將磁儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化為電能傳送到負(fù)載和輸出濾波電容，其中輸出濾波電容吸收的能量大于負(fù)載功率的那部分能量。

2.2 控制電路

圖3 DSP控制系統(tǒng)框圖

主控制器直接向TMS320F2812發(fā)送命令進(jìn)行控制，同時(shí)防止主控制器突然發(fā)生故障而不能與下位機(jī)通訊時(shí)，保證設(shè)備仍能正常運(yùn)行，同時(shí)還可以進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)定。當(dāng)TMS320F2812接收到來(lái)自主控制器的命令時(shí)，使得電源與電池組成充電或者放電回路，開(kāi)通或者關(guān)斷功率管。當(dāng)需要調(diào)節(jié)電流到給定值時(shí)，采用模糊PID調(diào)節(jié)方式，TMS320F2812通過(guò)事件管理模塊實(shí)時(shí)調(diào)整輸出PWM，使電源達(dá)到給定值。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，以10位A/D通道采樣電流電壓值，將采樣結(jié)果值定時(shí)上傳給主控制器，并對(duì)電流電壓進(jìn)行監(jiān)控。圖3為DSP控制系統(tǒng)框圖。

圖4為電壓檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)充電器的充電峰值電壓確定后，當(dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)到蓄電池的端電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，由控制電路自動(dòng)改變充電器的充電方式。

圖4 電壓檢測(cè)框圖

蓄電池在充電后期，負(fù)極發(fā)生氧復(fù)合反應(yīng)而聚集了熱量，使蓄電池溫度升高。圖5是蓄電池溫度檢測(cè)框圖。充電電流將隨著溫度的升高增大，為了控制后期的電流，需要在蓄電池外殼裝上溫度傳感器，對(duì)溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將信息傳遞給控制電路。當(dāng)蓄電池溫度升至設(shè)定值時(shí)，控制電路即改變充電器的充電方式或直接終止充電。

圖5 溫度檢測(cè)框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

通常的PID控制方法主要是通過(guò)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，獲得傳遞函數(shù)，進(jìn)行閉環(huán)控制。盡管該種方法具有一定的控制效果，但參數(shù)整定過(guò)程十分復(fù)雜。為此引入模糊控制技術(shù)，將模糊控制與PID控制結(jié)合，形成具有智能性的模糊PID控制算法將模糊控制器的偏差和偏差變化率分別選為電池理想最高電壓與設(shè)計(jì)測(cè)量電壓之差 和相鄰兩次采樣信號(hào)之差與采樣周期的比值，并進(jìn)行量化，從而指導(dǎo)PID三個(gè)參數(shù)的調(diào)整。圖6為模糊PID控制框圖。

圖6 模糊PID控制框圖

圖7 主程序流程圖

充電系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r(shí)采集電池的電壓、電流和溫度這三個(gè)參數(shù)值，在對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集完成后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理。實(shí)時(shí)處理包括A/D采樣值的濾波處理、A/D采樣值轉(zhuǎn)換為電壓實(shí)際值的計(jì)算處理。然后利用模糊PID控制算法計(jì)算控制量，并對(duì)控制對(duì)象發(fā)出控制命令，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制PWM功能。圖7為主程序流程圖。

在整個(gè)充電過(guò)程中最終需要對(duì)蓄電池是否充滿進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到零增量時(shí)，此時(shí)可能已經(jīng)充滿，但也可能是充電過(guò)程中出現(xiàn)的，因此可能出現(xiàn)誤檢測(cè)。此時(shí)可以根據(jù)預(yù)估的充電時(shí)間、蓄電池端電壓等參數(shù)進(jìn)行判斷，有效降低錯(cuò)誤檢測(cè)。

4 結(jié)論

采用DSP芯片作為控制核心，負(fù)責(zé)控制開(kāi)關(guān)電源，采集電壓溫度等數(shù)據(jù)，并使用模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)了智能快速的充電。同時(shí)使用設(shè)計(jì)的變換器降低了充電過(guò)程的能量損耗。提高了蓄電池的充電效率。

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