電動汽車動力電池節(jié)能檢測系統(tǒng)的硬件設計

張劍鋒 葉文杰 胡正群 劉蒙 梁昊 朱小杰

(1.湖北出入境檢驗檢疫局 湖北武漢 430050;2.武漢藍電電子有限公司)

1 前言

在國家新能源產(chǎn)業(yè)政策的帶動下，電動汽車的發(fā)展迎來巨大機遇。電動汽車的功率一般都要求在數(shù)十千瓦，因此必須有大功率的電池作為其動力，這樣電池能否滿足要求就成為電動汽車發(fā)展的一個技術關鍵。電池能否滿足要求需要通過檢測，為此，必須要有滿足要求的電池檢測系統(tǒng)。目前，國內在大功率電池檢測系統(tǒng)的設計上多采用硬開關技術，放電時直接將電池能量以熱的形式消耗掉，造成能源的巨大浪費，不符合節(jié)能減排的要求。本文介紹了一種電動汽車動力電池節(jié)能檢測系統(tǒng)的硬件設計，采用有源功率因數(shù)校正的方法，提高功率因數(shù)。在電池放電檢測過程中，逆變電路可以將直流逆變成交流電反饋到電網(wǎng)，實現(xiàn)電能的回饋，可為電池檢測機構節(jié)省大量的能源。

2 硬件設計

2.1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)包括模塊化功率因素校正電路、模塊化開關狀態(tài)充電電路、模塊化DC－DC放電電路、模塊化DC－AC放電反饋電網(wǎng)電路、溫度輔助測量模塊以及充放電安全保護模塊等。本系統(tǒng)設計的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

交流電網(wǎng)電壓經(jīng)功率因素校正模塊轉換為相對比較穩(wěn)定的電壓，再由恒流恒壓充電電路對電池進行充電。電池充滿電后由繼電器切換至放電回路，放電回路先將電池電壓經(jīng)由DC－DC電路轉換為一個相對穩(wěn)定的高壓直流電壓(350V)，再經(jīng)DC－AC電路將電能反饋回電網(wǎng)［1］。這個過程中，溫度檢測模塊檢測每個單體電池的溫度，檢測數(shù)據(jù)上傳給PC機，由PC機根據(jù)用戶設定進行相應的控制，比如任何一個單體電池溫度超過60℃則強行中斷充放電過程。充放電安全保護模塊則用于在充放電過程中檢測充放電的電流和電壓，如果超出設定的保護值也將強行中斷檢測過程。

2.2 功率因素校正和逆變電路

對于大功率交流整流電路，國家規(guī)定必須進行功率因素校正。采用傳統(tǒng)的無源功率因數(shù)校正方式，其功率因數(shù)只能達到0.7－0.8左右。因此，本系統(tǒng)采用有源功率因數(shù)校正(如圖2所示)，即采用電感電流連續(xù)導通控制模式(CCM)的功率因數(shù)校正方式［2］。它是一種典型的CCM雙環(huán)控制，外環(huán)為電壓環(huán)，內環(huán)是電流環(huán)。先獲得采樣輸出電壓Vd與比例系數(shù)Kd的乘積，其乘積與給定電壓值Vref相比較，其產(chǎn)生的誤差信號再與采樣電流一起輸入到乘法器得到給定電流信號，通過電流調節(jié)得到S開關的控制信號。采用此種方式校正后，其效率可達0.99。

電池充電時，電網(wǎng)向電池輸入能量;電池放電時，本電路可以實現(xiàn)直流逆變成三相交流電反饋到電網(wǎng)，使系統(tǒng)流入電網(wǎng)的電流接近正弦波，最終實現(xiàn)了單位功率因數(shù)和能量的“綠色回饋”。

圖2 電感電流連續(xù)導通控制模式功率因數(shù)校正

2.3 充放電電路

采用前述的整流電路后，輸出350V的直流電壓到直流母帶上，系統(tǒng)充電時需要將350V的直流經(jīng)過DC－DC變換后才能使用［4］。DC－DC變換與恒流恒壓電直接相關，其原理如圖3所示。

圖3 充放電電路

當對電池進行充電時，由直流母帶上350V直流電向DC－DC充放電模塊提供能量;當對電池進行放電時，電池能量反饋回直流母帶，這樣就可以實現(xiàn)電能的雙向流動。本設計的實現(xiàn)是基于BUCK和BOOST變換器的基本結構。在本電路中，Q1、D2構成Buck變換器，由電源向電池供電，此時i為正;Q2、D1構成Boost變換器，由電池向電源反饋能量，此時i為負。為防止開關管發(fā)生直通現(xiàn)象，當電路工作在充電方式時，Q2始終處于關斷狀態(tài);當電路工作在放電方式時，Q1始終處于關斷狀態(tài)。從圖3中可以看出，當對電池進行恒流充電或恒流放電時，采樣值isam與給定值iref做比較后進行數(shù)字PID調節(jié)，得到的輸出調節(jié)PWM脈沖信號來控制Q1、Q2的關斷，保障電流i值的恒定。

在系統(tǒng)工作時，主要在3種狀態(tài)間切換:充電、放電、靜置。充電和放電共用直流母帶，因此必須要將這3種狀態(tài)用開關來隔離，以保障系統(tǒng)的正常工作，也就是說充電和放電都有獨立的開關和外電網(wǎng)相連。充電時只有充電開關連接外電網(wǎng)，放電時只有放電開關連接外電網(wǎng)，靜置時充電開關和放電開關都與外電網(wǎng)斷開。

在電池放電時，將直流轉逆變成三相交流電輸送到電網(wǎng)，要經(jīng)過DC－AC變換。這個過程就是有源功率因數(shù)校正的逆過程，這里就不再贅述。

本系統(tǒng)工作過程中還設有過電流保護、過電壓保護以及溫度保護(當電池充放電時，溫升過高，應強制停止充放電)環(huán)節(jié);CPU選用 TI的TMS320F2812，實現(xiàn)校正電路的 PWM和充放電PWM的控制以及AD、DA的數(shù)據(jù)采集與控制，溫度采集控制等。

3 結論

在已經(jīng)開發(fā)出100V/100A的實驗樣機上實現(xiàn)了電動汽車動力電池的充放電，具有較高的電流電壓精度，放電時能量能夠較好的回饋到電網(wǎng)，實現(xiàn)了節(jié)能的目的，為能量回饋型動力電池檢測設備的研制提供了借鑒。

［1］ 吳昇，王清靈，郭玉堂.基于可逆PWM整流器的蓄電池充放電裝置［J］.電源技術，2010，34(10):1062 －1064.

［2］ 王術，郗曉田，游林儒.單周控制的鋰動力電池化成能量回饋系統(tǒng)研究［J］.電力電子技術，2011，45(1):30－32.

［3］ 朱士海，吳衛(wèi)民，錢照明.一種新型高性能功率因數(shù)校正整流電路［J］.電工電能新技術，2003，22(2):68－71.

［4］ 萬仁俊.節(jié)能型二次鋰電池充放電系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.廣州:華南理工大學，2010.