大功率超級電容智能充電機(jī)的設(shè)計(jì)*

鄧 瑩，王林鳳，蔣 猛

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶400716)

大功率超級電容智能充電機(jī)的設(shè)計(jì)*

鄧 瑩，王林鳳，蔣 猛

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶400716)

針對大功率超級電容充電特點(diǎn)和要求，利用高頻開關(guān)電源技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種三相交流輸入的大功率智能充電機(jī)。采用全橋變換器作為主電路的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由IGBT專用驅(qū)動芯片驅(qū)動，利用軟開關(guān)技術(shù)控制前后橋臂，同時設(shè)計(jì)欠壓、過流、過熱、短路、過壓、缺相等保護(hù)電路和CAN通信接口，具有充電系統(tǒng)故障自診斷功能，充電過程與電池狀態(tài)參數(shù)的存儲、上傳顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，實(shí)現(xiàn)智能充電和自動化管理；實(shí)驗(yàn)測試了充電機(jī)不同工作模式下的充電穩(wěn)定精度和不同輸出功率下的充電效率，結(jié)果表明充電機(jī)工作穩(wěn)定可靠，充電效率高，滿足超級電容對充電設(shè)備的要求。

超級電容；大功率；智能充電

0 引言

超級電容是一種免維護(hù)的綠色儲能元件，功率密度大而循環(huán)充放電次數(shù)多，可以在短時間內(nèi)大電流充放電，近年來逐漸應(yīng)用于電動汽車、城市軌道交通等領(lǐng)域[1-2]。雖然超級電容的應(yīng)用研究有很多，包括充放電特性、充電效率、充電系統(tǒng)等，但專門研究針對應(yīng)用于大功率場合的超級電容充電機(jī)的文獻(xiàn)依然偏少。大功率開關(guān)電源工作時，高頻、大電流開關(guān)狀態(tài)會導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁干擾，不僅給電網(wǎng)帶來污染，還會影響控制電路的穩(wěn)定工作；而且大功率輸出時，開關(guān)損耗嚴(yán)重，功率降低，效率下降[3-4]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于開關(guān)電源的大功率超級電容智能充電機(jī)，以三相交流電為輸入電源，充電機(jī)最大輸出功率為20 kW，最大充電電流為200 A，適用于以超級電容為儲能元件的校園電動車、城市觀光旅游車等充電。

1 充電機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 充電機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

超級電容充電機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由主電路和控制電路構(gòu)成。主電路主要由輔助電源模塊、繼電器控制模塊和主充電電源模塊構(gòu)成。充電機(jī)的控制電路主要由整機(jī)控制模塊、系統(tǒng)保護(hù)控制模塊、驅(qū)動控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、人機(jī)交互控制模塊和CAN通信模塊組成。整機(jī)控制模塊是充電機(jī)系統(tǒng)的控制中心，采用帶有CAN接口的PIC18F458為控制器，通過支配和控制各模塊工作，完成充電信息采集、充電狀態(tài)監(jiān)控、故障檢測等功能。

圖1 超級電容充電機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

1.2 充電機(jī)工作原理

充電機(jī)上電后，輔助電源模塊工作，使充電機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)。待系統(tǒng)自檢正常后，首先通過CAN通信讀取超級電容充電前的電池狀態(tài)，再根據(jù)電池容量、環(huán)境狀態(tài)等確定合理的充電模式，包括恒流充電、恒流轉(zhuǎn)恒壓充電和恒功率充電[5-6]，然后繼電器控制模塊工作，主充電電源模塊在驅(qū)動控制模塊的驅(qū)動下給超級電容充電。充電時，數(shù)據(jù)采集模塊采集電壓、電流和溫度等，并用于反饋控制。同時檢測故障，實(shí)現(xiàn)故障自診斷功能，一旦出現(xiàn)欠壓、過壓、過流、短路、過熱、缺相故障，充電機(jī)調(diào)整驅(qū)動脈沖信號來減小充電電流或直接控制繼電器切斷電源。人機(jī)交互模塊顯示充電狀態(tài)，包括充電模式、充電電流、充電電壓、故障原因、充電時間等。充電機(jī)循環(huán)讀取電池狀態(tài)，直至充電結(jié)束。

2 主充電電源及驅(qū)動控制設(shè)計(jì)

2.1 主充電電源模塊

主充電電源模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。380 V三相交流電輸入后，經(jīng)過EMI濾波、三相橋式整流和 LC濾波得到較為平滑的直流電壓，再通過由IGBT逆變電路、高頻變壓器、整流電路和濾波電路組成的全橋變換器，最終輸出到超級電容。

圖2 主充電電源模塊結(jié)構(gòu)

2.2 全橋變換器及驅(qū)動控制

全橋變換器及驅(qū)動電路如圖3所示。為降低電磁干擾，一方面在輸入側(cè)添加EMI濾波，另一方面在變換器副邊添加無源鉗位電路，為實(shí)現(xiàn)零電流零電壓（ZVZCS）工作提供條件。同時采用這種簡單的無源鉗位輔助電路，可以抑制整流二極管的尖峰電壓，因而無需添加緩沖電路[7-8]。驅(qū)動控制模塊采用具有過流、欠壓等保護(hù)功能的IGBT專用驅(qū)動芯片IR2233，采用有限雙極性法控制，控制器輸出PWM控制超前橋臂，輸出固定脈寬且半個周期互補(bǔ)的驅(qū)動信號控制滯后橋臂。超前橋臂通過并聯(lián)電容和二極管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，滯后橋臂通過變壓器原邊漏感、鉗位電容和二極管實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)。

圖3 全橋變換器及其驅(qū)動控制電路

3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

3.1 缺相保護(hù)設(shè)計(jì)

缺相保護(hù)電路如圖4所示。由整流二級管、光電耦合器和與門芯片組成，正常情況下，與門輸出總為高電平，一旦某一相出現(xiàn)問題，與門就會被拉低，控制器缺相檢測引腳RE1診斷出缺相故障后，將切斷繼電器，人機(jī)交互模塊顯示缺相故障并報(bào)警。

圖4 缺相保護(hù)電路

3.2 過流保護(hù)設(shè)計(jì)

過流保護(hù)具有雙重保護(hù)功能，包括IGBT過流保護(hù)和充電機(jī)輸出端過流保護(hù)，均通過檢測電流實(shí)現(xiàn)保護(hù)。IGBT驅(qū)動芯片IR2233自帶IGBT過流保護(hù)功能，如圖3所示，ITRIP引腳為過流信號輸入端，引腳為故障輸出端，一旦ITRIP引腳檢測到過流信號，IR2233將關(guān)閉驅(qū)動輸出，控制器通過引腳判斷出現(xiàn)過流故障[9]。

充電機(jī)采用霍爾電流傳感器采集充電機(jī)輸出電流，當(dāng)檢測到輸出電流大于最大充電電流的 5%(210 A)時，即表明輸出端出現(xiàn)過流故障?？刂破髟\斷出過流故障后，將通過人機(jī)交互模塊顯示過流故障，然后調(diào)整IGBT驅(qū)動控制信號，減小充電電流。

3.3 短路保護(hù)設(shè)計(jì)

充電機(jī)輸出側(cè)短路保護(hù)電路如圖5所示，由一個過零比較器和與門芯片組成，與門輸出端接繼電器控制腳。正常工作時，與門輸出高電平，繼電器接通電路；出現(xiàn)短路故障時，與門即刻輸出低電平，繼電器立刻停止工作。繼電器不工作時，控制器若檢測到RA5為高電平，則人機(jī)交互模塊顯示出現(xiàn)短路故障。

圖5 充電機(jī)輸出側(cè)短路保護(hù)電路

3.4 欠壓及過壓保護(hù)設(shè)計(jì)

充電機(jī)輸入側(cè)電壓檢測電路如圖6所示，利用光耦采集充電機(jī)輸入側(cè)電壓，若檢測到輸入電壓超過正常范圍 486 V～590 V，則控制器停止驅(qū)動 IGBT，人機(jī)交互模塊報(bào)警并顯示欠壓或過壓故障。

圖6 充電機(jī)輸入側(cè)電壓檢測電路

3.5 過熱保護(hù)設(shè)計(jì)

過熱保護(hù)包括IGBT過熱保護(hù)和超級電容過熱保護(hù)。數(shù)據(jù)采集模塊通過溫度傳感器采集其溫度場，并與整機(jī)控制模塊進(jìn)行CAN通信，若控制器發(fā)現(xiàn)IGBT或超級電容過熱，則減小充電電流，同時人機(jī)交互模塊顯示出現(xiàn)過熱故障。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

超級電容充電機(jī)主程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化和系統(tǒng)自檢，檢測無故障后，依次調(diào)用相應(yīng)的子程序，包括CAN子程序、故障自診斷子程序、充電子程序和顯示子程序等。系統(tǒng)會檢測并儲存充電前后電池狀態(tài)，方便用戶查詢歷史數(shù)據(jù)。

圖7 充電機(jī)主程序流程圖

4.2 故障自診斷子程序

充電機(jī)故障自診斷子程序如圖8所示。充電機(jī)具有故障自診斷功能，一旦出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將自動響應(yīng)，同時人機(jī)交互模塊顯示故障原因并報(bào)警。

5 實(shí)驗(yàn)

5.1 充電機(jī)穩(wěn)定性測試

為了驗(yàn)證充電機(jī)的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)測試了充電機(jī)恒流輸出、恒壓輸出和恒功率輸出的穩(wěn)定精度。因超級電容采用大電流充電時，充電時間短而且耗能多，所以本實(shí)驗(yàn)采用電阻箱作為負(fù)載，用高精度電壓表和電流表測量了充電機(jī)工作30 min的穩(wěn)定精度。實(shí)驗(yàn)測量并記錄了充電機(jī)設(shè)定為180 A恒流工作時的實(shí)際輸出電流，80 V恒壓工作時的實(shí)際輸出電壓和10 kW恒功率工作時的實(shí)際輸出功率，分別計(jì)算了穩(wěn)流精度、穩(wěn)壓精度和恒功率精度，結(jié)果如圖9所示。由圖可知：充電機(jī)恒流輸出、恒壓輸出或恒功率輸出時，充電機(jī)的穩(wěn)定精度均在0.45%左右波動。

圖8 故障自診斷子程序

圖9 充電機(jī)恒流輸出、恒壓輸出、恒功率輸出的穩(wěn)定精度

5.2 充電機(jī)充電效率測試

為了驗(yàn)證充電機(jī)的高效性，用三相功率表測量了不同輸出功率時充電機(jī)的工作效率，充電機(jī)的效率曲線如圖10所示。由圖可知：充電機(jī)輸出功率為5 kW時充電效率最高，充電效率為 92.4%，充電機(jī)最低充電效率為90.4%。

圖10 充電機(jī)在不同輸出功率下的效率曲線

6 結(jié)論

為滿足應(yīng)用于大功率場合的超級電容充電需求，設(shè)計(jì)了一種具有故障自診斷功能的ZVZCS大功率超級電容充電機(jī)，最大輸出功率可達(dá) 20 kW，最大充電電流可達(dá)200 A。實(shí)驗(yàn)測試了充電機(jī)的穩(wěn)定精度和充電效率，結(jié)果可知：充電機(jī)恒流輸出、恒壓輸出或恒功率輸出時，充電機(jī)的穩(wěn)定精度均小于0.5%，表明充電機(jī)工作穩(wěn)定，受電磁干擾影響較??；充電機(jī)在最大輸出功率范圍工作時的充電效率均超過了90%，表明充電機(jī)開關(guān)損耗較低，充電效率高。該充電機(jī)滿足超級電容對充電設(shè)備的要求。

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Design of smart charger for high-power supercapacitors

Deng Ying，Wang Linfeng，Jiang Meng
（College of Engineering and Technology，Southwest University，Chongqing 400716，China）

Aiming at the features and requirements when high-power supercapacitors were charged,high frequency switching power supply technology was applied to design a high-power smart charger with three-phase alternating current inputted.The main topological structure of main circuit consisted of a full-bridge converter which was driven by an IGBT driver IC and soft-switching technology was applied to control the leading bridge and lagging bridge.Not only did the charger have a CAN communication interface,but also a series of protection circuits were designed to avoid fault including under-voltage,over-current,overheat,short circuit,overvoltage and default phase,so a fault self-diagnosis system was provided.The charger saved charging process data and battery status data and displayed these data by a LCD,meanwhile users could query historical data if need,thus smart charging and automated management was realized by the charger.We tested charging stabilizing accuracy in different working mode and charging efficiency in different output power,the results showed that the charger can work reliably and has a high charging efficiency,so it is suitable for the charging of supercapacitors.

supercapacitor；high-power；smart charging

TN60

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.033

鄧瑩，王林鳳，蔣猛.大功率超級電容智能充電機(jī)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(12)：126-129.

英文引用格式：Deng Ying，Wang Linfeng，Jiang Meng.Design of smart charger for high-power supercapacitors[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：126-129.

2016-04-20）

鄧瑩（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械電子系統(tǒng)控制研究。

王林風(fēng)（1991-），女，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)電一體化。

蔣猛（1964-），男，通信作者，副教授，主要研究方向：汽車動力傳動和控制研究，E-mail：driver1964@sina.com。

科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金（13C26215115108）