基于DSP的車(chē)載充電機(jī)的研究與實(shí)現(xiàn)

趙凌霄

（天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津300072）

電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)，對(duì)環(huán)境污染小，在節(jié)約能源方面有巨大優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不斷加強(qiáng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)及相關(guān)技術(shù)的研究力度[1]，而電池作為電動(dòng)汽車(chē)的能量來(lái)源，既是發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)的核心，更是電力工業(yè)與汽車(chē)行業(yè)的關(guān)鍵結(jié)合點(diǎn)[2]。電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)的功能就是將電網(wǎng)電能按規(guī)定轉(zhuǎn)換成電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電池中的電能，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電池的能量轉(zhuǎn)換。

電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)按裝載位置分類(lèi)，可分為地面充電機(jī)和車(chē)載充電機(jī)[3]。其中，地面充電機(jī)的輸入端與交流電源連接，輸出端只需完成與電動(dòng)汽車(chē)充電接口的對(duì)接，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的充電。其工作原理是：采用三相交流電作為輸入電源，經(jīng)三相全橋整流器整流、LC濾波后得到直流母線電壓，接著通過(guò)隔離型DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)電壓變換，最后將電能輸送至電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電池[4-5]。地面充電機(jī)具有輸出功率高、充電速度快的優(yōu)勢(shì)[6-7]，但相關(guān)充電設(shè)施建設(shè)還有待完善與優(yōu)化[8-9]。而車(chē)載充電機(jī)裝載于電動(dòng)汽車(chē)上，通過(guò)接口和電纜直接與交流電源連接，進(jìn)行充電，具有體積小、使用靈活和能夠?qū)崿F(xiàn)全天候充電等優(yōu)點(diǎn)，得到國(guó)內(nèi)外的廣泛重視[10-12]。目前國(guó)內(nèi)車(chē)載充電機(jī)需求發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于游覽車(chē)、電瓶車(chē)以及電池維護(hù)等場(chǎng)合，研制高效、安全的車(chē)載充電機(jī)具有重要意義[13]。

本文采用DSP芯片TMS320F28020作為主控芯片，通過(guò)對(duì)電壓、電流、溫度等模擬量的采集、反饋，實(shí)現(xiàn)車(chē)載充電機(jī)充電策略以及保護(hù)功能。采用半橋DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)主回路與控制回路的安全隔離，保證功率開(kāi)關(guān)管安全高效工作，設(shè)計(jì)了適用于高頻信號(hào)的脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路。在三段式充電策略基礎(chǔ)上，增加脈沖電流預(yù)充電過(guò)程，采取電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保恒流至恒壓階段輸出電流連續(xù)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試驗(yàn)證了方案的合理性。

1 硬件電路設(shè)計(jì)及工作原理

本文設(shè)計(jì)的充電機(jī)主要由功率部分和控制部分組成。其中，控制電路以TMS320F28020芯片作為主控芯片，主要包含了DSP外圍電路、輔助電源電路、驅(qū)動(dòng)電路以及采樣電路等，DSP主要完成電壓、電流、溫度等模擬量的采樣反饋，并通過(guò)數(shù)字運(yùn)算進(jìn)行脈沖調(diào)制，控制主回路功率器件的開(kāi)關(guān)，從而調(diào)節(jié)輸出電壓電流，實(shí)現(xiàn)保護(hù)邏輯等；主電路以MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)器件，采用半橋DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.1 主電路設(shè)計(jì)

主電路拓?fù)淙鐖D1所示，壓敏電阻RU1并接在電源端，有效抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)產(chǎn)生的浪涌過(guò)電壓，X電容CX1、CX2，Y電容CY1與共模扼流圈組成電磁干擾 EMI（electro-magnetic interference）濾波電路，濾除差模干擾與共模干擾，繼電器K1與電阻R1構(gòu)成軟開(kāi)關(guān)，防止初始上電時(shí)浪涌電流過(guò)大，燒壞電阻絲，兩個(gè)完全一樣的電容C3、C4以及功率電阻R2、R3組成分壓電路，通過(guò)控制Q1、Q2兩個(gè)功率管的交替導(dǎo)通和截止，在變壓器二次側(cè)感應(yīng)出交變脈沖，經(jīng) D2、D3全波整流，L1、C7濾波后，輸出直流電流至蓄電池，實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵器件設(shè)計(jì)如下。

圖1 主電路拓?fù)銯ig.1 Topology of main circuit

高頻隔離變壓器：為使鐵芯高頻損耗小，導(dǎo)磁能力強(qiáng)，抗飽和能力強(qiáng)，本文采用錳鋅鐵氧體材質(zhì)的EE型磁芯。取變壓器效率η=0.9，在變壓器二次側(cè)全波整流電路中，變壓器視在功率為

根據(jù)AP法選擇變壓器磁芯，取窗口使用系數(shù)K0為0.4，波形系數(shù)Kf為4，開(kāi)關(guān)頻率fs最小值為150 kHz，工作磁通密度Bw為0.15 T，電流密度J為400 A/cm2。可得磁芯的AP最小值為

考慮充足的裕量，選用EE55型號(hào)磁芯。

查表可知其磁芯有效截面積Ae為3.54 cm2，設(shè)在交流電壓最低情況下，半橋輸入最大電壓波紋為10%，可知整流后直流母線電壓最小值為

取最大占空比Dmax為0.45，則一次側(cè)匝數(shù)為

又因輸出最大電壓Vomax為75 V，取二次側(cè)整流二極管壓降Vd為1 V，則變壓器原副邊匝數(shù)比應(yīng)滿足

匝數(shù)取整，變壓器一次側(cè)匝數(shù)取4匝，二次側(cè)中心抽頭兩邊各取為3匝。

輸出濾波電路：電感L1和鋁電解電容C7組成LC低通濾波電路。在一個(gè)周期內(nèi)，電感電流的波動(dòng)Ip-p通常取最大輸出電流的20%，則濾波電感L1滿足

式中：V1為整流后、濾波前的電壓；Ton為MOSFET在半個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間。則有

將式（7）和式（8）代入式（6），可得 L1為 8.33 μH。在此選用10 μH電感。

輸出濾波電容應(yīng)盡量限制輸出電壓紋波，而輸出紋波幾乎完全由濾波電容ESR決定，對(duì)于鋁電解電容，其RC乘積在50×10-6～80×10-6范圍內(nèi)[14]，取輸出電壓紋波Vr為最大輸出電壓的1%，則有

故本文選用330 μF、耐壓值為100 V的鋁電解電容。

1.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

功率MOSFET高效可靠地正常工作依賴于驅(qū)動(dòng)脈沖，脈沖的傳輸是信號(hào)與能量的傳遞,易受到電路干擾,一般采用光電耦合器或隔離變壓器解決控制電路和主電路之間的隔離問(wèn)題。光電耦合器由于本身特性限制，其工作頻率最高只能達(dá)到50 kHz左右，不適用于高頻場(chǎng)合，故本文驅(qū)動(dòng)電路采用脈沖變壓器隔離電路。脈沖變壓器具有工作頻率高、可傳遞功率、無(wú)需輔助電源即可提供負(fù)壓以實(shí)現(xiàn)功率MOSFET可靠關(guān)斷等優(yōu)勢(shì)。

采用FAN3227作為門(mén)極驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)了如圖2所示的驅(qū)動(dòng)電路，F(xiàn)AN3227是一款N溝道增強(qiáng)型MOSFET的門(mén)極驅(qū)動(dòng)芯片，能夠在高頻工況下輸出高峰值電流脈沖，此外，其內(nèi)部電路提供欠壓保護(hù)功能，當(dāng)供電電壓低于一定值時(shí)，通道A、B同時(shí)置為低電平。

FAN3227輸出經(jīng)推挽放大電路至脈沖變壓器原邊，變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，以PWMA高電平為例，此時(shí)Q1、Q6導(dǎo)通，以達(dá)到一次側(cè)電流放大的目的。次級(jí)脈沖電壓為正時(shí)，通過(guò)R8為電容C1充電，抬高Q1_S電壓，同時(shí)經(jīng)R1、R2兩個(gè)小電阻為MOSFET柵極電容充電，在此期間Q3、Q4截止，維持Q1_G為高電平，并使柵源電壓大于MOSFET開(kāi)通電壓；次級(jí)脈沖電壓為0時(shí)，Q3、Q4迅速導(dǎo)通，為功率MOSFET的寄生電容提供低阻抗泄流回路，拉低Q1_G電平，此時(shí)，由于電容C1沒(méi)有泄放回路，Q1_S電壓得以維持，故在MOSFET柵極和源極之間形成穩(wěn)定反壓，從而加速M(fèi)OSFET關(guān)斷。電阻R7不但可以維持Q4導(dǎo)通所需管壓降，還能夠提供放電回路。穩(wěn)壓管Z1保證門(mén)極電壓不會(huì)過(guò)高超過(guò)MOSFET門(mén)極電壓上限，Z2與C1并聯(lián)使MOSFET1_S處電壓穩(wěn)定在恒定值。

圖2 變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 Transformer isolation drive circuit

2 充電策略

單一的恒流或恒壓充電法在充電中間階段均遠(yuǎn)離充電電流接受率曲線，容易出現(xiàn)過(guò)充電或充電不足的問(wèn)題，現(xiàn)階段普遍采用三階段充電策略[15]。三階段充電法是恒流充電和恒壓充電相結(jié)合的方式。在充電初期用較大電流為蓄電池充電，輸出電壓達(dá)到一定值時(shí)改為恒壓充電，當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時(shí)，轉(zhuǎn)到第三階段，對(duì)蓄電池進(jìn)行小電流浮充電。其優(yōu)點(diǎn)是：充電中間過(guò)程更接近蓄電池電流接受率曲線，避免了恒流充電法后期輸出電流過(guò)大，導(dǎo)致電池過(guò)充的情況；解決了恒壓充電法初始充電電流過(guò)大，而后期電流又過(guò)小的問(wèn)題。

本文在三階段充電法的基礎(chǔ)上，增加脈沖電流預(yù)充電過(guò)程，即在預(yù)充電階段對(duì)蓄電池施以周期性脈沖電流進(jìn)行充電，能夠有效地防止對(duì)深度放電的電池初期大電流充電而損害其壽命，同時(shí)能夠減小電池在充電過(guò)程中的極化現(xiàn)象。其充電程序流程如圖3所示。

其中，為實(shí)現(xiàn)恒流至恒壓階段輸出電流平滑轉(zhuǎn)換，本文采用電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制框圖如圖4所示。充電初始階段，電壓外環(huán)飽和，輸出電流上限值，以實(shí)現(xiàn)恒流快速充電；當(dāng)電池電壓達(dá)到一定值時(shí)，電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)共同作用，為電池提供連續(xù)可變的電流，并維持恒定的輸出電壓。

圖3 充電程序流程Fig.3 Flow chart of charging process

圖4 電壓、電流雙閉環(huán)控制框圖Fig.4 Block diagram of double closed-loop control of voltage and current

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證上述理論分析，研制了一臺(tái)樣機(jī)，采用5節(jié)12 V/45 Ah蓄電池進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，并用示波器記錄波形。

圖5是車(chē)載充電機(jī)工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)脈沖波形，可以看出，觸發(fā)脈沖具有較陡的上升沿和下降沿，能夠有效減小開(kāi)關(guān)損耗，脈沖電壓可達(dá)12 V左右，大于MOSFET開(kāi)啟電壓，并且在關(guān)斷時(shí)刻能夠提供2 V反向柵源電壓，實(shí)現(xiàn)了MOSFET快速關(guān)斷，防止誤導(dǎo)通的發(fā)生。

圖6是不同階段車(chē)載充電機(jī)的輸出電壓、電流波形。圖（a）中，電池電壓較低，充電機(jī)以周期性脈沖電流對(duì)蓄電池進(jìn)行預(yù)充電，在單周期內(nèi)以10 A電流充電 100 ms，停止充電 400 ms；圖（b）所示，輸出電壓達(dá)到60 V以上，充電機(jī)以15 A恒流為蓄電池充電；圖（c）是最后的浮充電階段，同樣以500 ms為周期對(duì)蓄電池進(jìn)行周期性充電，充電電流在2～3 A左右?？梢钥闯?，輸出電壓、電流波形符合充電策略要求，能夠?yàn)樾铍姵匕踩?、有效地充電?/p>

圖5 驅(qū)動(dòng)脈沖波形Fig.5 Waveform of driving pulse

圖6 各階段電壓、電流輸出波形Fig.6 Output waveforms of voltage and current on each stage

4 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)車(chē)載充電機(jī)，立足于實(shí)際應(yīng)用需求，采用以半橋電路作為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了小型化、輕量化的目標(biāo)，可靠性高，運(yùn)行效果良好；設(shè)計(jì)了高頻脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路，滿足MOSFET對(duì)脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)要求，通過(guò)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了理論分析的正確性。此外，所研制車(chē)載充電機(jī)成本較低，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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