智能三相充電樁系統(tǒng)的開發(fā)

黃月容，邱杰晉，韋創(chuàng)煒，鄒麗玲，莫英觀，龐壽全

（玉林師范學(xué)院，廣西玉林，537000）

0 引言

我國大部分傳統(tǒng)的充電樁采用恒壓、恒流模式。處于恒壓、恒流模式的充電樁所需充電周期較長、效率低下，容易給用戶帶來不良的使用體驗(yàn)；恒流模式的充電樁還易使蓄電池產(chǎn)生析氣現(xiàn)象，對電池造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。傳統(tǒng)的充電樁覆蓋面率低、所需充電時(shí)間長、效率低下等問題，導(dǎo)致能源供給的步伐無法跟上當(dāng)今新能源汽車數(shù)量增長的腳步，此情況嚴(yán)重不符當(dāng)今社會(huì)所提倡的綠色發(fā)展理念。因此，研制出一款智能、安全、高效的智能充電樁具有非常重要的社會(huì)意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用創(chuàng)新型的 Vienna 整流電路對三相電進(jìn)行AC-DC 變換作為提供給整個(gè)裝置直流電能的能源供給裝置。全套裝置由 TMS320F28335 單片機(jī)為主控模塊，外加智能安全檢測模塊、OLED 液晶屏顯示模塊、功率因數(shù)校正模塊和輔助電源模塊組成[4]。在整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行開始工作前，可對新能源汽車的剩余電量進(jìn)行自動(dòng)化檢測，通過將剩余電量采樣給單片機(jī)判斷其是否需要進(jìn)行充電以及所需充電時(shí)間的長短。若檢測到汽車的剩余電量低于新能源汽車電池所需電量的預(yù)設(shè)值時(shí)，單片機(jī)反饋給充電樁相應(yīng)的信息后自動(dòng)對汽車進(jìn)行充電。同理，當(dāng)充電結(jié)束，經(jīng)過單片機(jī)的反饋，充電樁可自動(dòng)斷開對汽車蓄電池的充電[5]。系統(tǒng)在工作期間將所需顯示給用戶的參數(shù)在液晶屏上面顯示，用戶再根據(jù)需要進(jìn)行按鍵選擇。裝置總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

裝置若要實(shí)現(xiàn)對新能源汽車高效、智能的充電，則需要運(yùn)算能力較強(qiáng)的主控模塊，現(xiàn)采用32 位單片機(jī)MS320F28335 作為智能充電樁的主控模塊[1]。我們借助于TMS320F28335 的浮點(diǎn)運(yùn)算單元，進(jìn)行快速的編寫控制算法，不必在處理小數(shù)上面花費(fèi)過多的時(shí)間和精力；高性能的TMS320C28x 系列 DSP 控制器，其主頻高達(dá)150MHz，還包括 I2C、SPI、ECAN 等多個(gè)總線接口，可以應(yīng)用于較多方面的控制類工業(yè)設(shè)備；因?yàn)樗w積小、性能強(qiáng)、便攜性高，還可應(yīng)用于多種小型的手持設(shè)備，因此可以勝任本作品的設(shè)計(jì)要求。

2.2 Vienna 整流模塊

智能充電樁的能源供給模塊作為我們充電樁系統(tǒng)最核心的部分，整流部分的電源動(dòng)靜態(tài)性能決定著充電樁電能供給的質(zhì)量與充電效率。本系統(tǒng)采用創(chuàng)新型的 Vienna 整流模塊作為本系統(tǒng)的直流電源能源供給，它以連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM)運(yùn)行，具有固有的多級開關(guān)（三級），并且可以降低功率器件上的電壓應(yīng)力。除此之外，Vienna 整流器作為一種創(chuàng)新型的整流電路，也是功率因數(shù)修正電路，相對簡單的功率與控制電路。另外，其電路結(jié)構(gòu)簡單、使用較少的功率器件、可以實(shí)現(xiàn)電流諧波較低的三電平轉(zhuǎn)換、同時(shí)還具有較高的功率因數(shù)和較低的導(dǎo)通共模EMI 噪聲等優(yōu)點(diǎn)。綜合以上特點(diǎn)，符合本設(shè)計(jì)的要求。裝置Vienna 整流模塊如圖2 所示。

圖2 Vienna 整流模塊

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

智能充電樁的MCU TMS320F28335 輸出的PWM 波無法直接驅(qū)動(dòng)主電路的 N-MOS 管，故對主電路 N-MOS 的操控需要增加獨(dú)立的外部驅(qū)動(dòng)電路。本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)芯片采用EG3012 系列驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片懸浮自舉電源設(shè)計(jì)，耐壓可達(dá)80V、內(nèi)部自配了死區(qū)控制電路、電源電壓欠壓關(guān)斷輸出自帶閉鎖功能，可以避免上、下管輸出同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致短路現(xiàn)象的發(fā)生，采用半橋達(dá)林頓管的輸出結(jié)構(gòu)，使其具備大電流柵極驅(qū)動(dòng)能力，進(jìn)而達(dá)到驅(qū)動(dòng)主電路的 N-MOS 管的作用。一般來說，對于同一系列參數(shù)相同的 N-MOS 驅(qū)動(dòng)模塊可以需要根據(jù)具體需要進(jìn)行型號的選擇。裝置具體驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路

2.4 DC-DC 變換模塊

根據(jù)美國著名的科學(xué)家馬斯提出的充電三定律，對于不同的新能源汽車在充電時(shí)所需的電壓或者電流值大小都是不一樣的，這時(shí)候就需要我們設(shè)計(jì)出可以根據(jù)不同車型變化而變化的DC/DC 變換模塊。不同車型的蓄電池所剩余的電量不一樣，輸入的直流電流也是不一樣的，當(dāng)蓄電池的剩低電量于蓄電池的10%時(shí)，為了保護(hù)電池內(nèi)部的活性物質(zhì)不被破壞而采用小電流充電；在經(jīng)過預(yù)充電后電量達(dá)到電池容量的10%之后則進(jìn)行大電流的充電，因?yàn)檫@樣可以大大減少所需的充電時(shí)間、提高充電效率；當(dāng)充電電量達(dá)到蓄電池的90%之后則進(jìn)行恒壓充電。為了滿足以上要求，在 DC/DC 變換部分我們采用的是電流型同步 buckboost 變換器。電流型同步 buck-boost 變換器可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在進(jìn)行升壓與降壓變換的模式情況下，變換器兩側(cè)端口的電壓極性不會(huì)發(fā)生改變，而電流的流動(dòng)方向是可以改變的，并且借助于功率變換器具有改變電流方向的功能而對蓄電池放電電流進(jìn)行控制[3]。電流型同步 buck-boos 變換器的示意圖如圖4 所示。

圖4 同步 buck-boost

2.5 信號檢測模塊

2.5.1 采壓模塊

作為反饋信息反饋回單片機(jī)的電壓值不能超過3V，否則會(huì)將單片機(jī)燒毀。而整套系統(tǒng)的電壓值都比較大，若需要采集電壓作為反饋信息則必須進(jìn)行分壓處理，將大電壓按比例轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以接受的小電壓值。為了實(shí)現(xiàn)成本的最低化，我們采用兩個(gè)相應(yīng)比例阻值的電阻進(jìn)行串聯(lián)分壓[2]，再將得到的小電壓值送入由LM358 組成的電壓跟隨器進(jìn)行電壓的跟隨，增強(qiáng)采樣電壓的穩(wěn)定性。

2.5.2 采流模塊

電流采樣模塊我們采用的是用低值的康銅絲電阻，利用歐姆定理中的電阻值固定，通過測量電阻兩端的電壓進(jìn)行計(jì)算得到電流值。由于康銅絲的阻值過小，在其兩端所產(chǎn)生的電壓也會(huì)很小，直接傳送給單片機(jī)的話其分辨率較低，單片機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象，所以我們通過由INA282 芯片組成的比例放大電路進(jìn)行電壓值的放大后再送入單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，這樣得到的參數(shù)準(zhǔn)確率就會(huì)大大提高。

2.5.3 溫度檢測模塊

智能充電樁在充電過程中的溫度變化也是一個(gè)重要的指標(biāo)，溫度太高或者過低都會(huì)影響智能充電樁的質(zhì)量。特別是處于大電流充電時(shí)，流過大電流的元器件會(huì)產(chǎn)生大量的熱而使充電樁溫度過高。為了避免因溫度的急劇變化而引發(fā)問題，我們采用DHT11 溫度傳感器進(jìn)行系統(tǒng)溫濕度的檢測，DHT11 將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳送給單片機(jī)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫濕度的實(shí)時(shí)檢測。若溫度異常則進(jìn)行警報(bào)提醒、嚴(yán)重時(shí)可以將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行急停處理。

通過分別抽取系統(tǒng)中相應(yīng)位置的信號作為反饋信息，返回給單片機(jī)進(jìn)行判斷當(dāng)前智能充電樁的運(yùn)行狀況，可以精確快速地分析掌握設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。裝置信號檢測模塊如圖5 所示。

圖5 信號檢測模塊

2.6 人機(jī)界面

人機(jī)界面是作為用戶與智能充電樁之間進(jìn)行交流的界面，其設(shè)計(jì)的友好性將直接影響用戶的使用體驗(yàn)。我們本裝置的人機(jī)界面主要由OLED 液晶顯示屏和矩陣鍵盤組成。OLED 液晶顯示屏為顯示系統(tǒng)參數(shù)信息的模塊，其具有抗震性能較好、不怕摔，制造工藝簡單、成本低，顯示畫面不失真，廣視角、較低耗電、極高反應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)。基于以上優(yōu)點(diǎn)，符合本裝置的要求。操作模塊我們采用的是4×4 矩陣鍵盤，提前將功能按鍵設(shè)定的，再通過單片機(jī)與OLED 液晶顯示屏結(jié)合，節(jié)省了更多的 IO 口，提高了人機(jī)交互的效率。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件部分的中心控制核心板我們采用 TMS320F28335作為 MCU，分別與 OLED 顯示屏、按鍵電路、電壓電流采樣電路相連。OLED 顯示屏與MCU 相連，用來作為相關(guān)數(shù)據(jù)狀態(tài)的顯示。TMS320F28335 分別控制外部按鍵和顯示、給驅(qū)動(dòng)電路提供PWM 波以驅(qū)動(dòng)主電路。本研究采用采壓采流模塊（包括交直流采壓采流模塊）與中心控制器相連，用來采集電路中的有關(guān)直流成分的電壓電流和交流成分的電壓電流，再將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP 里進(jìn)行運(yùn)算，通過PID 調(diào)整、鎖相技術(shù)以及濾波算法，將運(yùn)算出的數(shù)據(jù)反饋給硬件電路，此反饋針對EPWM 波對BUSK 電路的升降壓的調(diào)整，以及SPWM 波驅(qū)動(dòng)的逆變電路輸出的交流成分，同時(shí)也對逆變出來的交流與國家電網(wǎng)50Hz 進(jìn)行并網(wǎng)鎖相跟蹤，我們的系統(tǒng)能夠提供優(yōu)化的最大功率點(diǎn)跟蹤，同時(shí)保證穩(wěn)定的電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。通過以上操作實(shí)現(xiàn)對整個(gè)電路進(jìn)行穩(wěn)壓穩(wěn)流和鎖相跟蹤的技術(shù)操作，以達(dá)到控制整個(gè)智能充電樁系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 PID 算法控制

PID 算法（比例－積分－微分算法）是一種在控制過程中，根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）來控制的常用算法。它基于反饋原理，通過對誤差信號進(jìn)行計(jì)算和調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制和響應(yīng)性能的優(yōu)化。在我們的系統(tǒng)中，PID 算法被用于電能轉(zhuǎn)換的控制過程中?；趯?shí)際輸出值與預(yù)設(shè)設(shè)定值之間的差值，PID 控制器根據(jù)三個(gè)參數(shù)（比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki 和微分系數(shù)Kd）動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出信號，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓和穩(wěn)流的效果。

比例控制（P）：比例參數(shù)用于根據(jù)當(dāng)前誤差信號與設(shè)定值的差距，對輸出信號進(jìn)行比例調(diào)節(jié)。它可以快速有效地響應(yīng)誤差的變化，但可能導(dǎo)致系統(tǒng)對于小幅度的變化過于敏感。

圖6

積分控制（I）：積分參數(shù)用于對誤差信號的累積進(jìn)行調(diào)節(jié)，以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。通過累積誤差的積分值，系統(tǒng)可以更好地追蹤設(shè)定值，并減小穩(wěn)態(tài)誤差。然而，過大的積分參數(shù)可能導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)和振蕩問題。

微分控制（D）：微分參數(shù)用于根據(jù)誤差信號的變化率來調(diào)節(jié)輸出信號。它可以提供更快的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，尤其在誤差信號發(fā)生突變時(shí)。然而，過大的微分參數(shù)可能引入抖動(dòng)和噪聲放大的問題。為了優(yōu)化PID 控制，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化。通過實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，我們可以選擇合適的比例、積分和微分系數(shù)，以達(dá)到最佳的穩(wěn)定性和響應(yīng)性能。通過以上優(yōu)化的PID 控制算法，我們的系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定值，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)換。這樣，我們的系統(tǒng)可以滿足智能充電樁系統(tǒng)對穩(wěn)壓穩(wěn)流和高效性能的要求，并提供可靠的電能輸出。

其中：K(p)為比例增益系數(shù)，是調(diào)適參數(shù)；K(i)為積分增益系數(shù)，也是調(diào)適參數(shù)；K(d)為微分增益系數(shù)，也是調(diào)適參數(shù)；e 為誤差值，公式：誤差值=設(shè)定值-反饋值；t 為當(dāng)前時(shí)間。

在控制系統(tǒng)中，反饋調(diào)節(jié)是一種常用的方法，旨在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)性能的優(yōu)化。在給定一個(gè)激勵(lì)信號r(t)的情況下，執(zhí)行一系列運(yùn)算來生成一個(gè)控制信號u(t)，將其作為反饋信號送回激勵(lì)信號，以調(diào)整系統(tǒng)的響應(yīng)。具體而言，我們將激勵(lì)信號r(t)送入求和器，與一組參考信號進(jìn)行求和運(yùn)算，生成誤差信號e(t)。接著，這個(gè)誤差信號經(jīng)過比例運(yùn)算器P、積分運(yùn)算器I和微分運(yùn)算器D的處理，分別根據(jù)比例、積分和微分的方法進(jìn)行運(yùn)算。比例運(yùn)算器P 根據(jù)誤差信號的大小調(diào)整輸出信號，積分運(yùn)算器I 根據(jù)誤差信號的積累進(jìn)行調(diào)整，而微分運(yùn)算器D則根據(jù)誤差信號的變化率進(jìn)行調(diào)整。這些運(yùn)算器的輸出結(jié)果再次經(jīng)過求和運(yùn)算，得到控制信號u(t)。將控制信號u(t)反饋回激勵(lì)信號一側(cè)，對激勵(lì)信號進(jìn)行調(diào)整。通過這種反饋調(diào)節(jié)，系統(tǒng)能夠?qū)ζ渥陨淼捻憫?yīng)進(jìn)行修正和優(yōu)化，以提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。這種反饋調(diào)節(jié)的作用是，通過不斷監(jiān)測和修正輸出信號，使系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地跟蹤預(yù)定的目標(biāo)并抵消外部干擾。這樣，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得以提高，響應(yīng)更加平滑和精確。總之，通過將控制信號反饋回激勵(lì)信號，執(zhí)行一系列運(yùn)算和調(diào)節(jié)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自我修正和優(yōu)化，進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。反饋調(diào)節(jié)是控制系統(tǒng)中一種重要的技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于各種控制和調(diào)節(jié)場景中。

本系統(tǒng)采用的是位置式PID，通過檢測當(dāng)前值與本系統(tǒng)所需的目標(biāo)值進(jìn)行差值運(yùn)算再P 比例運(yùn)算，和K 積分運(yùn)算和D 微分運(yùn)算得出一個(gè)反饋值，將這個(gè)反饋值作用于PWM以達(dá)到升降壓。

3.3 MPPT 算法控制

MPPT 算法，即最大功率點(diǎn)跟蹤算法，可以有效地優(yōu)化充電效率。在我們的三相智能充電樁系統(tǒng)中，我們運(yùn)用MPPT 算法來實(shí)現(xiàn)最佳電壓和電流的跟蹤，以達(dá)到最大功率傳輸。MCU 通過實(shí)時(shí)檢測整流輸出的電壓和電流值，并運(yùn)用MPPT 算法計(jì)算出最大功率點(diǎn)的參數(shù)。然后，MCU 將這些參數(shù)反饋給PWM 波的占空比，從而調(diào)節(jié)整流部分的輸出。這樣，充電樁的輸出功率可以根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算得到的最佳參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同電池和充電需求。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的最大功率點(diǎn)跟蹤，我們采用了擾動(dòng)法。MCU 通過測量擾動(dòng)前后充電樁輸出功率和電壓的變化，可以確定下一個(gè)周期的擾動(dòng)方向。當(dāng)擾動(dòng)方向正確時(shí)，充電樁的輸出功率將增加，從而提高了為用戶設(shè)備充電的效率。通過以上優(yōu)化和控制策略，我們的三相智能充電樁系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)效率最大化的充電過程。通過實(shí)時(shí)計(jì)算和調(diào)節(jié)，充電樁可以根據(jù)不同環(huán)境和需求情況，快速而準(zhǔn)確地跟蹤最大功率點(diǎn)，從而提供高效、穩(wěn)定和可靠的充電服務(wù)。這樣，我們的系統(tǒng)可以滿足用戶對充電效率和能源利用的高要求。

本系統(tǒng)采用擾動(dòng)式觀察法MPPT 算法，采輸出的電壓電流，通過MPPT 算法運(yùn)算。得出一個(gè)最大功率對應(yīng)的電壓，將此電壓作為目標(biāo)值反饋給PID 算法運(yùn)算，及時(shí)調(diào)整BUCK-BOST 同步升降壓電路的電壓。以達(dá)到三相充電樁輸出的最大功率輸出，最終給用戶汽車快速地充電。

3.4 鎖相控制

本三相充電系統(tǒng)使用鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。鎖相環(huán)是一種反饋控制系統(tǒng)，通過比較輸入信號與參考信號之間的相位差，并根據(jù)該差異進(jìn)行調(diào)整，使得輸出信號與參考信號相位保持一致。在電源鎖相過程中，系統(tǒng)首先使用傳感器或電路測量輸入電源信號的相位和頻率。然后，系統(tǒng)將這些測量值與內(nèi)部的參考信號進(jìn)行比較，并通過調(diào)整系統(tǒng)的頻率、相位和幅值，使得輸出信號與參考信號保持一致。這樣，電源系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地輸出電能，與外部電源同步工作。

4 結(jié)束語

三相智能充電樁必將是未來清潔能源汽車的最佳能源供給方案，其可以克服傳統(tǒng)充電樁覆蓋面率低、充電時(shí)間長、效率低等缺點(diǎn)，且能夠進(jìn)行對相應(yīng)位置的車輛剩余電量檢測，并進(jìn)行高效的、大功率的、智能的充電；除此之外，該模型結(jié)構(gòu)簡單、制作的難度系數(shù)較低，可以大大地降低其制造成本。高效、智能、安全系數(shù)較高的三相智能充電樁符合當(dāng)今社會(huì)的綠色發(fā)展理念，擁有著廣闊的市場前景。