電力機(jī)車輔助供電系統(tǒng)充電器的研制

張騰召,張全柱,張竣淞,湯禮鳳,徐海超

(華北科技學(xué)院,北京 東燕郊 065201 )

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,電力機(jī)車的功率和速度也隨之提高,不僅能夠滿足運輸需求,而且還能保證行車的安全與舒適,現(xiàn)如今電力機(jī)車已成為機(jī)車運輸領(lǐng)域主力軍之一[1-2]。電力機(jī)車在運行時經(jīng)常會在處于無接觸網(wǎng)、接觸網(wǎng)無電、無法升弓受流的情形下,機(jī)車還需要實現(xiàn)短距離牽車(如出入庫整備與移庫整備等),選用車載式輔助供電系統(tǒng)為機(jī)車供電是最佳選擇。本文為電力機(jī)車輔助供電系統(tǒng)中的鋰電池組設(shè)計了一款機(jī)車用充電器。

充電器性能的好壞直接影響到鋰電池組的運行效率、使用壽命及運行的可靠性,因此對電力機(jī)車輔助供電系統(tǒng)中充電器的設(shè)計和充電技術(shù)的選擇至關(guān)重要。國內(nèi)外許多專家學(xué)者針對充電器設(shè)計和充電技術(shù)領(lǐng)域展開了研究[6-12]。電力電子技術(shù)的發(fā)展推動了半導(dǎo)體器件的發(fā)展,場效應(yīng)管、門極可斷晶閘管和 IGBT 功率型開關(guān)管等先后興起,電源向高壓和高功率邁進(jìn)。功率半導(dǎo)體器件的理論研究與實際應(yīng)用也逐漸到達(dá)極限,這嚴(yán)重阻礙了電力電子行業(yè)向小型化、高效、高頻和高功率密度的方向發(fā)展。直到 21 世紀(jì)以來,第三代半導(dǎo)體SiC被研發(fā)出來, SiC憑借高壓、高頻和高功率的特性為新一代電力電子技術(shù)的發(fā)展提供更強有力的動力[3]。SiC憑借較低的導(dǎo)通內(nèi)阻和更快的上升與下降時間,更符合新一代儲能充電器的設(shè)計理念[4-5]。目前充電技術(shù)領(lǐng)域,主要的充電策略有恒壓充電法[6],恒流充電法[7],恒流恒壓充電法,三段式充電法[8],脈沖式充電法以及變電流間歇充電法[8,10]等?，F(xiàn)階段的主流充電策略主要是恒流-恒壓充電法或三段式充電法。目前根據(jù)充電器架構(gòu)可分為線性充電方式[9]、開關(guān)充電方式和脈沖充電方式[11]。其中線性充電方式以及開關(guān)充電方式多采用恒流-恒壓充電法,脈沖充電方式采用脈沖充電法[12]。其主要差別在于尺寸、性能以及成本。線性充電方式具有成本低、復(fù)雜度低和尺寸小等特點,缺點是損耗比較大[9]。開關(guān)充電方式具有效率高的特點,但相比線性充電方式電路較復(fù)雜。脈沖充電方式具有充電效率高,發(fā)熱少,元器件相對于開關(guān)充電方式少等特點,缺點是成本高,脈沖電流幅度較大,易損傷電池[6]。

綜上所述,本文充電器采用線性充電方式恒流-恒壓充電方法,通過H橋集成SiC功率逆變模塊實現(xiàn)高頻(50KHz)逆變輸出電壓電流,大大減小了主電路核心器件的體積(主要是高頻隔離變壓器、支撐電容、高頻電感等)。從根本上做到了大功率小體積,可為電力機(jī)車輔助供電系統(tǒng)中鋰電池組快速充電儲能,解決了電力機(jī)車輔助供電系統(tǒng)充電器在機(jī)車上的應(yīng)用和充電需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 充電器總體方案

本文所設(shè)計的充電器選用不控整流加H橋集成SiC功率逆變模塊再加高頻變壓器隔離、快速二極管整流智能充電主電路。該方案為“交-直-交-直(AC/DC/AC/DC)”的充電方案,基于高頻變壓器隔離和SiC的高頻充電技術(shù)將輔助三相 AC380V 電壓變換為隔離的充電電壓充電電流,給鋰離子電池組充電。這種方式同時具有調(diào)壓、電氣隔離的特點,依托電力電子技術(shù)和微型計算機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行恒流恒壓充電,另外體積、重量都符合機(jī)車上使用要求。

充電器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,為使鋰電池組能智能安全地充電,充電器控制系統(tǒng)需要實時采集輸入三相交流電壓、斷路器Q1 CBF(Circuit breaker feedback斷路器反饋),經(jīng)充電器整流后的直流電壓Uin、直流電流Iin、集成SiC功率器件工作溫度,輸出直流充電電壓Udc、充電電流Idc,以及鋰電池組信息狀態(tài)等。最終將DSP處理后的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示。

圖1 充電器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其工作原理為:當(dāng)鋰電池組SOC(State of Charge)低于65%時,且DSP檢測到斷路器Q1上有輸入AC380V,I/O檢測到斷路器反饋信息為斷開,此時DSP通過I/O控制斷路器(CBC)Q1閉合,此時充電器開始工作,SiC功率器件將電流環(huán)控制值產(chǎn)生相對應(yīng)占空比的PWM脈沖控制,使充電器控制系統(tǒng)工作在恒流限壓充電狀態(tài)。當(dāng)充電器工作一段時間后,鋰電池組SOC高于90%低于95%時(SOC高于95%時鋰電池停止工作),此時SiC功率器件將電壓環(huán)控制值產(chǎn)生相對應(yīng)占空比的PWM脈沖控制,此時充電器控制系統(tǒng)工作在恒壓限流充電狀態(tài)。當(dāng)充電完成后充電器控制系統(tǒng)將斷路器Q1斷開。

1.2 器件計算及選型

(1) H橋集成SiC功率逆變模塊的設(shè)計

電網(wǎng)輸出AC380V經(jīng)充電器整流二極管輸出DC540V,考慮到2倍的電壓裕量,選取至少耐壓1100V的開關(guān)器件。同時,根據(jù)SiC耐壓規(guī)格,可以選用1200V的開關(guān)器件。

由充電器最大充電功率P=UoutI得, Uout為充電器輸出電壓110V,I為最大充電電流150A,充電器最大充電功率P=16.5kW。經(jīng)計算得出整流后的輸出電流為IL≈30A,取過載系數(shù)為2,紋波系數(shù)為2,則SiC最大電流Imax為:

Imax=2×2×30=120(A)

實際應(yīng)用中選取較高電流值的SiC,由于需要考慮發(fā)熱問題,并且設(shè)計采用自然風(fēng)冷,則采用額定電流為200A的 SiC。為滿足電力機(jī)車上的散熱與效率要求,最終選擇1200V/200A的H橋集成SiC功率逆變模塊。

(2) 高頻隔離變壓器參數(shù)計算

已知充電器最高允許充電電壓Uout為110V,輸出整流器即單相橋式二極管通態(tài)壓降的公式為:

Uout=0.9U2

(1)

式中,U2表示單相橋式整流管輸入電壓即變壓器輸出電壓,V。

可以得到高頻隔離變壓器輸出電壓U2為122.2V。

已知高頻隔離變壓器在設(shè)計時,變比設(shè)計公式為:

(2)

式中,U1min即變壓器最小輸入電壓值,V;Dmax為副邊的最大占空比。

已知最小輸入電壓為480V DC,基于H橋移相控制算法可知高頻隔離變壓器副邊的最大占空比值Dmax為0.9(死區(qū)為1μs),則變壓器的變比為3.5∶1.0

根據(jù)鋰電池組的充電功率對變壓器的容量進(jìn)行設(shè)計,由上文計算結(jié)果可知最大充電功率為16.5kW,高頻隔離變壓器容量的設(shè)計公式為:

(3)

式中,η表示變壓器效率;TL表示輸出功率,kW。

則取高頻隔離變壓器效率為85%,則根據(jù)式(3)高頻隔離變壓器容量TL為19.4kW。

(3) LC濾波電路設(shè)計及選型

LC濾波電路中高頻電感計算公式為:

(4)

式中,Uout表示為濾波電感的輸出電壓值,V;fs表示為電路開關(guān)頻率值[13],Hz;Uinmax表示為濾波電路輸入的最大電壓,V;ULf是濾波電感的壓降值;UD是二極管壓降值;系數(shù)K=1。

由上文知Uout為110V,fs為50kHz,Uinmax最大電壓值為140V,直流電快恢復(fù)二極管的壓降忽略不計,根據(jù)式(4),求得高頻電感值為5.6μH。根據(jù)電感選取標(biāo)準(zhǔn),選取高頻電感值為6μH,額定電流標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)I=P/U可以得到電流約為132A。

直流LC濾波電路中支撐電容的計算公式為:

(5)

其中,直流脈動電壓的計算如下:

ΔUopp=0.5%U0≈0.6(V)

則根據(jù)式(5)可以計算得出濾波電容值為107.1μF。

本文選用型號為EGXF201E1070MK25S的濾波電容,濾波電容值選擇107uF/200V。

1.3 采樣電路設(shè)計

(1) 直流電壓采樣

如圖2所示為充電器輸出直流電壓采樣電路設(shè)計,考慮到鋰電池組的充電電壓為DC80～116.8V,選擇傳感器時,需留有1.2倍裕量,則測量范圍至少在140V以上。經(jīng)過對比分析,選用CHV-50P/400A電壓傳感器,其測量范圍為600V,匝數(shù)比為5∶1,副邊端輸出感應(yīng)電流范圍為0～25mA,能夠滿足采樣要求。由于微處理器A/D采樣模塊的允許檢測的電壓范圍是0～3V,故需要推算一個最合理的采樣電阻的阻值,使得直流電壓的采樣電壓盡可能趨近3V提高采樣的精確度。

由電壓傳感器參考手冊得知,當(dāng)其原邊端對應(yīng)電壓值為400V時,傳感器輸出額定電流為25mA。當(dāng)輸入端電壓最大值為116.8V時,輸出端的實際電流為:

(6)

由歐姆定律知:

(7)

由于充電電壓會在DC80～116.8V之間波動,為了使傳感器輸出的電流信號對應(yīng)到采樣電阻上的電壓盡可能趨近3V,故將采樣電阻阻值微調(diào)為400Ω。如圖2所示,采樣電阻R1為固定電阻,R2、R3為調(diào)整電阻,可根據(jù)實際情況確定采樣電阻中固定電阻和調(diào)整電阻的阻值。

(2) 直流電流采樣

直流電流采樣電路的位置點與直流電壓采樣的位置點相鄰,主要是檢測輸出直流電流的大小,其采樣電路設(shè)計與上述輸出直流電壓采樣電路設(shè)計方法相同,只是對傳感器而言,根據(jù)測量范圍的不同會有差別。經(jīng)計算分析,本設(shè)計在測量機(jī)車鋰電池組充電直流電流時,選用檢測范圍為0～150A的霍爾電流傳感器,型號為CHB-150SF,可隔離測量直流電流和脈沖電流,性能穩(wěn)定。輸入三相AC380V電壓中信號的采樣調(diào)整電路與充電直流電壓采樣電路相同,采樣電阻阻值的計算方式也相同,故此不再贅述。

2 控制算法設(shè)計

2.1 恒流-恒壓控制算法

充電器主要實現(xiàn)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電并給鋰電池組充電的功能,處理器選用DSP。采用恒流-恒壓充電原理,充電方法為電流、電壓雙閉環(huán)控制,工作原理如圖3所示。

圖3 充電器恒流-恒壓控制算法框圖

2.2 控制軟件設(shè)計

圖4為充電器恒流—恒壓雙PI調(diào)節(jié)器控制軟件流程圖, 軟件實現(xiàn)依托DSP控制芯片的強大計算能力,利用電流外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)的雙PI調(diào)節(jié)控制算法,可以實現(xiàn)充電器的恒流恒壓控制。該控制軟件由四部分組成:AD采樣程序、保護(hù)檢測程序、電流電壓雙PI控制算法程序以及與上位機(jī)連接的通訊程序組成。

圖4 充電器恒流-恒壓雙PI調(diào)節(jié)器控制軟件流程圖

系統(tǒng)通電后進(jìn)行系統(tǒng)初始化,每0.5ms進(jìn)入一次定時器中斷,在中斷內(nèi)首先完成AD采樣的工作,對充電器主電路中的輸入輸出電壓與輸入輸出電流值進(jìn)行采樣,之后經(jīng)過保護(hù)檢測程序,若系統(tǒng)檢測為無故障,則由上位機(jī)給定的電流值作為電流電壓雙PI控制算法的給定值,通過控制算法程序調(diào)節(jié)后輸出的PWM波給到驅(qū)動電路從而實現(xiàn)電流電壓雙PI控制。若系統(tǒng)監(jiān)測到有故障信息,保護(hù)電路立即封鎖脈沖,H橋逆變電路停止輸出,直到故障信息解除。

3 實驗結(jié)果與分析

為驗證機(jī)車輔助供電系統(tǒng)充電器的性能和穩(wěn)定性,在實驗室搭建了測試實驗平臺,如圖5所示,該實驗樣機(jī)的控制系統(tǒng)以DSP為核心控制器,實驗裝置包括DSP控制板、24V直流源、鉗流表、示波器、上位機(jī)等組成。充電器實驗樣機(jī)主電路外部接口由一個三相AC380V輸入接線端子和一個2PIN的外接輸出接線端子組成。

圖5 機(jī)車輔助供電系統(tǒng)充電器實驗平臺

通過CCS軟件編寫DSP控制程序,使控制系統(tǒng)的移相脈沖控制器輸出4路PWM脈沖,分別控制主電路H橋上集成SiC功率逆變模塊的開通與關(guān)斷,從而控制四路PWM波?？刂苾上嘀g的相位差,來達(dá)到恒流-恒壓充電的目標(biāo)。通過控制算法可知,只要兩相之間PWM波形能在0～180°相差之間平滑移動可調(diào),則可穩(wěn)定控制電壓或電流輸出。

當(dāng)載波頻率為50kHz時, 占空比恒定為50%,由于H橋電路上SiC功率器件的導(dǎo)通需要預(yù)留一定的死區(qū)時間,所以測得的實際驅(qū)動PWM波形的占空比會比50%略小5%左右。在最終的控制程序中寫入了死區(qū)補償,因此不影響控制效果。圖6(a)、(b)、(c)、(e)、(f)為幾種典型相位差時,H橋移相的驅(qū)動脈沖波形圖,它們分別是:8.6°、35.6°、44.7°、62.6°、89.6°、179.8°;充電器工作時高頻隔離變壓器副邊的輸出波形,以及充電器輸出的直流電壓(100V)波形,如圖7所示。

圖7 充電器高頻變壓器副邊輸出電壓波形(θ=180°時)及輸出直流電壓波形

通過圖5及圖7可知,該充電器工作在50kHz載波頻率下,充電器輸出充電電壓為DC100V,充電電流為25.2A,達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

4 結(jié)論

(1) 本文研究電力機(jī)車輔助供電系統(tǒng)充電器工作原理,分析了應(yīng)用需求。設(shè)計了電力機(jī)車輔助供電系統(tǒng)充電器總體控制方案,并完成了電力機(jī)車輔助供電系統(tǒng)充電器的軟硬件設(shè)計。

(2) 通過搭建基于DSP控制芯片的實物測試平臺進(jìn)行驗證,檢測分析了軟件算法各環(huán)節(jié)的實驗波形。實驗結(jié)果表明本充電器核心器件參數(shù)計算及選型正確,系統(tǒng)設(shè)計得當(dāng),控制算法合理,可滿足機(jī)車輔助供電系統(tǒng)快速充電儲能的需求。

(3) 該充電器利用第三代半導(dǎo)體SiC功率器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的IGBT功率器件,可有效降低開關(guān)損耗,提高電能的利用效率,同時體積小,滿足電力機(jī)車輔助供電系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境,具有推廣應(yīng)用價值。