智能型電動汽車充電系統及其控制器的硬件設計

摘要：針對當前我國電動汽車充電系統研究還比較欠缺的問題，結合當前以及未來電動汽車快速發展對電動汽車充電站的應用需求，本文對電動汽車充電系統的硬件設計進行深入的研究，開發出數字化、智能化、大功率的電動汽車充電系統的硬件設備，以推進對我國的電動汽車的發展和普及。

關鍵詞：電動汽車 充電系統 硬件設計

1.充電系統控制器回路的硬件設計

1.1充電系統控制器回路的整體構成設計

本課題充電系統的控制單元選用TI公司的數字信號處理器TMS320F2812為核心，通過對編程和外部電路的配合，實現電動汽車用蓄電池的充電控制。具體而言，系統控制器單元包括如下部分：

1.1.1控制器回路的PWM調制部分：在該部分中， TMS320F2812根據設定的基準電流、電壓值采樣所得的實際電流、電壓值，對實測值與基準值之間的誤差信號進行P（比例）、I（積分）運算，得到電壓反饋值，由SPI－DA輸出引腳的輸出，該輸出電壓作為調制波與PWM專用模塊SG3525的載波進行比較輸出PWM信號IGBT，以實現對充電端電壓和電流的控制。

1.1.2控制器回路的數據采樣部分：通過霍爾電壓、電流傳感器以及濾波電路對充電側的電流、電壓信號加以處理，由A/D采樣電路進行數字采樣。

1.1.3控制器回路的現場通訊部分：該模塊通過RS－485總線完成控制器與控制面板的通信。控制面板主要包括輸入（鍵盤）和輸出（LCD顯示器）兩部分。控制機鍵盤采用4x4陣循環掃描鍵陣，用于輸入基準電壓、電流等參數；控制器LCD顯示器選用VK65，可以為控制現場操作人員獲得各種系統充電參數提供了良好的界面。

1.1.4控制器回路的遠程通訊部分：通過CAN2.0控制器與上位機BMS進行通信，以獲取系統開機命令、系統緊急停機指令、系統電池組狀態信息；系統充電過程中的基準電壓、電流值實時回傳到智CAN總線上并交由上位機BMS顯示。

1.2 智能型電動汽車充電系統控制器回路的硬件設計模塊

控制器回路的硬件設計內容包括SPI-DA電壓輸出電路的設計、PWM產生電路的設計、IGBT的驅動電路設計等具體硬件設計模塊。

1.2.1 SPI-DA電壓輸出電路設計。

對SPI-DA電壓輸出電路的設計，TMS320F2812根據設定的基準電流、電壓值以及采樣所得的實際電流和控制器回路的電壓值，對實測值與基準值之間的誤差信號通過PI（比例、積分）運算，得到反饋值，該反饋值由TMS320F2812SPX模塊配合TLV5626芯片通過電壓信號模擬輸出，并作為PWM專用模塊的調制波比較產生控制器回路的PWM信號。TMS320F2812在控制器回路的引腳SPISIMO上將數據輸出，與之相對應的是TLC5620I的DIN數據接收引腳； TLC5626的CLK引腳與DSP的SPICLK引腳相對應，二者共用串行時鐘。

1.2.2 PWM產生電路的設計。

考慮到DSP的開銷比較大，PWM信號沒有通過DSP的EV模塊實現，而是采用性能優異的專用模塊SG3525A。因此，課題對PWM產生電路采用了DSP+SG3525A的方案設計，以優化智系統的性能。SG3525A是電壓型PWM集成控制器，外接元器件少，性能好。PWM產生電路的SG3525A有兩路驅動輸出，OUT-A與OUT-B反向輸出，可設置死區時間。其主要特性包括：回路的外同步、制器回路的軟啟動功能；死區調節、控制器回路的欠壓鎖定功能；誤差放大以及關閉輸出驅動信號等功能。路輸出級采用推挽式電路結構，關斷速度快，輸出電流為[±]400mA； PWM產生電路可提供精密度為5V[±]1%的基準電壓； PWM產生電路開關頻率范圍100Hz-400KHz。PWM產生電路內部結構主要包括PWM產生電路基準電壓源、PWM產生電路欠壓鎖定電路、PWM產生電路鋸齒波振蕩器、PWM產生電路誤差放大器等。

1.2.3 IGBT的驅動電路設計。

在IGBT的驅動電路設計中，功率IGBT是控制器回路的電壓驅動元件，具有一個3-6V的閉值電壓，有一個較大的容性輸入阻抗，對柵極電荷非常敏感，故驅動電路必須很可靠， IGBT開關特性和安全工作區隨著柵極驅動電路性能的變化而變化，驅動電路性能直接決定IGBT能否正常工作。IGBT常采用柵極驅動，與其他自關斷器件一樣， IGBT對控制器回路的驅動電路也有一些特殊要求。本課題對IGBT的驅動電路的設計要求其滿足如下兩個功能：一是實現控制電路與被驅動IGBT柵極的電隔離；二是為系統提供合適的柵極驅動脈沖。IGBT的驅動電路很多，主要為分控制器回路的立元件搭成的驅動電路，這種電路簡單、廉價。而專用集成驅動電路保護功能完善、性能穩定，但專用集成驅動電路價格稍貴些。本課題對控制器回路的IGBT的驅動電路的設計，選用EXB841。EXB841是日本富士公司生產的混合集成電路，能驅動高達400A的600V IGBT和高達300A的1200V IGBT，模塊功能較完善，具有單電源、正負偏壓、過流檢測、保護、軟關斷等主要特性，是一種比較典型的驅動電路。

2.充電系統控制面板的硬件設計

2.1充電系統控制器面板電路的總體設計

充電系統控制面板是集鍵盤控制、LCD顯示、RS-485通信為一體。在一些智能化儀表中，人機接口通常是LED顯示器和小型鍵盤。控制器面板系統常見的工作方式有兩種：一是直接CPU對顯示器進行動態掃描和鍵盤檢測，為保證系統顯示的穩定和鍵盤的及時響應，CPU需要頻繁地執行動態掃描程序，顯然在系統CPU工作比較繁忙的情況下不太適用；二是專用的系統顯示、鍵盤芯片如8279， SAA1064等，這些芯片由于種種原因在實際應用中總有不便之處，如可顯示的位數均較少，價格較高等。

2.2汽車充電系統控制器面板的鍵盤電路設計

汽車充電系統控制器面板的鍵盤電路設計中，本課題選擇用4行4列矩陣式鍵盤。4行4列矩陣式鍵盤能夠用于實現控制面板系統中的數據和控制命令的輸入，控制面板鍵盤輸入也是單片機應用系統中使用最廣泛的一種輸入方式。控制面板鍵盤輸入的主要對象是各種按鍵或開關。這些控制面板的按鍵或者控制面板的開關可以獨立使用，也可以組合成鍵陣使用。

2.3汽車充電系統控制器面板的液晶電路設計

在控制器面板的液晶電路設計方面，本課題選用了一款最新式的工業級控制器面板的LCD液晶電路一一VK65智能型液晶，作為控制器面板的人機交互界面。控制器面板的人機交互界面具有顯示穩定可靠，抗強電磁干擾的特點。控制器面板的人機交互界面帶有國家二級漢字庫，避免了煩瑣的點陣操作，只需使用簡單的命令就可顯示出漢字、字符和一些規則圖形。控制器面板的人機交互界面顯示器可顯示8種顏色，分別為：黑、藍、綠、青、紅、粉、黃、白，只需用軟件命令即可以選用不同的顏色作為字體顏色或背景顏色。

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