基于DSP的電動汽車直流充電樁的設計與研究

田成元，王志新

（甘肅交通職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730070）

基于DSP的電動汽車直流充電樁的設計與研究

田成元，王志新

（甘肅交通職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730070）

文章來源于實際科研課題，通過基于DSP的電動汽車直流充電樁方案的設計，對充電樁的整體主電路 、逆變電路、控制系統(tǒng)驅動電路進行了詳細的設計，同時給出了軟件實現流程圖。該研究結果符合電動汽車直流充電樁符合目前相關標準，通過測試，可以實現對電動汽車的充電控制任務。

電動汽車；充電樁；DSP；通信

引言

隨著國務院《關于印發(fā)節(jié)能與新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012―2020年）的通知》（國發(fā)〔2012〕22號）的印發(fā)，以及全國各地由于傳統(tǒng)汽車造成的空氣污染愈發(fā)嚴重的大背景下，新能源汽車尤其是電動汽車產業(yè)會更加快速發(fā)展，而電動汽車充電設施是電動汽車產業(yè)推廣的前提和基石，完善、高效的能源供給網絡是電動汽車普及的關鍵因素。

電動汽車充電樁的研究將有助于縮短充電時間和降低電動汽車成本，推廣使用電動汽車；電動汽車充電系統(tǒng)為電動汽車運行提供能量補給，是電動汽車商業(yè)化、產業(yè)化的必要條件之一。通過在各個場所安裝大量的充電樁，就可以更安全和方便地為電動汽車充電。為了使直流充電樁的應用及管理智能化，本文設計了一種實用的電動汽車直流充電樁的設計方案，詳細闡述了充電樁主電路設計、控制系統(tǒng)硬件電路設計、以及控制系統(tǒng)軟件設計。

1 充電樁充電策略分析

設計充電樁時應保證充電與顧客之間可靠、方便地進行交互，電動汽車直流充電樁應實現如下功能：操作靈活、運行可靠、數據安全、人機界面有過流、具有漏電、短路、過壓、欠壓、過流等自動保護裝置。為了使充電樁能為不同電壓等級的電動汽車電池充電，充電樁的容量按照目前最大要求來配置，因此本文所設計的充電樁的主要參數如下：輸入電壓三相三線制，電壓為 380V±10%，頻率 50Hz；輸出：直流12～750V，直流5～60A。

充電機理：為了充電過程安全、縮短充電時間,保護電池,提高電池的使用效率，同事兼顧根電池的化學特性，大幅度提高電池的電量[1], 本文設計的充電樁采用和兩階段充電法組合的形式，即開始充電時采用脈沖充電法，然后采用兩階段充電法完成電動汽車動力電池的充電。

2 充電樁電源主電路的設計

2.1 充電樁電源主電路的原理

本文設計的充電樁輸入電壓為電網三相 380V±10%，輸出：DC12～750V，DC5～60A ，功率為 40Kw。三相交流電源經過不可控橋式整流濾波變成直流，輸入IGBT 橋。DSP控制板通過驅動電路使功率開關 IGBT工作把直流輸入電壓轉換成脈寬調制的交流電壓，然后由高頻變壓器變壓隔離，最后通過整流濾波輸出得到直流，進而對鉛酸蓄電池充電。同時通過可控的電流電壓反饋回路改變充電電流和充電電壓[2]，通過檢測電池的端電壓，充電電流以提供單片機進行決策。放電電路在充電電壓較高時工作，以提高電池的接受能力。輔助電路提供器件工作電源，而保護電路（過流，過壓、過溫）可以保證系統(tǒng)安全、可靠工作。同時通過DSP控制來顯示電量、時間等數據。直流充電樁的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 直流充電樁的系統(tǒng)框圖

充電主電路原理圖如圖2所示，主電路主要有市電三相輸入端、三相橋式不可控整流濾波電路、DC/DC移相控制零電壓零電流軟開關（ZVZCS）PWM全橋變換器拓撲構成[3-7]。其中開關管Q1、Q3構成超前橋臂，開關管Q2、Q4構成滯后橋臂，Lr為變壓器漏感。

圖2 充電樁電源主電路原理圖

2.2 充電樁電源主電路主要參數設計

1）三相不控整流橋的選擇

充電電源輸入三相交流電的線電壓有效值為：

三相不控整流橋輸出的直流電壓Ud為：

將（1）式帶入（2）得：

充電電源輸入最大功率為：

三相不控整流橋輸出電流Id的平均值為：

將（3）和Ud(min)=461.7V帶入（4）式中得

三相不控整流橋為六脈波整流電路，所以每個整流二極管流過電流的有效值為：

將Id(max)≈97.5A帶入（5）后得Ieff(max)≈56A

由此可求出整流二極管的額定電流為：

因此，保留富裕量選用180A/1600V三相不可控整流橋。

2）開關管的選擇

本充電電源的開關管主要依據其工作時的額定電壓和額定電流的來選擇，其選型。根據 IGBT 工作波形和變壓器原邊工作波形得知，經過 IGBT 的平均電流是直流母線平均電流的一半，因此 IGBT 的工作平均電流為：

IGBT 承受的最大反向電壓為：

由于原邊電流存在一個諧振尖峰，峰值最高可達 240A以上，考慮安全裕量和散熱，最終選擇IGBT耐壓1200V，額定電流300A的半橋模塊，每一個半橋模塊封裝有兩個IGBT。充電電源全橋變換器的由兩個半橋模塊構成。

3 充電樁控制系統(tǒng)主要硬件電路的設計

充電電源控制系統(tǒng)采用控制板產生移相PWM波來控制開關管,對輸出電壓和電流進行采樣和分析,并采用相應的控制算法,如果發(fā)生異常情況,如過壓、過流等情況還能快速啟動保護電路。其控制系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 充電電源控制系統(tǒng)框圖

圖4 IGBT驅動電路原理圖

驅動電路的驅動能力以及驅動電路與 IGBT的接口電路的設計直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。在本文的充電樁電源中采用富士公司開發(fā)的 EXB841厚膜芯片為核心組成驅動電路，其內部已經加入了隔離電路，能驅動高達400A的600V IGBT 和高達 300A 的 1200V IGBT。其驅動信號延遲小于 1微秒，最高工作頻率可達 40kHz，內部采用高隔離電壓光耦作為信號隔離。驅動IGBT時，要滿足以下兩個條件：Vcc=20V，Iin=10mA。電壓過高會造成IGBT管的損壞，過低會增大開關管的ON電壓；驅動電流較大會對驅動電路信號造成延時，而太小又會降低電路穩(wěn)定性[6]。

根據移相角的大小輸出移相控制用的4 路PWM信號，然后經IGBT驅動電路隔離放大為具有驅動IGBT 能力的脈沖信號，以達到控制主功率電路輸出的目的。其內部過流保護和過電壓檢測輸出電路，以防止IGBT以正常驅動速度切斷過流時，產生過高的集電極電壓尖脈沖損壞IGBT。IGBT驅動電路原理圖如圖4所示。

4 充電樁控制系統(tǒng)的軟件設計

圖5 主程序流程圖

圖6 中斷服務程序的流程圖分別

DSP程序主要包括輸出電壓、電流采樣程序，PWM信號產生程序、PI控制算法程序、外中斷保護程序，通信顯示程序等 。DSP的主程序和中斷服務程序的流程圖分別如圖5、圖6所示。

在中斷程序里主要完成對輸出信號的讀取和保存采樣結果,并調用控制算法計算出控制量，完成對移相角的更新。DSP的主程序和中斷服務程序的流程圖分別如圖5所示和圖6所示。

5 性能分析

眾所周知，在全橋電路中，只有正確的驅動脈沖波形才能保證可靠搞笑的輸出功率，根據前面的分析、設計，計算，實驗得到兩對對角開關管之間的移相脈沖波形如圖7、圖8，從圖中可以看出Q1比Q4先開通，Q3比Q2先開通。

圖7 開關管Q1和Q4的移相波形

圖8 開關管Q2和Q3的移相波形

主電路的主要工作波形如下：通道1為變壓器原邊電流波形，通道2為變壓器原邊電壓波形，通道3在圖中為變壓器副邊整流后的電壓波形，具體如圖9所示。

圖9 主電路的主要工作波形

6 結束語

根據項目需求分析，本文設計的一種基于DSP的電動汽車直流充電樁電源，給出了主電路、控制電路，此電源系統(tǒng)結構簡單，功能齊全；DSP具有良好的抗干擾能力和強大的通訊能力及可擴展性，便于充電樁的優(yōu)化和升級。本文所設計的系統(tǒng)為后續(xù)電動汽車直流充電樁的設計與研制奠定了理論基礎，將在直流充電場合具有很好的應用前景。

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Design and Research of electric vehicle DC charging pile based on DSP

Tian Chengyuan, Wang Zhixin
( Gansu Vocational And Technical College Of Communications, Gansu Lanzhou 730070 )

This article from the actual research project, through the electric car dc charging pile scheme based on DSP design, the main circuit of charging pile, inverter circuit, drive circuit, control system for the detailed design, and software flow chart are given. The results conform to the electric car dc charging pile up to the present standards, through the test,can realize to the electric vehicle charging control tasks.

electric vehicle; charging pile; DSP; communication

CLC NO.: U469.72 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-56-04

U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-56-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.019

田成元（1981-），碩士，講師，工程師，就職于甘肅交通職業(yè)技術學院，研究方向：汽車工程機械機電監(jiān)測與控制。

項目來源：中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助（310822161115）；甘肅省科技計劃資助項目（1504FKCA001）；甘肅省高等學校科研項目（2016A-130）。