电动汽车充电系统设计与实现

电动汽车车载光伏充电系统设计与实现1题 目：电动汽车车载光伏充电系统设计与实现 1. 摘要（中英文） 针对电动汽车动力电池组长期不能完全充满而影响其使用寿命，设计了一种光伏电池车载充电装置，能够对动力电池组长时间小电流涓流充电以改善其充电状态，同时部分补充电池组能量，延长电动汽车续航里程与使用寿命。采用 TMS320F2808 DSP 芯片作为控制核心、以 BOOST 升压变换器作为主电路的硬件设计方案，完成了主要元器件的选型和参数整定，对设计参数进行了仿真验证和优化，并研制了样机。制定了高性能算法与控制策略，既能完成光伏电池最大输出功率的跟踪，又能提高电池的充电效率，并基于MATLAB 平台完成了 DSP 嵌入式应用程序设计，生成代码。配备了车载监控系统，实现良好的人机交互功能。实验结果表明：该装置性能稳定，光伏电池最大输出功率跟踪速度快，稳态误差小，效率高，并具有防止电池组过充电保护，人性化的人机交互平台，有很强的实用性。ABSTRACT： Directing towards the phenomenon of the battery pack of electric vehicles can not be charged completely for long time, we designed a kind of on-board photovoltaic cell charging device, it can trickle charge to improve the state of charge of the battery pack, and at the same time part of the supplemental battery pack energy to extend the mileage of electric vehicle. This paper uses DSP TMS320F2808 chip as controller core and Boost converter as the hardware design scheme of the main circuit, also completes the main components of the selection and parameter tuning on the design parameters simulation and optimization, and the development of a prototype. Developing a high-performance algorithms and control strategies, it can not only realize the maximum output power point tracking of photovoltaic cells but also could improve battery charging efficiency. Test results indicate that the device performance was stable, and has good practicality. It can track the maximum output power of photovoltaic cell with error less than 2%, the transformation efficiency reached 85%, the fluctuation range of output voltage and current was less than 5%. The device can detect battery groups voltage and charge current to prevent battery overcharge and has over-current protection.2. 引言随着社会的飞速发展，汽车在整个社会进步和经济发展中扮演着非常重要的角色，而汽车尾气的排放却已成为大气主要污染源，同时也由于世界石油资源的日趋紧张，都迫使当今社会向无污染和节能的方向发展，在此背景下，环保节能的电动汽车正成为其重要的解决手段和研究课题。电动汽车具有无排放污染、噪声低、易于操纵、维修以及运行成本低等优点，并在环保和节能上具有不可比拟的优势，它是解决当今社会巨大能源消耗和环境压力的有效途径，因此，电动汽车是 21 世纪汽车的发展方向。电动汽车车载光伏充电系统设计与实现2目前制约电动汽车发展的一大瓶颈便是与电池相关的问题：快速充电很难将电池充满，一次性充电续驶里程短，受到循环寿命的限制等。采用光伏电池对电动汽车动力电池补给充电，可长时间对电动汽车动力电池小电流充电，延长一次性充电的续驶里程和维护动力电池，延长其使用寿命，可见光伏电池充电装置发挥着重要的作用。而且太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”既节能又环保的新能源，必将成为 21 世纪人类可持续发展的必然追求。为此，国家在“十一五”规划中提出了“节能、降耗、大力发展太阳能等清洁能源”的战略性目标。高效、低风险地进行产品设计及科学研究是每个科技工作者的愿望。近年来, DSP 的性能飞速提高,应用范围不断扩大。同时,激烈的市场竞争要求更低的产品开发成本;急剧变化的产品需求,多样、复杂的新产品结构及功能,使产品研发难度激增。相应地,硬件平台的更新换代较以往更快,产品的生命周期越来越短,对嵌入式 DSP 软件可移植性提出了更高的要求。总之,巨大的市场风险要求产品的方案设计、系统实现以及测试等工作并行运作,给传统的 DSP 系统设计方案带来严重挑战。在 MATLAB 软件平台上开发嵌入式 DSP 应用程序可以解决传统设计方案面临的困难。MathWorks 公司推出的 MATLAB 软件,主要包含MATLAB 和 Simulink 两大部分 ,其中有多个工具箱(Toolbox) 和模块集(Blocksets)广泛应用于技术计算、控制系统设计、信号处理和通信、图像处理、测试和测量等领域。从概念到实现,从理论科学研究到产品研发,MATLAB 的应用不仅极大地提高了工作效率,也给传统的工作方式带来了变革。结合 MATLAB 软件中的嵌入式 MATLAB ( Embedded MATLAB )、Simulink、RTW (RTW EmbeddedCoder)、Embedded IDE Link 和 TargetSupportPackage 以及开发 DSP 应用程序的集成开发环境( 如用于 TI 的 Code Composer Studio 集成开发环境) 构建的 DSP 软件系统综合开发平台 ,采用基于模型的嵌入式应用软件设计理念,包括算法设计及仿真、代码及项目生成、代码验证以及在线调试等在内的系统研发任务可以一气呵成,极其便于 DSP 嵌入式软件开发。3. 系统方案3.1 系统总体结构电动汽车光伏车载充电总成系统主要涉及以下几部分：动力电池组、光伏电池、光伏电池充电装置、车载仪表（车载操作系统） 、CAN 总线、USB-CAN 适配器、电池管理系统。系统框图如图 1 所示：电动汽车车载光伏充电系统设计与实现3图 1 电动汽车光伏车载充电总成系统动力电池组由 16 节磷酸铁锂电池串联而成，其标称电压为 3.2V，充电截止电压为3.65V，放电截止电压为 2.8V（电机控制器的欠压保护动作值） ，光伏电池充电装置的输出电压范围为 44.8V 到 58.4V 之间。单节电池分别配备了单节电池管理系统，能够监测电池的电压、温度、荷电状态并通过 CAN 总线实现数据共享。光伏电池模块：根据车顶尺寸选用 GSM75 规格的两块光伏电池，其在 1000W/m2 强度的太阳光照下：开路电压为 20.5V，短路电流为 5.0A，额定功率为 75W，额定工作电压为16.5V，额定工作电流为 4.5A。将两块光伏电池串联使用，用升压直流变换器将光伏电池输入的能量泵升到电池组电压。由于在光伏电池额定工作时所需的升压比为 1.8，在光照较弱时升压比也不会超过 3，故选择 BOOST 升压直流变换器作为主电路，其结构简单，转换效率高上网本，由于不支持 CAN 总线，所以使用了一个 USB-CAN 总线适配器。上位机软件：光伏充电监控系统。该系统是基于 LABVIEW 平台开发的。3.2 磷酸铁锂动力电池组充电控制策略探讨光伏系统中电池组的充电方法，根据电池容量的多少及电池端电压的大小，使充电过程按照最大功率充电、恒压充电和浮充电三个阶段进行。该充电控制策略综合了恒流充电快速、及时补偿磷酸铁锂动力电池电量、恒压充电能够控制过充电以及在浮充状态保持电池 100%电量的优点。当单体电池电压最高值小于 3.65 V 时（充电截止电压为 3.65V） ，采用最大功率跟踪算法对磷酸铁锂动力电池组充电。当检测到最高单节电池电压达到 3.65V 之后，采用非最大功率跟踪算法（PI 调节器）恒压充电。为避免系统在这两个模式下不断切换，导至系统震荡，截止电压设置了一个迟滞环节。充电控制策略流程图如图 2 所示。电动汽车车载光伏充电系统设计与实现4测蓄电池两端电压最高单节电池电压 = 3 . 6 5 V ？M P P T 算法P I 算法 ( 恒压 )YN返回入口图 2 充电控制策略流程图 C A N 收发器电 池 1C A N 收发器上 位 机串 口 通 信 1 2 0 1 2 0C A N HC A N LC A N 通信C A N 收发器电 池 1 6单 节 电 池管 理 系 统单 节 电 池管 理 系 统监 控 单 元主 控 制 板 光 伏 电 池充 电 装 置C A N 收发器图 3 CAN 通讯系统本流程中，对测量信号采样时，采用数字滤波，保证采样的准确性。把中值滤波和平均值滤波结合起来，构成防脉冲干扰的平均值滤波，对缓变过程的脉冲干扰有良好的复合滤波效果。将充电电流信号的连续 m(m3)采样值进行排序，取其中位 n 个值的平均值作为t=kT 时的滤波输出。单节电池电压通过 CAN 通迅网络获取，每节电池中装有一个电池信息检测系统，将检测到的电池电压等信息通过 CAN 总线发送到总控制器单元。光伏电池充电装置通过CAN 总线向总控制器发送单节电池电压数据请求，再通过 CAN 总线接收单节电池电压，CAN 通讯系统如图 3 所示。4. 系统硬件设计本系统设计并制作一个光伏电池充电装置，输出电压范围为 40V-60V；能够跟踪光伏电池最大输出功率，误差小于 5%；变换器效率达到 85%；能够输出稳定的电压和电流，波动幅度小于 5%；能够检测电池组的充电电压和电流，误差小于 5%；具有防止电池组过充电功能和过流保护。系统工作原理图如图 4 所示。电动汽车车载光伏充电系统设计与实现5图 4 电动汽车用光伏车载充电工作原理图硬件设计主要展开了以下研究：1) 变换器主电路参数的设计与器件选型。根据太阳能电池的输出电压范围、最大功率点电压和电池组充电电压的要求，选取合适的开关器件和驱动控制电路参数，减少开关器件的开关损耗并使其温升小于 50，从而提高变换器的运行效率。合理布局 PCB，减小信号受到的电磁干扰，保证开关器件准确的开断使其稳定运行而不被烧坏，延长使用寿命。2) 变换器输入、输出直流滤波。由于变换器的输入或输出电流是断续的脉冲电流，而光伏电池的输出电流为连续值，为了增加光伏电池的利用率，需设置输入滤波器；为了达到恒压充电的目标，在输出端也需设置滤波器。设计合适的滤波器使输入、输出电流波动幅度小于 5%，同时使滤波电容和电感的功耗也尽量小。3) 变换器输出电流、电压检测。变换器的输出电流、电压是判断电池组的剩余容量的标准。设计准确的检测电路，使检测值的误差小于 5%，并用高精度的电压、电流表校正。4.1 BOOST 电路的改进基本的 BOOST 变换器由开关器件 K1、储能电感 L1、二极管 D1、旁路电容 C1 及输出滤波电容 C2 组成，如图 5 所示。当开关器件导通，二极管反向截止，电源向储能电感 L1充电，+-EC1L1K1Ii n+C2D1-UoRLIo图 5 BOOST 变换器电路结构流过电感 L1 的电流增加，电容 C2 储存的能量向负载供电。当开关器件断开时，电感L1 中储存的能量经二极管向负载供电，并同时向电容 C2 充电，电感 L1 中能量减少，其电流也减小。稳态时，若储能电感 L1 足够大，则输入电流 Iin 变化很小，可视为恒定值；若输出滤波电容 C2 足够大，则输出电压 UO 和输出电流 IO 的变化也很小，也可视为恒定值。本设计中，负载为磷酸铁锂电池组，其内阻很小，只有几十毫欧。若直接将图 3 所示的 BOOST 变换器的负载电阻 RL 改为磷酸铁锂电池组，则输送到电池组中的电流，在Saber 仿真软件中的仿真结果为图 6 中的点画线所示，其脉动幅值很大，滤波电容 C2 没有起到滤波的作用。电动汽车车载光伏充电系统设计与实现6图 6 BOOST 电路改进前后输出电流的波形从图 6 可知，变换器最终输出的充电电流不仅有很大的尖峰电流，而且还有反向放电的时刻，这对于电池组的使用寿命和输出电流的检测都是不利的。本文对其进行了简单的改进，在电池滤波电容 C2 的后面再串联一个电感值较小的平波电感 L2，来滤除输出电流的尖峰。+-EC1L1Ii n+C2D1IoI R F 4 1 1 0L2RO电池组图 7 改进后的 BOOST 变换电路改进后的电路如图 7 所示，电阻 RO 为滤波电感 L2 和电池组的内阻之和，约为 0.1。经 Saber 软件仿真，改进后的充电电流如图 6 中的实线所示，其波动幅度较小，近似为直线。4.2 主电路开关器件的参数设计及选型为了提高主电路的开关频率，减小滤波电感的体积，提高整体的效率，本文选择功率MOSFET 作为主开关器件。变换器的最大输出功率 Pmax 为 150W，最大输入电压 Uinmax 为40V，最大输出电压 Uomax 为 60V，额定工作时输入电压 为 35V，留一定裕量取rUMOSFET 的额定电压为 100V，流过 MOSFET 的电流有效值为：(4.1)max150.672.83osfetrPIDA为了提高变换器的转换效率，降低 MOSFET 的功耗和利于其散热，使逆变器额定工作时 MOSFET 的功耗小于 1W。由于 MOSFET 开通和关断速度快，设开关损耗等于导通损耗，则其导通电阻：电动汽车车载光伏充电系统设计与实现74.3 MOSFET 驱动和缓冲电路设计MOSFET 栅极驱动采用 IR2102 芯片，其内部有自举电路，栅极驱动电压范围宽（1020V），施密特逻辑输入，低电平有效，可有效防止干扰，最高工作频率 40kHz。由于线路中漏感的存在，主开关管 Q 关断时，漏感和主开关管的结电容会在开关管上引起很高的电压尖峰，恶劣情况下会击穿开关管。为此，本文采用的 RCD 箝位式缓冲电路结构如图 9 主电路中 D2、 R1、C 3 所示。缓冲电路中箝位二极管选用 FR306，箝位电容C3 选用 100V/100nF 的无感电容，功率电阻 R1 用 10/2W。图 8 MOSFET 增加缓冲电路前后漏-源极电压图 8 为系统满载工作时 MOSFET 漏源极电压 Vds 波形，其中点画线为未加缓冲电路时的波形，其尖峰达到 100V，实线为加了缓冲电路后的波形，其尖峰明显减小。4.4 储能电感的参数设计由 BOOST 变换器的工作原理知，当储能电感电流连续时，其升压比为 1/(1-D)，若储能电感电流断续，BOOST 电路的升压比即失去控制，为了保证光伏电池的输出功率只有额定功率的 10%，且电池组接近充满的情况下，变换器能够正常工作，储能电感值需满足：(4.3)1max1maxmax()0%28SSCeLBCODTUPI L经计算，储能电感 L1 的值要求要大于 0.36mH，留一定裕量取 0.5mH。选用铁氧体磁芯绕制，其在 80100、25200kHz 下有最小损耗，相对磁导率高，它的有效磁导率可根据空气隙长度灵活改变，饱和磁通密度为 0.5T。查阅相关文献，选择了截面积为1.49cm2、磁路长度为 7.75cm 的 EI21 磁芯，绕线为 AWG18#，其截面积为 1.13mm2，空气隙长 1.6mm，绕制匝数为 53 匝，导线电阻 0.064，总损耗 1.3W，温升 18.7，磁通密度峰值 0.28T，小于饱和磁通密度 0.5T。4.5 主电路仿真验证为了使仿真结果更接近实验结果，本文采用国际半导体公司公布的基于 IRFB4110 型MOSFET 测试参数的 Saber 模型文件 irfb4110pbf.sin，根据其定义在 Saber Sketch 中为模型建立符号，并用前述各参数建立了如图 9 所示的 Saber 仿真系统。输出电流 io 的仿真结果如图 10 所示，其波动幅值小于 0.2A，满足设计要求。电动汽车车载光伏充电系统设计与实现8图 9 输出滤波器参数优化仿真模型io/At / s图 10 用最优参数滤波之后的输出电流4.6 电源设计控制电路的供电电源是保证光伏电池充电装置稳定、安全工作的前提。为此，设计了一个输入电压在+40V+60V 之间、输出电压为+15V 的单端反激变换器稳压源作为系统主电源。选取 ST 公司的 UC3842N 作为开关电源控制芯片，其启动电压为 16V，工作电压为10V30V 之间。为使额定工作时的占空比为 1/3，取原副边匝比为：N 1=N2=5/3。当电池组的电压随剩余容量而在 40V60V 之间变