智能型电动汽车充电系统及其控制器的硬件设计.docx

智能型电动汽车充电系统及其控制器的硬件设计 摘要：针对当前我国电动汽车充电系统研究还比较欠缺的问题，结合当前以及未来电动汽车快速发展对电动汽车充电站的应用需求，本文对电动汽车充电系统的硬件设计进行深入的研究，开发出数字化、智能化、大功率的电动汽车充电系统的硬件设备，以推进对我国的电动汽车的发展和普及。 下载 关键词：电动汽车 充电系统 硬件设计 1.充电系统控制器回路的硬件设计 1.1充电系统控制器回路的整体构成设计 本课题充电系统的控制单元选用TI公司的数字信号处理器TMS320F2812为核心，通过对编程和外部电路的配合，实现电动汽车用蓄电池的充电控制。具体而言，系统控制器单元包括如下部分： 1.1.1控制器回路的PWM调制部分：在该部分中， TMS320F2812根据设定的基准电流、电压值采样所得的实际电流、电压值，对实测值与基准值之间的误差信号进行P（比例）、I（积分）运算，得到电压反馈值，由SPIDA输出引脚的输出，该输出电压作为调制波与PWM专用模块SG3525的载波进行比较输出PWM信号IGBT，以实现对充电端电压和电流的控制。 1.1.2控制器回路的数据采样部分：通过霍尔电压、电流传感器以及滤波电路对充电侧的电流、电压信号加以处理，由A/D采样电路进行数字采样。 1.1.3控制器回路的现场通讯部分：该模块通过RS485总线完成控制器与控制面板的通信。控制面板主要包括输入（键盘）和输出（LCD显示器）两部分。控制机键盘采用4x4阵循环扫描键阵，用于输入基准电压、电流等参数；控制器LCD显示器选用VK65，可以为控制现场操作人员获得各种系统充电参数提供了良好的界面。 1.1.4控制器回路的远程通讯部分：通过CAN2.0控制器与上位机BMS进行通信，以获取系统开机命令、系统紧急停机指令、系统电池组状态信息；系统充电过程中的基准电压、电流值实时回传到智CAN总线上并交由上位机BMS显示。 1.2 智能型电动汽车充电系统控制器回路的硬件设计模块 控制器回路的硬件设计内容包括SPI-DA电压输出电路的设计、PWM产生电路的设计、IGBT的驱动电路设计等具体硬件设计模块。 1.2.1 SPI-DA电压输出电路设计。 对SPI-DA电压输出电路的设计，TMS320F2812根据设定的基准电流、电压值以及采样所得的实际电流和控制器回路的电压值，对实测值与基准值之间的误差信号通过PI（比例、积分）运算，得到反馈值，该反馈值由TMS320F2812SPX模块配合TLV5626芯片通过电压信号模拟输出，并作为PWM专用模块的调制波比较产生控制器回路的PWM信号。TMS320F2812在控制器回路的引脚SPISIMO上将数据输出，与之相对应的是TLC5620I的DIN数据接收引脚； TLC5626的CLK引脚与DSP的SPICLK引脚相对应，二者共用串行时钟。 1.2.2 PWM产生电路的设计。 考虑到DSP的开销比较大，PWM信号没有通过DSP的EV模块实现，而是采用性能优异的专用模块SG3525A。因此，课题对PWM产生电路采用了DSP+SG3525A的方案设计，以优化智系统的性能。SG3525A是电压型PWM集成控制器，外接元器件少，性能好。PWM产生电路的SG3525A有两路驱动输出，OUT-A与OUT-B反向输出，可设置死区时间。其主要特性包括：回路的外同步、制器回路的软启动功能；死区调节、控制器回路的欠压锁定功能；误差放大以及关闭输出驱动信号等功能。路输出级采用推挽式电路结构，关断速度快，输出电流为400mA； PWM产生电路可提供精密度为5V1%的基准电压； PWM产生电路开关频率范围100Hz-400KHz。PWM产生电路内部结构主要包括PWM产生电路基准电压源、PWM产生电路欠压锁定电路、PWM产生电路锯齿波振荡器、PWM产生电路误差放大器等。 1.2.3 IGBT的驱动电路设计。 在IGBT的驱动电路设计中，功率IGBT是控制器回路的电压驱动元件，具有一个3-6V的闭值电压，有一个较大的容性输入阻抗，对栅极电荷非常敏感，故驱动电路必须很可靠， IGBT开关特性和安全工作区随着栅极驱动电路性能的变化而变化，驱动电路性能直接决定IGBT能否正常工作。IGBT常采用栅极驱动，与其他自关断器件一样， IGBT对控制器回路的驱动电路也有一些特殊要求。本课题对IGBT的驱动电路的设计要求其满足如下两个功能：一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离；二是为系统提供合适的栅极驱动脉冲。IGBT的驱动电路很多，主要为分控制器回路的立元件搭成的驱动电路，这种电路简单、廉价。而专用集成驱动电路保护功能完善、性能稳定，但专用集成驱动电路价格稍贵些。本课题对控制器回路的IGBT的驱动电路的设计，选用EXB841。EXB841是日本富士公司生产的混合集成电路，能驱动高达400A的600V IGBT和高达300A的1200V IGBT，模块功能较完善，具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，是一种比较典型的驱动电路。 2.充电系统控制面板的硬件设计 2.1充电系统控制器面板电路的总体设计 充电系统控制面板是集键盘控制、LCD显示、RS-485通信为一体。在一些智能化仪表中，人机接口通常是LED显示器和小型键盘。控制器面板系统常见的工作方式有两种：一是直接CPU对显示器进行动态扫描和键盘检测，为保证系统显示的稳定和键盘的及时响应，CPU需要频繁地执行动态扫描程序，显然在系统CPU工作比较繁忙的情况下不太适用；二是专用的系统显示、键盘芯片如8279， SAA1064等，这些芯片由于种种原因在实际应用中总有不便之处，如可显示的位数均较少，价格较高等。 2.2汽车充电系统控制器面板的键盘电路设计 汽车充电系统控制器面板的键盘电路设计中，本课题选择用4行4列矩阵式键盘。4行4列矩阵式键盘能够用于实现控制面板系统中的数据和控制命令的输入，控制面板键盘输入也是单片机应用系统中使用最广泛的一种输入方式。控制面板键盘输入的主要对象是各种按键或开关。这些控制面板的按键或者控制面板的开关可以独立使用，也可以组合成键阵使用。 2.3汽车充电系统控制器面板的液晶电路设计 在控制器面板的液晶电路设计方面，本课题选用了一款最新式的工业级控制器面板的LCD液晶电路一一VK65智能型液晶，作为控制器面板的人机交互界面。控制器面板的人机交互界面具有显示稳定可靠，抗强电磁干扰的特点。控制器面板的人机交互界面带有国家二级汉字库，避免了烦琐的点阵操作，只需使用简单的命令就可显示出汉字、字符和一些规则图形。控制器面板的人机交互界面显示器可显示8种颜色，分别为：黑、蓝、绿、青、红、粉、黄、白，只需用软件命令即可以选用不同的颜色作为字体颜色或背景颜色。 参考文献 张文亮，武斌，李武峰，等.我国纯电动汽车的发展方向及能源供给模式的探讨.电网技术，2009，33（4）： 1-5 欧阳明高.我国节能与新能源汽车发展战略与对策.汽车工程，2006， 28 （4）：317-321 李竟成.电动汽车智能充电站研究与开发D.杭州：浙江大学，2006 4 章异辉.基于现有监控系统的蓄电池精确监控与故障预测方法J.通信电源技术， 2008，25（