系统设计组-磷酸铁锂动力电池组快速充电系统的研究.doc

系统设计组学校： 重庆大学 题 目： 磷酸铁锂动力电池组快速充电装置的研究核心处理器名称： TMS320F2808 指导教师： 刘和平参赛队成员名单（含个人教育简历，手机号码和电子邮件地址）：郭强，研究生，重庆大学，电气工程学院heaton_8720163.com曾启才，研究生，重庆大学，电气工程学院， 张煜欣 ,研究生，重庆大学，电气工程学院 磷酸铁锂动力电池组快速充电系统的研究摘要本文根据电动汽车充电要求，选用三相电流型PWM整流器拓扑作为主电路，并对三相电流型PWM整流器的SPWM间接电流控制算法进行理论推导。完成了三相充电装置主电路的硬件设计，搭建了实验平台，软件调试通过基于模型的嵌入式代码生成的设计实现；完成了开环和闭环实验，实现了功率因数校正；对磷酸铁锂电池组进行了不同电流充电实验，实验结果显示该方法可以输出任意给定的充电电流，实现了电动汽车电池组的快速充电。ABSTRACTAccording to the actual needs, choose 3-Phase PWM Current Source Rectifier (CSR) topology as mainly power circuit. Analyzed and compared several major control method of 3-Phase CSR，and mainly researched the SPWM ternary logic and control methods detailed.Completed a three-phase current source rectifier main circuit hardware design and built the experimental platform, the software debugging implemented based on the modular design. Completed the open and closed loop experiments, achieving power factor correction.A group of Lithium iron phosphate batteries has been charged by different current, experimental results showed that this method can achieve constant current , realize the electric car batteries rapid charging. 1 引言现在发展电动汽车是解决能源危机和环境污染的最佳方案之一。电动汽车的研究与开发已经成为当今世界的热点，美国日本等发达国家都在致力于电动汽车研究，我国科技部也制订了863电动汽车重大专项来加快电动汽车的发展。目前，电动汽车的发展存在电机及电池等许多需要解决和完善的问题。而作为电动汽车的核心能源，动力电池目前还存在比能量低下、电池充电速度较慢、续驶里程较短等问题。同时，电动汽车动力电池的充电方法和充电快速性问题，也一直影响和制约着电动车的普及与应用。电动汽车科技发展“十二五”专项规划草案已经拟定，插电式电动汽车将成为近期发展战略的主流，电动汽车充电站等配套基础设施也将投入建设，以满足电动汽车的产业化发展需求。最近国内一些厂家和国家电网等部门合作，开始在各个城市建立快速充电站，希望在1020分钟内将电池容量充到70-80%，但国内的充电技术大多停留在可控硅技术上，功率因数还比较低，而且大部分充电站针对的是300V以上的电池组。本文将重点研究数字化充电设备，利用IGBT等模块设计充电主电路提高充电速度和充电效率，并且主要针对的是48V的电池组快速充电，最终可以应用在电动车的快速充电站，因此将具有重要的研究意义和应用价值。2 系统指标目前电动车蓄电池电压等级仍无统一标准，从48V-300V不等，设计针对48V低压磷酸铁锂电池组的串联快速充电装置。在磷酸铁锂动力电池组的串联充电过程中一定要保证不能过充电，即电池组端电压不能超过电池组充电电压上限值。选取16节环宇电池股份有限公司生产的型号为HYP3.2V-200AH的磷酸铁锂动力电池组成串联电池组，电池额定容量为200AH，标称电压为3.2V。需要快速充电的电池组一般电池荷电状态已经比较低了，在快速充电的过程中电压不会出现明显的上升，为了方便对电池实现不同的充电实验，输出电流可调，并设定充电保护电压为58V，因此设计的指标如下：1）所设计的充电装置额定功率为50kW，输出电压范围50-400V；2）实现直流电流可调输出，电流0-200A连续可调，电流精度1A或5%（取两者较小），以便做电池不同电流的充电实验；3）具有电池电压检测保护功能，当检测电池组端电压大于限制值时，停止充电，避免电池因过充而损坏； 4）输入电流总谐波畸变率小于5%，功率因数达到98%；3 系统方案1）主电路拓扑的选取 图3-1 充电机系统拓扑结构 由于三相输入电压为380AC，而一般电动汽车用电池组端电压在400V以下，需要降压型拓扑完成充电，目前大多采用两级结构，而本设计装置选用电流型PWM整流器作为主电路的拓扑结构，单级结构，如图3-1所示。 电流型PWM整流器控制六只开关管的调制，同时实现网侧电流跟踪网侧电压相位以及实现输出跟定电流；输入侧LC滤波器的作用是滤除因PWM斩波产生的高频谐波，防止污染电网；输端电感的作用是平滑输出电流；而并联在输出端的二极管的作用是保证可靠的续流，避免出现断路情况，相比传统的四管续流方式，可以有效降低功率损耗。2）间接电流控制策略对于SPWM调制技术，交流输入电流的基波分量是电流调制信号的线性放大，因此可以通过对调制信号的控制，就可以实现对整流器输入电流相位和幅值的调节。为了稳定输出直流电流，间接电流控制需要引入电流闭环反馈。若要求三相PWM电流型整流器实现网侧单位功率因数正弦波整流控制，则对于交流侧单相电路，a相简化后的等效电路如下图所示：图3-2 交流侧a相等效电路 图3-3 交流侧a相矢量图设 （3-1）式中，、三相CSR电网a相电动势、电流瞬时值；、CSR电网a相电动势、电流峰值。为了实现网侧单位功率因数运行，与应该同相位，应该滞后角。若PWM开关频率足够高，则三相CSR a相交流侧电压基波稳态值为： （3-2）由图3-3及式3-2，可得 （3-3）其中定义为调制比。由上式，化简可以得到： （3-4）由式3-4可知，在单位功率因数运行时，滞后的角度与交流侧电容C，直流电流值和调制比有关，而与电感值大小无关。显然，当C参数一定时，可以计算出角。将角引入到控制中，可称为直接相角控制，利用角可实现功率因数校正。而由文献，可知 （3-5）令信号对电流型变流器进行PWM电流控制，则可实现电流型变流器的单位功率因数正弦波电流控制。基于交流侧电流的间接电流控制原理电路如图3-4所示。图3-4 间接电流控制原理图为了实现三相电流型整流器的网侧电流无静差控制，电流调节器采用比例积分PI调节器，调节器输出为三相电流型整流器交流侧峰值指令信号，然后通过控制运算，输出三相PWM正弦波调制信号，实现三相电流型整流器的间接电流控制。直接电流控制因为是双闭环系统，其抗扰动性能及电流跟随性较好，但是这样就需要增加三个交流侧的电流传感器，增加成本，而且双闭环的PI环节参数相互影响，在实际工程应用中并不好调试。在参数匹配不好时，其输出性能并不一定优于间接电流控制。当CSR的主电路参数一定时，间接电流控制也可以很好的实现网侧电流的控制，其控制方法简单、成本低，可以适用于充电主电路的控制。4 系统硬件设计1）主电路参数选取根据主电路的选取原则和仿真结果，选择主电路参数如下：交流侧三相线电压为38V，交流侧电感选用0.11mH，滤波电容选用11F的无感电容，直流侧电感选用4mH，开关频率12.2kHz。开关功率模块采用三菱PM400HSA120的智能功率模块（Intelligent Power Module-IPM）6个，电流为400A，耐压值。每个IPM模块两端并联一个2F的电容，为模块提供缓冲保护。每一路串联的二极管和直流侧并联的二极管选用的是三菱RM300HA-24F，可持续通过的电流为300A，耐压值1200V。直流负载采用的是200AH的磷酸铁锂电池组。2）控制单元设计控制单元采用德州仪器DSP TMS320LF2808为控制芯片，模拟信号经过采样调理后进入DSP运算处理，调制波经PWM模块生成二值逻辑的PWM信号。因IPM的脉冲输入端为低有效，所以二值PWM信号经六路与非门变换后得到六路PWM驱动信号。图4-1 硬件控制框图3）模拟信号采样调理电路 交流相电压信号采集采用LEM公司的LV 28-P型电压传感器，它是应用霍尔原理的闭环(补偿)电流传感器。原边与副边之间是绝缘的，主要用于测量直流、交流和脉冲电压。对于电压测量，原边电流与被测电压的比一定要通过一个由用户选择的外部电阻R1 确定，并串联在传感器原边回路上。转换比例。图4-2 LV28-P的接线图由于DSP TMS320F2808的AD转换输入信号要求为0-3V，而由霍尔传感器检测到的相电压信号转换后得到的是电为正负电压信号，因此需要将0电平抬升到1.65V，再经滤波放大，保证电压信号在0-3V之间，才能输入到DSP的AD通道。图4-3给出了滤波放大及电平抬升电路。图中使用的MCP6044为轨到轨（Rail-to-Rail）运放，能够保证其输出电压不会超过运放的供电电压值，从而确保输入到DSP的电压信号不会过高而烧毁DSP引脚。图4-3 相电压调理电路图4-4中的，通过选取合适的电阻R1，使输出的电压幅值为1。 直流电流采集直流电流的检测采用电流传感器 LT508-S6，它用于测量直流、交流和脉冲电流。转换比例，在电流较小时，为了提高检测精度就需要使通过的电线多绕几匝。图4-4 LT508-S6 外部接线图图4-5 直流电流调理电路该电路包含了一个二阶Butterworth有源低通滤波器，截止频率为500Hz。其作用是滤除由开关信号耦合进母线的高频干扰，防止高频信号混叠到基波信号中，影响信号检测精度。运放输出端的电压。因采样的是直流电压，因此电位不需要抬升，只需要输出的电压在0-3V即可，并尽量使输出最大值时达到满量程，以提高采样精度。5 系统软件设计本论文的软件实现采用的是基于模型的嵌入式代码生成设计，利用Matlab内的Target Support Package，通过搭建仿真模型，直接生成需要的软件代码。Target Support PackageTM支持用户配置由Math Works产品生成且能在嵌入式微处理器、微控制器和DSP上实时运行的代码。使用Target Support Package，用户可以集成外部设备、实时操作系统和算法，算法可由Simulink模型、Stateflow图表或Embedded MATLAB语言子集生成，而不必手写底层驱动和运行代码。由此生成可执行的程序能被部署到嵌入式硬件平台上，实现目标机上的快速原型，实时性能分析，生成原始产品。用户可以用Simulink模块和附加模块库构建系统模型和实时算法，该模型可以用定点数或浮点数开发，在Target Support Package的支持下，用户可以插入经过优化的功能模块和基于用户的嵌入式硬件平台的外围接口模块，然后再结合Real-Time Workshop、Embedded IDE Link和第三方的开发工具自动生成算法代码并编译、链接，下载到用户的硬件板卡上运行。本文中，利用其内部支持的TI F2808芯片，配置相应的I/O端口和PWM模块，利用一些TI提供的算法模块，即可生成相应的程序。生成的程序通过CCS3.3既可在线调试，也可通过烧写Flash下载到硬件电路上。通过输出的波形验证模块搭建的正确性。本设计搭建了SVPWM控制方式的代码生成模型。图5-1 基本的SVPWM模块实现方式根据仿真得到的参数，搭建模块，根据不同的芯片，选择相应的模块，设置各端口参数。这样在更改芯片时，可以方便的移植程序，大大缩短了开发周期，简化了软件调试过程。6系统关键设计与创新1）本设计所采用的拓扑为电流型PWM整流器，电流型PWM整流器与电压型不同，输出的的控制信号为三值逻辑，需要进行二值逻辑到三值逻辑的变换，其中三值逻辑开关切换中出现零状态，也就是某一路会产生直通，为了减少开关的动作需要判断零状态区间。当在直流侧两端并联一个续流二极管时，直通的时候电流通过二极管流通。这样就不要判断零状态区间，可以减少开关的动作次数，并且大大简化了控制电路。直流侧并联二极管后，整个电路控制更为简单，可以减少大量的逻辑运算器件，而且增加了二极管后，可防止直流侧开路，提高了电路的可靠性。2）软件调试采用基于模型的嵌入式代码生成设计，该方法可以很容易的实现程序移植，大大缩短了软件开发周期，提高了工作效率。7 评测与结论实验电路的参数为：三相电压源线电压380V，频率50Hz；三角波幅值为1V，载波频率为12.2kHz。1）调制信号波形： (a)a，b相的二值逻辑输出 (b)a，b，c三相上桥臂的三值逻辑输出(c)a相上