關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 充電電源 數(shù)字化控制 軟開關(guān)

????????隨著電動(dòng)汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，適用于電動(dòng)汽車特殊要求的動(dòng)力電池也在不斷發(fā)展，因此 對(duì)電動(dòng)汽車專用充電電源提出了更高的要求。DSP技術(shù)的日臻完善，標(biāo)志著數(shù)字化技術(shù)的興起，使得控制領(lǐng)域又面臨著一次重大的技術(shù)變革。因此，對(duì)電動(dòng)汽車專 用充電電源的數(shù)字化控制技術(shù)進(jìn)行研究，開發(fā)出國產(chǎn)電動(dòng)汽車專用的數(shù)字化充電設(shè)備，對(duì)我國電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及，無疑將具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià) 值。

1 數(shù)字化充電電源的主電路構(gòu)成

????????充電機(jī)主回路是數(shù)字化充電電源的基礎(chǔ)，直接影響到充電電源的性能。逆變式電源體積 上、重量輕；而且由于其工作頻率高、具有很高的響應(yīng)速度、易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的輸出特性，因此可以滿足不同充電策略所要求的充電曲線。所以這里采用移相全橋逆變 加二次整流的方案作為充電電源的主電路。

????????主電路的原理圖如圖1所示。圖中，Vs是單相或三相交流輸入經(jīng)過整流濾波后得到的直接電壓，Q1～Q4是功率開關(guān)管IGBT，T1是功率變壓器，D1、D2是變壓器二次側(cè)數(shù)流二極管，Lf和Cf分別是輸出濾波電感和濾波電容。

????????圖2為驅(qū)動(dòng)脈沖的時(shí)序圖，它幾乎和傳統(tǒng)的移相控制的驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序圖相同，只是Q2和 Q4間的死區(qū)是隨占空比的變化而調(diào)整的（如陰影部分所示）。當(dāng)母線電壓較高或負(fù)載較輕時(shí)，Q2和Q4間將獲得更大的延時(shí)時(shí)間，在每半個(gè)周期中，Q1和Q4 將在同一時(shí)刻開能，但Q4將首先關(guān)斷，這樣，Q2和 Q4組成了超前橋臂，而Q1和Q3組成了滯后橋臂。

????????假定Q1和Q4初始時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，在某一時(shí)刻關(guān)斷Q4，則C2、C4作為緩沖電容 為Q4的關(guān)斷提供零電壓條件。拖尾電流依然存在于Q4 中，但零電壓關(guān)斷在很大程度上減少了它的判斷損耗。Llk(指高頻變壓器的漏感和線路等效電感)將使C4的電壓繼續(xù)增長，直至Q2的反壓超過30V而發(fā)生 反向雪崩，此時(shí)Q2的特性類似于一個(gè)齊納二極極管，雪崩過程持續(xù)到1/2Llkip2的能量全部在Q2上面使ip衰減到零為止。由于ip則減為零時(shí)，b點(diǎn) 電位仍高于母線電壓，其壓差等于IGBT的反向雪崩電壓值，因此一個(gè)較小的電流將通過Q1反向流回。這將有助于復(fù)合Q1中存儲(chǔ)的電荷，從而使得Q1拖尾電 流得以真正消除，使得Q1能夠在零電流條件下關(guān)斷。Q2由于加有反壓而在零電壓狀態(tài)下完成無損耗開通。最后，當(dāng)Q1完全關(guān)斷后，Q3開通，下半個(gè)工作周期 開始。

2 基于TMS320LF2407A的數(shù)字化控制電路硬件平臺(tái)

????????采用數(shù)字信號(hào)處理器作為開關(guān)電源的控制器不僅可以克服分立元件過多、電路可靠性差、電路復(fù)雜等缺點(diǎn)，還可以解決單片集成控制器不靈活的問題；而且DSP數(shù)字處理器具有工作頻率高、指令周期短等優(yōu)點(diǎn)，并具有改進(jìn)的總線結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的數(shù)字處理功能。

????????TMS320LF2407A芯片是TI公司24X DSP控制器系列的新成員，它在電機(jī)的數(shù)字化控制方面得到廣泛的應(yīng)用，通過編程和外部電路的配合，完全能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車用充電電源的數(shù)字化控制。圖3為控 制系統(tǒng)的功能框圖。控制系統(tǒng)以TMS320LF2407A為核心，通過外部附加電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需要的各項(xiàng)控制功能：

（1）通過濾波電路對(duì)傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行處理，然后由ADC采樣電路進(jìn)行數(shù)字采樣并送入中央處理器；

（2）通過偏磁檢測電路進(jìn)行檢測，如果發(fā)現(xiàn)功率變壓器有磁偏現(xiàn)象，將立刻被TMS320LF2407A捕捉到并進(jìn)行相應(yīng)的處理；

（3）由TMS320LF2407A直接生成有限雙極性PWM控制信號(hào)，經(jīng)過隔離驅(qū)動(dòng)放大后控制功率開關(guān)管IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷；

（4）利用處理器內(nèi)部的I/O口實(shí)現(xiàn)一些外圍的附加控制功能，比如：指示燈顯示、電路的緩吸、接觸器的控制、散熱風(fēng)扇的開關(guān)控制等；

（5）利用SCI串行通訊進(jìn)行相關(guān)的顯示和控制調(diào)節(jié)；

（6）通過CAN2.0控制器與外部設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊。

????????在電源運(yùn)行過程中，可能會(huì)發(fā)生一些異常狀態(tài)，例如由于器件不一致等原因，造成變壓器磁偏最終導(dǎo)致變壓器原邊飽和；全橋電路出現(xiàn)直通使得原邊母線短路；副邊負(fù)載過流；散熱器過熱等。對(duì)于以上異常狀態(tài)，從硬件電路上給予設(shè)計(jì)并采取相應(yīng)保護(hù)措施。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

????????控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)充電過程的控制和監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)充電過程的數(shù)字化控制。充電電源的控制軟件采用C語言和匯編語言混合編制，在完成其控制功能的同時(shí)，力求程序結(jié)構(gòu)合理簡單，以適應(yīng)大功率電源對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的要求。

3．1 軟件的整體結(jié)構(gòu)

????????控制軟件主要包括以下幾個(gè)部分：采用處理；由采樣值計(jì)算輸出脈寬，并根據(jù)此值調(diào)整輸出的PWM脈沖寬度；通過SCI通訊接收控制指令并發(fā)送輸出的電流、電壓值；CAN通訊程序；故障處理及保護(hù)功能程序?？刂葡到y(tǒng)軟件初始化程序和主程序流程圖如圖4所示。

????????為了提高軟件的運(yùn)行效率，把不需要及時(shí)處理的都分放在主程序里面，而把一些需要及時(shí) 處理的控制過程通過中斷的方式進(jìn)行處理。如顯示、控制等過程安排在主程序中；而PWM波形的調(diào)制等需要進(jìn)行周期處理的工作則通過中斷方式進(jìn)行處理。另 外，CAN通訊程序也采用中斷服務(wù)程序處理，根據(jù)接收到的信息決定具體的充電方式并對(duì)充電過程進(jìn)行調(diào)整。

3．2 數(shù)字PID控制器的簡要設(shè)計(jì)

????????PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，因而在連續(xù)的系統(tǒng)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。它是一種按照被控制量偏差的比例、積分和微分通過線性組合進(jìn)行控制的方法，其控制規(guī)律如下：

????????由于數(shù)字PID控制是一種采樣控制，它根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制器，在（1）式中的積分和微分項(xiàng)不能直接準(zhǔn)確計(jì)算，因此在本控制系統(tǒng)中采用了增量式PID算法，其控制規(guī)律的數(shù)值公式為：

????????充電電源采用高頻的逆變頻率，對(duì)控制器的響應(yīng)時(shí)間要求較高。Δui對(duì)應(yīng)第I時(shí)刻控制 量的增量即PWM脈沖寬度的變化值。由（2）式可以看出，增量式算法只需要保存前三個(gè)時(shí)刻的偏差值，占用空間小，計(jì)算誤差或精度不足時(shí)對(duì)系統(tǒng)影響小，累計(jì) 誤差同樣也比較??；而且在每次重新啟動(dòng)時(shí)，可以在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制，減少系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)也避免了因偶然因素造成的控制器輸出的大幅度劇烈變化， 使系統(tǒng)的可靠性大大提高。

????????對(duì)于本系統(tǒng)，PID控制器的參數(shù)主要通過試驗(yàn)確定并不斷進(jìn)行整定，最終達(dá)到滿意的結(jié) 果。系統(tǒng)的采樣周期就是電源主電路的開關(guān)周期，根據(jù)前一個(gè)周期的采樣值計(jì)算下一個(gè)周期的輸出脈寬，每一次采樣中斷必須進(jìn)行一次計(jì)算。PID的算法嵌套在 ADC的中斷處理程序之中。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及技術(shù)參數(shù)

????????整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由所研制的電動(dòng)汽車用充電電源、電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池（鎳氫）、純電阻負(fù)載、PC機(jī)以及數(shù)字示波器等測試設(shè)備組成。

????????軟開關(guān)電源變壓器原邊電壓（Up）、原邊電流（ip）波形的測試結(jié)果如圖5所示。從 波形圖中可以看出，變壓器原邊電壓（Up）和原邊電流（ip）的波形均較理想。因?yàn)橹鞴β书_關(guān)管工作于零流和零壓的狀態(tài)下，原邊電流和電壓沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)硬 開關(guān)變換器所具有電壓、電流尖峰。

????????系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線如圖6所示。從圖中可以看到，系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快、超調(diào)量小且穩(wěn)態(tài)控制精度較高，輸出電壓從200V升到500V只需要0.5秒的時(shí)間。

充電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下：

·輸入電壓：AC 380V三相交流電

·輸出電壓：DC 300V～720V可調(diào)

·輸出電流：0～30A可調(diào)

·充電效率：≥90%

·輸出紋波：≤1%

·工作溫度：-20℃～+60℃

????????所研制的電動(dòng)汽車用數(shù)字化充電電源采用軟開關(guān)功率變換技術(shù)，提高了充電機(jī)的充電效率 和可靠性；控制系統(tǒng)采用數(shù)字處理芯片和數(shù)字控制技術(shù)，具有很高的實(shí)時(shí)性和良好的控制功能，可以滿足不同動(dòng)力電池的復(fù)雜充電要求；整機(jī)采用模塊化方式，可以 和電動(dòng)汽車進(jìn)行可靠通訊，且人機(jī)交互性好。