电动汽车车载智能快速充电器设计方案

电动汽车车载智能快速充电器设计方案 电动汽车车载智能快速充电器设计方案 摘要：为满足电动汽车蓄电池无损伤快速充电的需求，将大功率开关电源变换技术应用于智能充电器。结合实际充电 要求，本文提出了电动汽车车载充电系统的总体方案，并就方案中涉及到的大功率充电电源拓扑结构的选择，控制电路设 计及保护电路设计做了具体介绍。实验结果表明，该充电电源可以在短时间内实现对动力蓄电池的无损伤充电，满足快速充 电的要求。该车载智能充电器的研发成功，将为新型电动汽车提供一种可靠高效的充电设备，具有较高的应用价值。 关键词：电动汽车；充电器；单片机；DC电源 中图分类号：rrP27 文献标识码：B 文章编号：1817—0633(2012)一06—0037—03 Design Scheme of the Vehicle-mounted Intelligent Quick Charger for Electric Vehicle Abstract：In order to satisfy the demands of scatheless quick charging for storage battery of electric vehicle，the conversion technique with high-power switching power supply is applied to intelligent charger．Combining with the practical requirement for bat— tery charging，the overall scheme of vehicle-mounted charging system for electric vehicle is proposed in this paper with the specific introductions of the topological structure choosing of high—power charging source，the control circuit design and protective circuit de- sign，which ale involved in this scheme．The experimental result indicates that the charging source can achieve the no damage charg- ing for power battery in a short time to meet the requirement for quick charging．The SUCCESS of research and development for this vehicle-mounted intelligent charger will provide a kind of reliable and efficient charging equipment for the new type electric vehicles and the charger is of higher applied value． Keywords：Electric Vehicle；Charger；SCM；DC Power Supply O引言 面对传统燃油汽车尾气排放造成的污染及其对石油资源的 过度消耗所引发的环境与能源问题，电动汽车以其良好的环保、 节能特性，成为当今国际汽车发展的潮流和热点。目前世界上许 多发达国家的政府、着名汽车厂商及相关行业科研机构都在致 力于电动汽车技术的研究开发与应用推广。 车载电动汽车充电器是电动汽车大规模商业化后不可缺少 的组成部分，如何实现车载充电器对蓄电池快速无损伤充电是 电动汽车投入市场前必须解决的关键技术之一。本文设计的充 电器是一种加装于电动汽车上的车载充电设备，通过对目前车 载蓄电池的发展现状和发展前景进行分析，以目前使用广泛的 阀控密封铅酸电池为研究对象，在技术上采用目前较为先进又 成熟的逆变技术，具有体积小、重量轻、效率高、调节范围大等特 点。同时从功能角度，它也适合镍镉、镍氢，锂离子等类型的动 力蓄电池。因此，具有较大的实用价值。 1智能充电系统总体结构设计 结合当前电动汽车电能供给的典型方式和充电电源的发展 图1智能充电系统总体结构框图 2012年6月第6册总第134册 状况，文章设计的智能充电系统如图1所示。整个电路采用了 AC／DC—DC／DC的设计结构，首先是220V的交流市电经EMI 滤波、PFC校正电路变为380V的直流，然后经DC／DC半桥变 换及相应的控制电路，保证输出电流电压满足充电电池的需求 其中PFC控制电路主要由MOSFET管、Boost升压电感、控制芯 片ICE2PCS01以及直流滤波电容组成。DC／DC变换采用半桥 拓扑，主要由高频变压器、MOSFET管以及LC滤波电路组成 控制部分通过对蓄电池端电压、电流信号的采集反馈，IlI SG3525产生双路PWM波控制半桥拓扑中MOSFET管的通断Hlf 间来控制充电电流和电压，其控制部分还包括对电流、电压、 度的采集监测以及实时显示。 2系统主要电路设计 2．1 APFC电路设计 本设计选择工作于连续调制模式下的平均电流型升压式 APFC电路来实现较为合适。具体的电路设计如图2所示，控制芯 片选用ICE2PCS01．由ICE2PCS01构成的有源功率因数校正电路。 图2有源功率因数校正电路 67 瑚v口0 》q 2．2半桥式逆变部分设计 DC／DC变换是该充电电源的关键部分，同时也是难点所 在。整机性能的好坏、质量优劣、成本高低在很大程度上取决于 该逆变桥路。该部分如图3所示，主要包括变换器拓扑结构的选 择、功率管选择、变压器设计、吸收回路设计及滤波回路设计等。 图3 DC／DC变换电路 2．2．i电路主变换拓扑结构的选择 在开关电源的各种变换拓扑中，半桥变换以其输出功率大、 结构简单、开关器件少、实现同等功率变换的成本较低且抗磁通 不平衡能力强等优点，成为该充电器结构设计的首选。半桥电路 由两只数值相等、容量较大的高压电容器组成一个分压电路，通 过控制一个桥臂上两个开关管交替导通和截止，在变压器原边 产生高压开关脉冲，从而在副边感应出交变的方波，实现功率 转换。该电路拓扑的一个突出优点是阻断电容c3的连接使其具 有抗磁通不平衡能力，有效防止磁偏。同时将变压器初级侧的漏 感尖峰电压钳位于直流母线电压，将漏感存储的能量归还到输 入母线，而不是消耗于电阻元件。 2．2．2高频变压器的设计 由220V的交流输入经过前级的APFC变换电路后，得到 380V输出电压，同时该输出电压也是后级DC—DC变换的输入 电压。在变压器的作用下，原边电压是190V，副边输出电压是 1 09V，参考有关的设计资料，具体计算如下： ①初级绕组匝数： m=D (1) Ⅳ·= ×10-2 砸 式(1)、(2)中：D为变压器最大占空比；fs为开关频率；N1 为初级绕组匝数；Uin为变压器初级输入电压幅值；Ton为初级 输入脉冲电压宽度。实际中初级绕组匝数取10匝。 ②次级绕组匝数： tt-- =篙¨743 (3) z= =丁1 0 5．74匝 (4) 式(3)、(4)中：n为初级绕组与次级绕组的匝数比；Uout为 变压器副边输出电压；N2为计算所得次级绕组匝数，且该变压 器为中心抽头型，实际中均取为6匝。 实际中选用软磁铁氧体PM87磁芯，材质为南京新康达公司 的LP3材料。原边10匝，副边6匝，采用多根蜘．55的高强度漆 包线并绕(原边2l根并绕，副边17根并绕)；绕制工艺采用原副边 交叉绕(两段式全包)，可实现变压器的紧密耦合，减小漏感。 2．2．3半桥变换器功率管的选择 设计中，采用半桥式拓扑，开关管Ql和Q2上的电压即为变 换器的输人电压，有下式成立： 电动汽车车载智能快速充电器设计方案 = =￡，h 二极管D2和D6上的电压为： ￡ z￡ 。=￡ Ul, 整流二极管D3和D5上的电压为： = NI￡，--=228V 流过开关管的最大电流值为： 铀．=舡+[ 旦~v xf, 式(8)中：Io为负载电流；I』为变压器原边漏感。 (5) (6) (7) (8) 图4半桥变换器驱动波形的产生示意图 由以上计算分析，功率管Ql和Q2选择型号为FCH47N60 的MOS管，可承受600V的电压和47A的电流，整流二极管选 择型号为MRB40250的肖特基管，其正向平均电流为40A，反向 耐压最大为250V． 2．2．4吸收回路及滤波回路的设计 为解决关断时器件的过压问题，在图3中由D1，R1，c4 组成RCD缓冲器，通过减缓Ql漏源极电压的上升速度使下降 的电流波形同上升的电压波形之间的重叠尽量小，以达到减小 开关管损耗的目的。 同理由D4、R4、c8对O2的关断过程进行保护。 在输出整流二极管之后采用LC滤波电路减小输出电流电 压纹波。滤波电感L1的作用是使负载电流的波动减小，滤波电 容c5的作用是使输出电压的纹波减小。当负载突减时，滤波电 容储能；负载突增时，电容c5上的储能首先向负载补充能量， 以减小输出电压的峰一峰值。 2．3控制保护电路 控制保护电路主要完成3个功能：①控制充电系统按照当 前的设定的输出电压电流值产生占空比可变的PWM波，对开关 管进行驱动，实现功率变换；②当出现过压、欠压、过流、过温等 故障时，控制充电电源的主回路停止工作，从而将电源的损坏 程度控制在最小范围；③在充放电过程中，对相应的电压、电 流、温度等参数实时显示。 2．3．1驱动信号的产生 驱动信号的产生过程如下：将电阻分压获取的输出电压信号 以及电流霍尔传感器采集的输出电流信号送至SG3525的误差放 大器的反相输入端，由其产生两路PWM方波信号，6N137对该 方波信号光耦隔离，并送至FAN7390进行功率放大和波形转换， 以驱动半桥变换器。该部分的设计中主要涉及到以下关键技术： ①振荡频率及死区时间的设置。 参考SG3525的有关设计资料，SG3525振荡电路的输出是 自柚化信患AUTOMATION INFORMATION 频率减半的互补方波信号，该充电器的设计中，后级电路的变换 频率设计为50kH Z，故SG3525正当电路的工作频率设置为 100kH z，如式(9)。 ，= 死区时间的设定为： (9) =1．絮sCi (10) 当设定电路振荡频率为50kH Z，死区时间为3．3s时，该部 分元件参数的取值为： Cl=奎7hE R 3 2．9kq霞5=50Q ②反馈补偿网络的设计。 为满足系统稳定性和静态误差的要求，该部分设计采用无 静差的PI调节器作为补偿网络。由于充电器的负载是铅酸蓄电 池，蓄电池的电压和内阻在充电过程中会发生变化，这样我们 反馈控制中PI调节器难度增大，由理论推导的RC参数值参考 价值不大。对于这个PI调节器，我们更注重从实验的角度出 发，反复尝试得到一个比较适合的网络。 经过反复的实验验证，我们采用含有Ⅱ型误差放大器的正 激变换器反馈补偿网络。为防止电压和电流环同时起作用时的系 统振荡，我们在补偿网络的设计中，通过提高比例积分环节中积 分环节的作用，同时加大时间常数，使得补偿网络在整个系统中 占主导地位，从而使闭环系统更像一个一阶顷性环节，使系统能 够很好地稳定下来，抵抗各种扰动引起的电压和电流波动。 ③半桥驱动自举电路的设计。 由于半桥变换器上桥臂MOSFET的源极接下端开关管而处 f悬浮状态，需要同步的自举电路来抬升栅极驱动电压。在该设 汁中由R1、D1、C2组成自举电路，对上桥臂高端栅极驱动电路 进行供电。 自举电容的选择为： C2 I 一10-1．5J (11) 式(11)中：Qg为MOSFET栅极提供的电荷。 自举二极管Dl选择时应该遵循其击穿电压大于Uin、恢复 时间足够快的原则，以减少自举电容反馈给电源Vcc的电荷。 自举电阻R1的取值不能太大(一般为5—10)，否则会增加 VBS时间常数。 2．3．2保护电路的设计 保护电路具有过压、欠压、过流、过温等保护功能，在出现上 述故障时，控制系统首先对故障的紧急程度进行判断，当出现 过欠压或者过温警示信号时，实行限制输出功率保护方案；在 出现过流、短路等故障时，控制主电路停止工作，保护充电电源 免受损坏。要使系统正常工作，需要重新开机。 2．3．3单片机控制部分介绍 该系统的总体控制采用NEC的F0881单片机作为充电器 的”智能”中心，对充电过程进行控制。 由于采用智能充电，铅酸蓄电池每个阶段所需的充电电压 和充电电流都不同，则在充电时该单片机对电池端的电流电压 信号进行采集，分析处理，模糊推理、模糊决策等，根据不同的状 态采用对应 白勺慢脉冲快速充电方法以及保证在各充电阶段之间 的稳定切换。对出现的各种故障和报警信号进行处理。该部分还 包括对电流、电压和温度的采集以及显示等。 3试验结果及分析 2012年6月第6册总第134册 电动汽车车载智能快速充电器设计方案 在上述设计思路的指导下，所研制的第一台车载智能充电 器的实物图如图5所示。 图5车载智能快速充电器实物图 对其进行测量，其体积为347“212*125mm3，重量为7．9kg， 在一l0℃～+40~C的环境温度中，整机效率86％，并且在75~C机 内温度会自动保护。其工艺制作满足体积小，重量轻，可靠性高， 集成度高等要求。 为验证其实际运行效果，采用220V(20％的宽范围交流电 图6功率因数校正波形图 …--- ]_ I ：’ 一 ： ■一—■ P+··■+● ．．一 } —- ’ _．， — ： _lllll 0■ 图7高频变压器原边电压电流波形图 (下转66页) 69 4．1 SIS改造步骤 实施SIS改造的步骤总结如下： (1)立项： 1)根据改造要求，采用经验法或HAZOP分析方法，结合企 业经济状况，对装置现状进行分析，确定SIS系统的安全度等级， 以及需引入SIS系统的联锁保护系统； 2)确定具体改造方案，包括现场仪表、配套设施等的改造； 3)统计SIS系统的规模、新增或更换的仪表设备、主材等； 4)计算投资估算、编排项目工期计划； 5)项目可研报告、项目立项申请书编写、评审、报批； 6)下达投资计划，成立项目组。 (2)设计： 1)编写改造方案； 2)委托项目初步设计，确定项目概算； 3)施工图设计(设备采购合同签订之后)，确定项目预算。 (3)采购： 1)编制sis技术规格书、仪表采购技术要求； 2)招投标、评标、签订合同。 (4)工程组态： 1)SIS系统设计联络会、开工会； 2)SIS系统培训、工程组态、FAT。 (5)安装、调试、投运； (6)编写、汇总改造竣工资料，组织竣工验收。 4．2改造要点 实施SIS改造时要点总结如下： (1)联锁分级管理：实施SIS改造的关键在于事先对装置进 f 合理的安全评价，以选择合适的安全度等级，并确定引入SIS f1】保留在DCS的联锁保护系统； (2)安全性与可用性：实施SIS改造的重点在于如何将安全 性和可用性相结合，既不能为了应付改造要求和降低费用，不遵 循SIS设置原则；也不能一味为了安全，而牺牲了系统可用性，二 并要统筹兼顾，在节省投资和合规达标之间找到平衡点； (3)操作维护性：通常意义上的SIS是静态的、非操作性的系 统，一般只配置一台工程师站兼SOE站，放在工程师室内，缺乏 灵活性，但是通过增设操作站，赋予联锁复位、切除、投用等操 作，以及各种画面的显示功能，可以使SIS更具操作、维护、管理 等适用性； 合成氨装置SIS改造方案与实践 (4)其它： 1)SIS与超速保护器连接跳车电磁阀的方式：由于老装置中 的压缩机组跳车电磁阀一般只设置一只，因此在SIS和超速保护 器连接方式上，有多种方式供选择，推荐采用SIS和超速保护器 的输出接点串联方式，无论两个系统中任何一个系统出现故障 拒动，都不会影响另外一个系统动作，从而提高系统安全性； 2)软按钮、开关的设置：对联锁复位按钮和联锁切除开关， 实现的方式也有多种，最原始简单的方式就是在辅助操作台上 设置开关、按钮，以硬接线引入SIS的DI卡件实现；或者在DCS 上采用组态做成软开关、按钮，以通讯方式引入SIS来实现。上述 两种方式都有较大的缺陷，前者会增加大量的DI点，并增加开 关、按钮的维护量；后者须通过ModBus通讯方式对SIS进行写 操作，有悖SIS设计原则。这里推荐通过SIS组态在HMI上设置 软按钮开关来进行操作，节省DI卡件投资，并能提高可靠性，减 少维护量。 5结束语 符合国家有关标准的安全仪表系统(sis)对于确保化丁企业 高危险工艺装置的安全生产是至关重要的。该文系统地论述了 大型合成氨装置的SIS系统改造的技术方案和工程实践，为同类 企业实施SIS系统改造时提供了有益的借鉴。 参考文献 [1】四川省安监局四川煤监局办公室．川安监[20091159号，关于推进个 省危险化学品生产、储存企业自动化控制及安全联锁技术改造的意 见．2009．7—13． [2]中国石化集团北京石油化工工程公司．SHB—Z06—1999石油化I 紧 急停车及安全联锁系统设计导则．北京：中国石油化工集团公 l 程建设标准发行站，1999． f31 API STD 612—2005 Petroleum，Petrochemical and Natural Gas Indils— tries—-Steam Turbines-Special-purpose Applications． 『4]API STD 670-2000 Machinery Protection Systems． 垡 ， 何谦男，生于1968年，工学硕士，高级工程师，现任四川泸天化股份 有限公司副总工程师(仪表专业)、四川I省自动化与仪器仪表学会理事， 长期从事工厂自动化与仪表专业技术和技术管理工作。 (上接69页) 源作为输入电源，并应用6节120AH的铅酸蓄电池串联进行了 带载试验，测得其PFC校正和半桥变换器原边的电流电压波形 分别如图6、图7所示。 图6为满载时的功率因数校正波形，可以得出开关管在输 入电压电流工频过零点是完全处于截止状态的，PFC电感处于 电感电流连续的工作模式，这样保证输入电流很好地跟随输入 电压成正弦波，电路具有很高的功率因数。图7为慢脉冲充电模 式下变压器原边的电压电流波形。可以看出电压波形和电流波 形相位一致性较好，开关管的波形与理论上分析的完全一致， 在开关管关断瞬间电压尖峰较小，说明变压器的漏感较小，功 率转换的损耗小。 经过不同充电阶段不同充电模式下的反复测试，结果表明 该智能充电器性能稳定，达到了快速无损伤充电的目的，且整机 的转换效率在86％以上。 4结束语 文章中设计的车载智能充电系统用了电压回路和电流回路 的双闭环控制，可以提供恒流充电、恒压充电、慢脉冲快速充电 以及它们之间的自动转换等功能，能够实现铅酸蓄电池快速无 损伤充电的需求。充电电源作为车载变流器，采用功率因数校正 以及隔离变压调制的方式，具有体积小、重量轻、可靠性高、整机 变换效率高、对供电电网干扰小等特点。同时整个系统还增加了 多种保护电路和改善电源动态特性的措施，安全性符合车用设 备的通用规范。 综上所述，随着我国电动汽车示范运行的大规模开展以及 电动汽车产业化的推进，该车载智能快速充电系统具有很强的 应用价值和广泛的市场前景。 (本资料来源：电子工程网，本刊编辑部改编并转载) 自劲化信舞AUTOMATION INFORMATION