电动汽车车载光伏充电系统设计与实现.docx
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电动汽车车载光伏充电系统设计与实现.docx
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电动汽车车载光伏充电系统设计与实现
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TMS320F2808DSP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:
Directingtowardsthephenomenonofthebatterypackofelectricvehiclescannotbechargedcompletelyforlongtime,wedesignedakindofon-boardphotovoltaiccellchargingdevice,itcantricklechargetoimprovethestateofchargeofthebatterypack,andatthesametimepartofthesupplementalbatterypackenergytoextendthemileageofelectricvehicle.ThispaperusesDSPTMS320F2808chipascontrollercoreandBoostconverterasthehardwaredesignschemeofthemaincircuit,alsocompletesthemaincomponentsoftheselectionandparametertuningonthedesignparameterssimulationandoptimization,andthedevelopmentofaprototype.Developingahigh-performancealgorithmsandcontrolstrategies,itcannotonlyrealizethemaximumoutputpowerpointtrackingofphotovoltaiccellsbutalsocouldimprovebatterychargingefficiency.Testresultsindicatethatthedeviceperformancewasstable,andhasgoodpracticality.Itcantrackthemaximumoutputpowerofphotovoltaiccellwitherrorlessthan2%,thetransformationefficiencyreached85%,thefluctuationrangeofoutputvoltageandcurrentwaslessthan5%.Thedevicecandetectbatterygroup´svoltageandchargecurrenttopreventbatteryoverchargeandhasover-currentprotection.
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,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。
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(EmbeddedMATLAB)、Simulink、RTW(RTWEmbeddedCoder)、EmbeddedIDELink和TargetSupportPackage以及开发DSP应用程序的集成开发环境(如用于TI的CodeComposerStudio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。
系统方案
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:
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,控制容易。
光伏电池充电装置是本系统中最主要的部分,是一个高效率智能的DC/DC变换器,采用美国TexasInstruments公司的TMS320F2808数字信号处理器芯片,它是一款功能强大的32位定点DSP芯片,有高速的12位A/D转换器,强大的数字处理和事件管理能力,特别适用于有大批量数据处理的测控场合。
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,又能使磷酸铁锂动力电池组的使用达到最佳状态。
车载仪表(车载操作系统):
本系统中车载系统是带XP系统的上网本,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。
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3.65V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。
图2充电控制策略流程图
图3CAN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(m>3)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。
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。
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:
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。
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。
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。
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,
图5BOOST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。
图6BOOST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。
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和电池组的阻之和,约为0.1Ω。
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。
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MOSFET的额定电压为100V,流过MOSFET的电流有效值为:
(4.1)
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:
(4.2)
根据以上要求,本文选择了国际半导体公司的IRFB4110型的功率MOSFET,其额定运行电压为100V,导通电阻为4.5mΩ。
MOSFET驱动和缓冲电路设计
MOSFET栅极驱动采用IR2102芯片,其部有自举电路,栅极驱动电压围宽(10~20V),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、C3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10Ω/2W。
图8MOSFET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。
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)
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80~100℃、25~200kHz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0.064Ω,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。
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SaberSketch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。
图9输出滤波器参数优化仿真模型
图10用最优参数滤波之后的输出电流
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10V~30V之间。
为使额定工作时的占空比为1/3,取原副边匝比为:
N1=N2=5/3。
当电池组的电压随剩余容量而在40V~60V之间变化时,占空比的变化围为0.29~0.39,在0.5以。
变压器参数设计选取EI21型铁氧体磁芯,原边绕组绕33匝,副边绕组和反馈绕组绕20匝。
图11单端反激变换器负载变化时输出电压变化情况仿真结果
按照上述参数用Saber仿真的结果如图11所示。
当输出电流变化时,输出电压的变化小于3%,符合本设计的要求。
本系统中的数字电源+5V和模拟电源A5V分别由两片LM7805从+15V稳压得到,其共地端用一个磁珠电感L12在反激变换器的输出端分开,分别为模拟地和数字地。
如图12所示,为DSP芯片供电的3.3V和1.8V电源由TPS75733和TPS76801Q从+5V稳压得到,3.3V模拟电源由AMS1117-3.3从A5V稳压而来,为DSP提供模拟电源。
图12控制系统供电电源电路
电压、电流检测电路
由于DSP的部A/D转换器的采样输入只允许0~3V的直流电压信号,且采样电路的模拟地与光伏电池的负极不能短接,所以用精度为1%的电阻将电压分压至0~3V之间,再用运放LM358组成的差动放大电路将光伏电池的输出电压转换成与DSP的部A/D转换器共地的电压信号,如图13所示。
电流检测用精度为1%的0.05Ω电阻串入回路,再用运放LM358组成的差动放大电路将此电阻两端的电压放大10倍,电流检测电路见图14。
图13电压采样检测电路
图14电流采样检测电路
电容C46、C47、C54和C55为运放的电源旁路电容,用于滤除电源中高频扰动对运放的影响。
过流保护电路
过流保护有硬件和软件两级,软件级是DSP通过采样电路采进来的值进行判断再做出的保护动作。
但是这样会延长保护动作的时间,为了提高保护的可靠性,设计还增加了图15所示的硬件保护。
图15过流保护电路
电路板设计过程中,考虑流过大电流的主电路与弱信号的测量控制部分的间距大于5mm,以减小对后者的干扰。
MOSFET缓冲电路尽量靠近MOSFET,驱动电路输出到MOSFET的门极和源极回路所围成的面积尽量小,以防止驱动信号受到高频干扰。
在靠近各芯片的电源输入端都放置一个0.1μF的旁路电容,滤除电源中的高频扰动和毛刺。
数字地和模拟地分开布线,在电源的接入点通过一个磁珠电感连接起来。
电源线与地线各自占用一层,使电源和地之间良好地耦合。
按照50V/mm的爬电距离来设置绝缘距离,35μm铜箔厚度的电路板以2A/mm的线宽设计。
系统软件设计
5.1软件总体框图
系统软件设计采取模块化设计方案,将完成特定功能的子程序组合成功能模块,由主监控程序统一调用。
软件总体框图如图17所示。
系统软件包含的主要功能模块有:
初始化模块、PWM模块、ADC模块、MPPT(最大功率跟踪)模块、CAN通信模块、PI调节模块、欠压保护模块、定时器模块。
图17软件总体框图
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