CN102832830A

CN102832830A - 基于dsp的电动汽车直流充电电源系统

Info

Publication number: CN102832830A
Application number: CN2012103092773A
Authority: CN
Inventors: 吴开源; 章涛; 李华佳; 赵卓立; 兰艳林
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2012-12-19

Abstract

一种基于DSP的电动汽车充电电源系统，涉及一种基于DSP的高频MOSFET逆变技术，包括工频交流输入电网、主电路、控制电路、DSP数字化控制模块和电动汽车电池负载；主电路包括输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、输出整流滤波模块；控制电路包括故障保护模块、电流电压采样及信号处理模块、DSP数字化控制模块、高频驱动模块组成。本发明采用先进的高频MOSFET逆变技术和DSP数字化控制技术，有效提高了脉冲充电电源的输出功率。具有输出功率大、充电效率高及可靠性高等优点，特别适用于高效高速化的电动汽车充电。

Description

基于DSP的电动汽车直流充电电源系统

技术领域

本发明涉及一种电动汽车充电技术，特别涉及一种基于DSP的电动汽车直流充电电源系统。

背景技术

随着汽车行业的不断发展，“零排放、零污染”的电动汽车受到世界各国广泛重视，适用于电动汽车的动力电池取得了飞速发展，因此，对电动汽车专用充电电源也提出了更高的要求。目前，电动汽车充电电源主要通过（脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）开关控制技术实现电流电压控制，电动汽车的材料、结构和驱动及控制等技术已经取得了很大的发展，但是电池能量存储技术、快速充电技术制约着电动汽车发展和普及，因此，研发高性能电池和适用于电动汽车专用充电电源系统，解决车载电池快速、安全充电势在必行。随着数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称DSP）控制技术的日益完善，运用DSP数字化控制技术对电动汽车充电电源进行数字化控制研究，开发出电动汽车专用充电设备，对电动汽车的发展和普及具有十分重要的理论意义和现实价值。美国、日本、法国和德国等国在充电技术领域已经取得飞速发展。在一些西方国家，电动汽车已经普及，电动汽车充电技术已经比较成熟，汽车充电站遍布城市，但是充电技术还有许多技术难题有待解决。上世纪50年代，美国就已经研制了6～24V铅酸蓄电池金属整流器型充电机。除此之外，英国联营公司研发了总能量充电控制技术，有效地解决了采用磨擦式充电系统和电晕式充电系统所带来的种种问题，最大程度上减少了粉粒充电时所需的能量，为电动汽车充电技术向前发展迈出了重大一步。除此之外，国外许多大公司利用计算机控制、人工智能等先进科学技术，已经成功研发了功能齐全、易于控制的大型智能充电设备，并设有充电保护和故障报警功能，具有很好的安全性和实用性。我国在“十五”规划中已经把对电动车的研究列为国家高科技攻关项目和国家“863”科技攻关项目。经过几十年的研究，电动汽车制造技术己经趋于成熟，但在提高动力电池性能和突破充电技术瓶颈之前，实现电动车的普及还需要相当长的一段时间。尽管充电机系统控制技术取得了一定的成就，但距离满足电动车市场化的充电要求还有很长的一段路要走。

目前电动汽车充电电源，主要是采用高频电力电子开关取代可控硅，提高开关速度和充电效率，减小变压器和滤波器的体积，节省原材料。但随着开关频率的提高及开关周期的缩短，在传统PWM控制方式下开关器件工作在硬开关状态，每次开关管同步导通留下的死区时间产生的电流和电压叠加损耗，开关损耗的存在限制了变换器功率密度的提高，严重抑制了开关频率的提高，给快速稳定充电、保证电动汽车的电能驱动力造成极大的障碍，限制了变换器的小型化和轻量化。同时，开关管工作在硬开关状态时，功率器件所受的开关应力大，还会引起很高的di/dt和du/dt，从而产生大的电磁干扰，带来电磁环境污染，现有的电动汽车充电技术主要具有以下的缺陷：

（1）用于中、大功率充电时，性能差、充电系统不稳定，输出功率小，充电效率低。

（2）响应速度慢，易产生电磁环境污染。

（3）控制精度低，可靠性低，体积大、重量重。

例如，中国专利申请号为：201020174910.9，名称为：“一种电动汽车充电器”，该申请案虽然采用了功率因数校正电路、IGBT桥式逆变电路，不能实现数字化高效精准控制，限制了变换器的小型化和轻量化，因而存在上述缺陷。

再如，“新型智能电动汽车充电器的设计”（夏政伟，张伟民.充电器，20012.02）是以STC 12C5A60S2单片机为控制核心，该单片机控制核心比DSP响应速度慢；Buck-Boost电路拓扑，用于中、大功率电池充电时，效率低，不稳定，性能差，故亦存在上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种基于DSP的高频软开关控制方式的电动汽车直流充电电源系统，实现开关管的零电压状态开关，开关功率损耗小，开关频率高，有效抑制电磁干扰的产生，使充电快速稳定；解决现有技术因为开关管导通留下死区时间产生电流电压叠加损耗，严重抑制开关频率的提高，影响快速稳定充电的问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于DSP的高频软开关控制方式的电动汽车直流充电电源系统，包括工频交流输入电网、主电路、电动汽车电池负载和控制电路。所述主电路包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块相连接组成；所述控制电路包括故障保护模块、电流电压采样及信号处理模块、DSP数字化控制模块和高频驱动模块相连接组成，所述DSP数字化控制模块通过A/D转换，将采集到的电流和电压信号送到DSP中，DSP通过PI算法对电源主电路的电流和电压进行闭环控制，产生需要的移相PWM波形，经高频驱动模块控制功率器件MOSFET开关管的导通和关断时间，以达到控制电流和电压的目的，实现数字化控制；所述故障保护模块通过检测电动汽车充电电源系统的电流和电压，以及温度是否在正常范围内，反馈信号给DSP数字化控制模块；所述高频驱动模块的另一端与高频逆变模块相连接，高频驱动模块通过控制功率器件MOSFET开关管的开关时间驱动高频逆变模块；所述电流电压采样及信号处理模块的另一端与电动汽车电池负载相连接，电流电压采样及信号处理模块采集系统电流和电压信号通过A/D转换经DSP计算调节PWM信号移相角以控制系统的电流和电压。

所述输入整流滤波模块与工频交流输入电网相连接，所述输出整流滤波模块作为充电电源的输出，与待充电的电动汽车电池负载相连。

所述控制电路的故障保护模块的另一端与单相工频交流输入电网相连接，所述高频驱动模块的另一端与高频逆变模块相连接，所述电流电压采样及信号处理模块的另一端与电动汽车电池负载相连接。

所述DSP嵌入式处理器分别与电流电压采样及信号处理模块、故障保护模块和高频驱动模块相连接。

所述DSP数字化控制模块由数字信号处理器组成，通过数字信号处理器实现对主电路的控制。所述数字信号处理器采用TMS320LF2407A芯片，用于调节主电路电流和电压的输出。

所述数字信号处理器内嵌事件管理器，所述事件管理器具有脉宽调制单元，所述脉宽调制单元以全软件方式分别产生四路固定占空比的PWM信号，用于主电路的移相调制。

所述故障保护模块包括相互连接的过压检测电路、欠压检测电路、过流检测电路、过温检测电路和与门电路。

所述高频逆变模块包括逆变桥开关管组，所述逆变桥开关管组包括V1、V2、V3和V4四个开关管。

所述的高频驱动模块主要由脉冲驱动变压器、MOSFET式图腾柱推动结构相互连接组成。

本发明的工作原理：本发明采用了电压型全桥移相软开关主电路，包括DSP数字化控制的电流反馈电路、电压反馈电路、MOSFET管驱动电路、保护电路，通过数字PI控制算法，以实现充电电源的电流和电压控制。单相工频交流电经过输入整流滤波模块整流为平滑直流电后，再通过高频逆变模块，然后通过功率变压模块、输出整流滤波模块流入待充电的电动汽车电池（锂离子动力电池）；与此同时，DSP数字化控制模块根据电流电压采样及信号处理模块检测到电动汽车电池负载的电流和电压信号，把检测到的信号与给定的相关参数进行比较，经过DSP数字化控制模块的PI控制算法运算后，发给DSP数字化控制模块内嵌事件管理器的脉宽调制单元一个信号，脉宽调制单元于是产生四路移相PWM信号，这四路移相PWM信号通过高频驱动模块放大去控制高频逆变模块MOSFET开关管的开通和关断，从而得到高频高压电，此高频高压电再经过功率变压模块转换成所需的电流电压；过压、欠压、过流和过温保护电路检测单相工频电压、初级电流和散热器温度，把检测到的电压、电流和温度信号送给故障保护模块，如出现过压、欠压、过流和过温的现象，故障保护模块将送给DSP一个低电平故障保护信号，DSP产生低电平PWM通过高频驱动模块关断高频逆变模块的开关管，以保护主电路。

本发明相对现有技术具有如下的优点和效果：

(1)输出功率大，体积小，重量轻；本发明采用大功率全桥变换器来获得大功率的输出，从而使功率密度大，输出功率大，实现电动汽车充电器的DSP数字化高效高速控制，实现了大功率充电的充电系统体积小，重量轻。

(2)充电效率高；本发明采用稳定可靠的PWM软开关技术极大提高电能转换效率，充电效率高；采用智能化充电技术实时调整充电曲线，达到最佳充电效果。

(3)系统稳定，响应速度快，控制精度高，性能好，可靠性高；该系统以数字信号处理器DSP为核心，将数字化控制技术应用到全桥逆变系统中，通过软件编程，使系统实现稳定、可靠的大功率输出，此外，本发明还采用了电流电压反馈的数字化控制技术，采用了DSP技术和开关电源充电，使系统的动态特性优良、控制精度高，系统稳定，充电时安全性高，可靠性高。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图。

图2是本发明的主电路的电路原理图。

图3是本发明的高频驱动模块的电路原理图。

图4是本发明的电流电压采样及信号处理模块的电路原理图。

图5是本发明的故障保护模块的电路原理图。

图6是本发明的DSP数字化控制模块的结构框图。

图7是本发明的DSP数字化控制模块的电路原理图。

图8是本发明的DSP数字化控制模块的软件控制流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种基于DSP的电动汽车直流充电电源系统，包括交流输入电网、主电路、电动汽车电池负载和控制电路，所述控制电路包括DSP数字化控制模块107，包括一端均与DSP数字化控制模块107相连接的故障保护模块106、高频驱动模块108和电流电压采样及信号处理模块105，所述故障保护模块106的另一端与工频交流输入电网相连接，所述高频驱动模块108的另一端与高频逆变模块102相连接，所述电流电压采样及信号处理模块105的另一端与电动汽车电池相连接；所述主电路包括依次电气连接的输入整流滤波模块101、高频逆变模块102、功率变压模块103和输出整流滤波模块104，所述输入整流滤波模块101与工频交流输入电网相连接，所述输出整流滤波模块104与电动汽车电池负载相连接。DSP数字化控制模块107由数字信号处理器及其外围电路组成，所述数字信号处理器采用TMS320LF2407A芯片，调节主电路的电流和电压输出。所述故障保护模块106分别为检测工频交流输入电压，是电压检测装置；检测过温信号，是温度继电器；检测初级过流信号，是霍尔电流传感器；所述电流电压采样及信号处理模块105为电流电压传感器，与电动汽车电池相连接，所述DSP数字化控制模块107通过A/D转换，将采集到的电流和电压信号送到DSP中，DSP通过PI算法对电源主电路的电流和电压进行闭环控制，产生需要的移相PWM波形，经高频驱动模块控制功率器件MOSFET开关管的导通和关断时间，以达到控制电流和电压的目的，实现数字化控制；所述故障保护模块通过检测电动汽车充电电源系统的电流和电压，以及温度是否在正常范围内，反馈信号给DSP数字化控制模块107；所述高频驱动模块108的另一端与高频逆变模块102相连接，高频驱动模块108通过控制功率器件MOSFET开关管的开关时间驱动高频逆变模块102；所述电流电压采样及信号处理模块的另一端与电动汽车电池负载相连接，电流电压采样及信号处理模块采集系统电流和电压信号通过A/D转换经DSP计算调节PWM信号移相角以控制系统的电流和电压。

如图2所示，主电路采用电压型全桥移相软开关变换器，其拓扑结构由输入整流电路、储能电感、全桥逆变电路、高频隔离变压器、输出整流电路和LC滤波电路组成，其中V1-A和V1-B为输入整流二极管，V1～V4为4个MOSFET开关管，每个开关管上带有寄生二极管和寄生电容，L5是谐振电感，V14～V17为输出整流二极管，电感L6、电容组成输出滤波电路。V1和V3组成的桥臂为超前桥臂，V2和V4组成的桥臂为滞后桥臂，每个桥臂的2个功率管成180°互补导通，两个桥臂之间的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节该移相角就可以调节输出电流和电压。高频变换器回路中主功率开关管的寄生电容和隔离变压器的寄生电感、漏感以及谐振电感等构成了一个LC谐振回路，在功率开关器件开关过程中实现零电压谐振换流，使其工作在软开关状态，开关损耗低，器件的电磁应力大幅减少。

图3是本发明中的高频驱动模块的电路原理图。驱动电路原边采用了高速MOSFET N1b～N4b组成的图腾柱式推动结构，能对DSP控制系统发送过来的驱动脉冲PWM1～PWM4实现快速切换并加大驱动功率。驱动电路副边采用了稳压管D9b～D10b、D16b～D17b、D23b～D24b、D30b～D31b对驱动脉冲进行稳压钳位，以保证经过驱动变压器T1b和T2b转换得到的驱动脉冲幅值过高损坏变换器原边变换电路高压MOSFET管V1～V4；电容C7b～C10b对高压MOSFET管V1～V4进行加速驱动，以尽量消除开通时刻MOSFET米勒效应带来的开通延时不利影响；D13b与V1b、D20b与V2b、D27b与V3b、D34b与V4b组成的快速放电回路能在驱动脉冲关断时间加速脉冲后沿关断，消除关断时刻MOSFET米勒效应引起的二次导通。

图4是本发明的变换器输出电流电压采样的电路原理图。电压采样电路采用非隔离电阻R1、R2分压采样，并且引进了一个由R3、C2组成的闭环零点网络，增加了动态响应速度，经过分压后得到的小于或等于3.3V的直流信号经过3.3V的稳压管D1钳位后输入到DSP控制芯片的ADCIN0口，再通过相应软件实现A/D转换。电流采样电路利用串联在变换器的输出母线上串联分流器F2对输出电流进行电流信号采样，分流器上得到的微弱信号经过差分放大器U1后得到较为干净、平滑的直流信号，然后再对其直流信号进行分压滤波后再经过3.3V的稳压管D2钳位后输入到DSP控制芯片的ADCIN1口，再通过相应软件实现A/D转换。上述环节构成的反馈闭环控制电路，就可以实现变换器电流和电压的控制。

如图5所示，过压和欠压保护检测电路将工频电压经工频变压器降压后，用桥式整流电路整流成直流电压信号后供给电阻分压电路，分别调节桥式电路电阻R39、R26和R38、R24的大小，就可以改变电网过压和欠压的阀值，即可起到过压和欠压保护作用。过温保护检测电路通过检测散热器上的温度继电器的断开来实现过温保护，得到CN1的①②断开信号输入比较器U6A的反相输入端，U6A作为比较器进行电压比较，其同相端为给定参考电压，当散热器的温度低于温度继电器阀值温度时，温度继电器闭合，比较器U6A反相输入端为低电平，比较器U6A输出高电平；当散热器的温度高于温度继电器阀值温度时，温度继电器断开，比较器U6A反相输入端为高电平，比较器U6A输出低电平，此信号可引起DSP数字化控制模块的故障保护中断。初级过流保护检测电路检测初级电流信号经滤波后给比较器U6B的反相输入端，U6B作为比较器，其同相输入端为给定参考电流，当检测到的初级电流大于给定参考电流时，比较器U6B输出低电平，此信号可引起DSP数字化控制模块107的故障保护中断。与门U13的输出经光耦U14后与DSP数字化控制模块107的故障保护检测引脚PDPINTA相连接，当与门U13输出端输出过压、欠压、过温和过流检测信号出现欠压、过压、过温和过流故障时，与门输出低电平，经U14光耦后输出低电平，作为数字信号处理器的故障保护中断的触发信号输入数字信号处理器的PDPINTA引脚，进入故障保护中断服务子程序，实现故障保护。

如图6所述，选用了TMS320LF2407A作为DSP数字化控制模块107的控制芯片，其基本结构包括PWM信号输出模块、RS232/485与CAN 2.0B通信模块、人机界面模块LCD接口、存储模块RAM与Flash、数字I/O口、A/D模拟输入。A/D采样进来的模拟信号送到DSP数字化控制模块107的A/D转换通道，DSP数字化控制模块107通过软件算法实现A/D转换，输出四路移相PWM信号经过高频驱动模块108隔离放大后对主电路进行移相调制，采用了定时器周期中断和下溢中断，在定时器周期中断触发后，周期中断服务程序里将原来的增计数的比较匹配值更改为减计数需要的匹配值，在下溢中断触发的时候，在下溢中断服务程序里将原来的减计数的比较匹配值更改为下一周期增计数需要的比较匹配值，实现全桥移相软开关的驱动。

如图7所示，DSP数字化控制模块107包括电源转换器TPS7333Q、系统控制芯片TMS320LF2407A、30MHz有源晶振、存储芯片IS61LV12816、RS232总线驱动器MAX232ACPE和CAN总线驱动器PCA82C250。其中，电源转换模块TPS7333Q将外部供电电源+5V电平转换成系统控制芯片TMS320LF2407A的+3.3V电平；TMS320LF2407A主要实现对从电源采样所得的电流和电压进行A/D转换并进行运算，再根据运算值输出相应移相PWM来驱动主电路MOSFET，实现PWM移相角调制；30MHz有源晶振为控制芯片提供基本的时钟信号，芯片内部经过1.33倍倍频后得到40MHz主频；存储芯片IS61LV12816主要实现数据存储；控制系统通过总线驱动器MAX232ACPE和PCA82C250与上位机以及外部监控系统进行通信。控制系统的核心控制策略如下：全桥逆变主电路的电流和电压采样信号分别通过DSP控制芯片的ADCIN0和ADCIN1口送到内部A/D转换通道，通过软件进行相应的A/D转换和PWM移相控制。本发明采用美国TI公司的软件平台CCStudio V3.3集成开发环境的RTDX模块进行控制参数的调整。

如图8所述，此软件流程图设计的软件主要是实现A/D转换结果的读取和输出电流和电压的控制，即实现移相角可调的PWM脉冲产生、驱动脉冲的移相角调制、电流电压控制以及故障保护。控制系统程序的工作原理为：PI控制器（比例-积分控制器）主要用于基本线性和动态时不变系统，其控制过程是把收集的数据和参考值进行比较，然后把偏差用于计算新的输入值，让系统的输出值与给定值相等。PI控制器可以通过输出偏差的出现概率和历史数据来调整输入值，使系统保持在一个相对稳定的工作状态，本发明通过对输出的充电电流和电压进行PI算法，充电电流和电压经电流和电压反馈电路检测得到反馈值I_f和U_f，反馈值和给定值I_g和U_g进行比较得到偏差e；e作为控制系统的输入值，控制系统根据输入值e按照一定的控制算法产生移相PWM信号，移相PWM信号作为控制信号，控制主电路功率开关的开通和关断时间，实时控制充电器的充电电流和电压。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于DSP的电动汽车充电电源系统，其特征在于，包括工频交流输入电网、主电路、电动汽车电池负载和控制电路，所述控制电路包括一端与DSP数字化控制模块相连接的故障保护模块、高频驱动模块、电流电压采样及信号处理模块；所述DSP数字化控制模块根据采集到的电流和电压信号对主电路的电流和电压进行闭环控制，产生移相PWM波形；所述故障保护模块通过检测电动汽车充电电源系统的电流、电压和温度，并反馈信号给DSP数字化控制模块；所述高频驱动模块的另一端与高频逆变模块相连接，所述高频驱动模块驱动高频逆变模块；电流电压采样及信号处理模块采集系统电流和电压信号经DSP数字化控制模块计算后，调节PWM信号移相角控制电源系统的电流和电压；所述主电路通过DSP数字化控制模块与控制电路连接，所述主电路包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块，所述主电路把交流电转换为直流电；所述输入整流滤波模块与工频交流输入电网相连接；所述输出整流滤波模块与待充电的电动汽车电池负载相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的电动汽车充电电源系统，其特征在于，所述DSP数字化控制模块包括数字信号处理器。

3.根据权利要求2所述的一种基于DSP的电动汽车充电电源系统，其特征在于，所述数字信号处理器采用TMS320LF2407A芯片，数字信号处理器内嵌事件管理器，所述事件管理器具有脉宽调制单元，所述脉宽调制单元以全软件方式分别产生四路脉宽调制信号，控制主电路的PWM移相调制。

4.根据权利要求1所述的一种基于DSP的电动汽车充电电源系统，其特征在于，故障保护模块包括相互连接的过压检测电路、欠压检测电路、过流检测电路、过温检测电路和与门电路以检测电动汽车充电电源系统各部分的电流、电压和温度，并反馈给数字信号处理器DSP故障信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于DSP的电动汽车充电电源系统，其特征在于，所述高频逆变模块包括逆变桥MOSFET开关管组，所述高频驱动模块将DSP数字化控制模块输出的PWM信号进行加强后输入高频逆变模块，作为逆变桥MOSFET开关管组的开关信号。