CN106828164B - 一种电动汽车充电机控制系统及控制方法 - Google Patents

一种电动汽车充电机控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车充电机控制系统及控制方法，包括控制模块、进行电能变换的执行模块、电池管理系统和触摸屏；系统经过初始化和自检无误后，充电插头接入汽车充电接口，连接失误系统会自动识别并报警；连接成功，根据电池组类型在触摸屏上选择充电模式：若电池组为铅酸电池选择常规充电模式，采用基于PID控制算法的三阶段式充电方法；若电池组为锂离子电池，根据锂离子电池剩余电量选择充电方法：当锂离子电池剩余电量小于10％时，采用基于滑模变结构控制算法的间歇变电流—恒压充电法进行充电；否则，采用基于滑模变结构控制算法的间歇变电压—恒压充电法进行充电。本发明对于提高充电效率、增强鲁棒性、保护电池寿命具有重要意义。

Description

一种电动汽车充电机控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车充电领域，更具体的说，是涉及一种电动汽车充电机控制系统及控制方法。
背景技术
电动汽车的普及将会大大缓解大气污染和能源紧缺的问题，电动汽车的推广与普及，其相应的配套充电设施必将会出现很大的市场需求。目前市场上的充电设施主要分为充电站、充电桩和充电机。充电站存在占地面积大、管理运营费用高等缺点；充电桩在车辆有紧急运行需求或需要夜间充电时，由于受其充电时间的影响，不能够及时补充电量，影响人们的出行。相比于前两种充电设施，充电机体积较小，允许安装在自家院落或停车位附近，避免了汽车充电需要长时间等待的问题，并且可以进行夜间充电。但是目前充电机普遍存在标准不统一，充电对象单一、人机交互率低，且充电电池内阻在充电过程中不断变化导致传统基于PID控制的充电控制方法控制效果差、电能利用率低等缺点。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，针对常规充电机存在过充、欠充、通用性差、抗扰动性差等问题，提供一种通用性强、鲁棒性好、充电效率高的基于滑模变结构控制算法的电动汽车充电机控制系统及控制方法，对于提高充电效率、增强鲁棒性、保护电池寿命、促进相关产业发展具有重要的应用意义。
本发明的目的可通过以下技术方案实现。
本发明的一种电动汽车充电机控制系统，包括控制模块、进行电能变换的执行模块、电池管理系统和触摸屏；
所述控制模块包括FPGA控制主板、电压反馈模块和电流反馈模块，所述FPGA控制主板包括FPGA核心模块、CAN通信模块、USB通信模块、数模转换模块和模数转换模块；所述CAN通信模块一端连接FPGA核心模块，另一端连接电池管理系统；所述USB通信模块一端连接FPGA核心模块，另一端连接触摸屏；所述模数转换模块一端连接FPGA核心模块，另一端连接电压反馈模块和电流反馈模块；
所述电池管理系统实时监测电池组的电量信息，CAN通信模块负责将电池管理系统的电量信息传输至FPGA核心模块中；所述USB通信模块负责FPGA控制主板与触摸屏的通信，通过该模块将充电过程的参数信息实时传输给触摸屏；所述数模转换模块通过将FPGA核心模块输出的模拟控制量转换为数字量为PWM发生器模块提供输入信号，以调节PWM发生器模块输出的波形脉宽；所述电流反馈模块和电压反馈模块均由传感器和变送器组成，通过传感器实时采集电池组的充电电流及电压并经变送器转变为适应FPGA控制主板中模数转换模块的电流与电压；所述模数转换模块将电流反馈模块和电压反馈模块输出的模拟量转换为数字量传递至FPGA核心模块中进行相应的计算；
所述执行模块包括依次连接的电源EMI滤波器模块、PFC整流滤波模块、逆变电路模块、高频整流模块和滤波模块，所述逆变电路模块连接PWM发生器模块，所述PWM发生器模块连接数模转换模块；所述电源EMI滤波器模块和PFC整流滤波模块将外接三相交流电源进行滤波整流后为逆变电路模块提供直流电源；所述逆变电路模块采用全桥逆变电路，PWM发生器模块通过接收FPGA控制主板输出的控制量，输出一定的波形脉宽，进而控制全桥逆变电路四个开关管的导通、关断时间，使得全桥逆变电路输出具有一定占空比的交流矩形波信号；所述高频整流模块和滤波模块将逆变电路模块输出的交流电通过RLC串联谐振电路处理为高频正弦波，送至高频变压器，并经整流滤波电路处理，得到所需直流电压提供给电池组进行充电。
本发明的目的还可通过以下技术方案实现。
基于上述电动汽车充电机控制系统的控制方法，包括以下步骤：
(1)充电机上电后，电动汽车充电机控制系统经过初始化和自检无误后，将充电插头正确接入汽车充电接口，如果连接失误电动汽车充电机控制系统会自动识别并报警；待连接成功后，触摸屏会跳转到充电模式界面供用户选择；
(2)根据电池组类型在触摸屏上选择充电模式，进行充电过程：若电池组为铅酸电池选择常规充电模式，采用基于PID控制算法的三阶段式充电方法；若电池组为锂离子电池，选择智能充电模式；
(3)在上述智能充电模式中，根据锂离子电池剩余电量选择充电方法：当锂离子电池剩余电量小于10％时，采用基于滑模变结构控制算法的间歇变电流—恒压充电法进行充电；否则，采用基于滑模变结构控制算法的间歇变电压—恒压充电法进行充电；
所述基于滑模变结构控制算法的间歇变电流—恒压充电法具体过程为：FPGA控制主板实时计算电流反馈模块返回的电流信息和电池管理系统传递过来的电量信息，采用滑模变结构控制算法计算出用于调节PWM占空比的滑模控制量，在滞环函数作用的基础上采取通过基于给定三角波比较的滑模控制；
所述滑模控制量的表达式为：
式中，SI(x,t)为滑模控制量，c3、c4、c5为滑模面系数，Iref、和为预置参考电流及其一阶、二阶导数，i0、和为充电机输出电流及其一阶、二阶导数；
所述基于滑模变结构控制算法的间歇变电压—恒压充电法具体过程为：FPGA控制主板实时计算电压反馈模块返回的电压信息和电池管理系统传递过来的电量信息，采用滑模变结构控制算法计算出用于调节PWM占空比的滑模控制量，在滞环函数作用的基础上采取通过基于给定三角波比较的滑模控制；
所述滑模控制量的表达式为：
式中，SV(x,t)为滑模控制量，c1、c2为滑模面系数，Vref和为预置参考电压及其导数，uo和为充电机输出电压及其导数。
在充电过程中，FPGA控制主板分别对充电电池组的电流与电压、电池组的温度以及充电接口的电压进行检测，其中一项不满足电动汽车充电机控制系统所设定预定值，就会启动报警并中断充电过程。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明中的电动汽车充电机控制系统，将常规的基于PID控制算法的三阶段式充电技术、基于滑模变结构算法的智能充电技术、以及FPGA控制技术应用于电动汽车充电机的设计中，极大的增强了充电机的通用性，实现了电池电量的高质量控制，延长了电池使用寿命，提高了电能利用效率，避免了电池过充和欠充的问题；
(2)本发明中的智能充电方法，采用滑模变结构控制方法将间歇变电流-恒压充电和间歇变电压-恒压充电技术完美结合，针对锂离子电池的特性，在不同的电能剩余量的情况下选择合理的充电技术，在滞环的基础上采取通过基于给定三角波的滑模控制算法，在充电机充电过程中电池内阻不断变化的固有条件下，使控制系统具有良好的鲁棒性；
(3)本发明还拥有自检和报警机制，提高了充电质量，节约了电能。
附图说明
图1为本发明电动汽车充电机控制系统结构框图；
图2为本发明充电过程流程图；
图3为本发明故障预警流程图；
图4为本发明触摸屏充电模式选择流程图；
图5为本发明基于电压的滑模变结构控制基本结构框图；
图6为本发明基于电流的滑模变结构控制基本结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明使用FPGA作为核心控制器，实现的主要功能为：在充电过程前通过触摸屏的设置完成对充电模式的选择，实现对不同类型的电池的充电，提高充电机的通用性；在充电过程中针对铅酸蓄电池采用常规的基于PID控制算法的三阶段式充电方法，针对锂离子电池采用基于滑模变结构控制算法的智能充电方法代替传统的PID算法，避免电池的过充和欠充的问题，延长电池寿命，提高的电能利用率以及在充电扰动中的鲁棒性；人机交互方面选取触摸屏实现与FPGA通信，完成对充电模式的选择以及系统状态的显示。
如图1所示，本发明的电动汽车充电机控制系统，包括控制模块、进行电能变换的执行模块、电池管理系统和触摸屏。
所述控制模块包括FPGA控制主板、电压反馈模块和电流反馈模块，所述FPGA控制主板包括FPGA核心模块、CAN通信模块、USB通信模块、数模转换模块(D\A)和模数转换模块(A/D)等。所述CAN通信模块一端连接FPGA核心模块，另一端连接电池管理系统，所述电池管理系统可以实时监测电池组的电量信息，所述CAN通信模块负责将电池管理系统的电量信息传输至FPGA核心模块中，经FPGA核心模块计算后提供合适的模拟控制量。所述USB通信模块一端连接FPGA核心模块，另一端连接触摸屏，所述USB通信模块负责FPGA控制主板与触摸屏的通信，通过该模块将充电过程的参数信息实时传输给触摸屏，所述触摸屏模块主要用于用户和充电机控制系统的人机交互功能，便于用户选择合适的充电模式以及实时了解当前充电状态。FPGA核心模块是FPGA核心处理器，是FPGA控制主板的数据采集与处理中心，FPGA核心模块根据当前参数设置，进行系统自检，检测接口是否匹配成功。所述模数转换模块一端连接FPGA核心模块，另一端连接电压反馈模块和电流反馈模块。所述电流反馈模块和电压反馈模块均由传感器和变送器组成，通过传感器实时采集电池组的充电电流及电压并经变送器转变为适应FPGA控制主板中模数转换模块的电流与电压。所述模数转换模块将电流反馈模块和电压反馈模块输出的模拟量转换为数字量传递至FPGA核心模块中进行相应的计算。
所述执行模块包括依次连接的电源EMI滤波器模块、PFC整流滤波模块、逆变电路模块、高频整流模块和滤波模块，所述逆变电路模块连接PWM发生器模块，所述PWM发生器模块连接数模转换模块。所述数模转换模块通过将FPGA核心模块输出的模拟控制量转换为数字量为PWM发生器模块提供输入信号，进而来调节PWM发生器模块输出一定的波形脉宽。所述电源EMI滤波器模块和PFC整流滤波模块将外接380V三相交流电源进行滤波整流后为逆变电路模块提供直流电源。所述逆变电路模块采用全桥逆变电路，PWM发生器模块通过接收FPGA控制主板输出的控制量，输出一定的波形脉宽，进而控制全桥逆变电路四个开关管的导通、关断时间，使得全桥逆变电路输出具有一定占空比的交流矩形波信号。所述高频整流模块和滤波模块将逆变电路模块输出的交流电通过RLC串联谐振电路处理为高频正弦波，送至高频变压器，并经整流滤波电路处理，得到所需直流电压提供给电池组进行充电。
基于上述电动汽车充电机控制系统的控制方法，是将常规基于PID控制算法的三阶段式充电方法和基于滑模变结构控制算法的智能充电方法有效结合起来，并应用于控制电动汽车充电机控制系统下的先进充电方法，实现对不同类型的对象(电池)的高效率充电。
如图2所示，当充电机上电后，电动汽车充电机控制系统经过初始化和自检无误后，等待用户在触摸屏界面确认充电；然后将充电插头正确接入汽车充电接口，如果连接失误电动汽车充电机控制系统会自动识别并报警；待连接成功后，触摸屏会跳转到充电模式界面供用户选择，而后充电机开始进行充电过程；在充电无异常的情况下，直至接收到终止充电标志，停止充电，充电完成。
如图3所示，在电池组充电过程中，要时刻警惕因为操作不当或充电异常所带来的安全漏洞；本电动汽车充电机控制系统在设计时增加报警机制，利用FPGA控制主板的并行处理优势，分别对充电电池组的电流与电压、电池组的温度以及充电接口的电压进行检测，其中任意一项不满足电动汽车充电机控制系统所设定预定值，电动汽车充电机控制系统就会启动报警并中断充电过程，提高了系统的安全性。
如图4所示，根据电池组类型在触摸屏上选择充电模式：若电池组为铅酸电池选择常规充电模式，采用基于PID控制算法的三阶段式充电方法，即充电期望曲线为三阶段式充电曲线；若电池组为锂离子电池，选择智能充电模式，根据锂离子电池剩余电量选择不同的充电方法，包括基于滑模变结构控制算法的间歇变电压—恒压充电法和基于滑模变结构控制算法的间歇变电流—恒压充电法。两种充电模式满足了大部分的用户需求，提高了充电机的通用性，同时不同类型的电池采用不同的充电方法，提高了充电的安全性。
当锂离子电池电量剩余(SOC)大于或等于10％时，采用基于滑模变结构控制算法的间歇变电压—恒压充电法进行充电：FPGA控制主板实时计算电压反馈模块返回的电压信息和电池管理系统传递过来的电量信息，采用滑模变结构控制算法计算出用于调节PWM占空比的滑模控制量SV(x,t)(即滑模切换面函数)，在滞环函数H作用的基础上采取通过基于给定三角波比较的滑模控制，改善滑模变结构控制的抖振问题。具体框图如图5所示。
基于电压控制的等效模型推导出其状态变量偏差的状态空间方程为：
式中，b0、k21、k22为常系数，t为时间变量，E为逆变电路模块的输入直流电压，u为控制输入，其表达式为：
式中，G1G4和G2G3分别是逆变电路中两组分别导通的IGBT开关管，u的取值由下述滑模切换面函数SV(x,t)决定；x1(t)、x2(t)分别表示为输出偏差量以及输出变化率的偏差量，其表达式为：
式中，Vref和为预置参考电压及其导数；uo和为充电机输出电压及其导数；和为状态变量x1(t)和x2(t)的导数。
以状态的偏差量为基础构建滑模切换面函数SV(x,t)：
式中，c1、c2为滑模面系数。
在正常运行时，要最大程度的使系统状态轨迹在滑模面上运动，即要求SV(x,t)＝0，根据滑动模态的可达性及存在性要求，能够求解出基于电压的滑动模态条件关系式为：
0＜k21c2x1(t)+(c1+k22c2)x2(t)＜-b0c2E (5)
选择满足上述条件的合适系数c1、c2，通过调节以达到最佳控制。
当锂离子电池剩余电量(SOC)小于10％时，采用基于滑模变结构控制算法的间歇变电流—恒压充电法进行充电：FPGA控制主板实时计算电流反馈模块返回的电流信息和电池管理系统传递过来的电量信息，采用滑模变结构控制算法计算出用于调节PWM占空比的滑模控制量SI(x,t)(滑模切换面函数)，在滞环函数H作用的基础上采取通过基于给定三角波比较的滑模控制，改善滑模变结构控制的抖振问题。具体框图如图6所示。
基于电流控制的等效模型推导出其状态变量偏差的状态空间方程为：
式中，b1、k31、k32、k33为常系数，u是控制输入，其表达式与式(2)相同，u的取值由下述滑模切换面函数SI(x,t)决定；E为逆变电路模块的输入直流电压，x3(t)、x4(t)、x5(t)分别为输出电流的偏差量以及输出电流一阶、二阶变化率偏差量，为状态变量x3(t)、x4(t)、x5(t)的导数，其偏差量x3(t)、x4(t)及x5(t)表示为：
式中，Iref、和为预置参考电流及其一阶、二阶导数，io、和为充电机输出电流及其一阶、二阶导数。
以状态的偏差量为基础构建滑模切换面函数：
式中，c3、c4、c5表示为滑模面系数。
在正常运行时，要最大程度的使系统状态轨迹在滑模面上运动，即要求SI(x,t)＝0，根据滑动模态的可达性及存在性要求，能够求解出基于电流的滑动模态条件关系式为：
0＜k31c5x3(t)+(c3+k32c5)x4(t)+(c4+k33c5)x5(t)＜-b1c5E (9)
选择满足上述条件的合适系数c3、c4和c5，通过调节以达到最佳控制。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种电动汽车充电机控制系统，其特征在于，包括控制模块、进行电能变换的执行模块、电池管理系统和触摸屏；
所述控制模块包括FPGA控制主板、电压反馈模块和电流反馈模块，所述FPGA控制主板包括FPGA核心模块、CAN通信模块、USB通信模块、数模转换模块和模数转换模块；所述CAN通信模块一端连接FPGA核心模块，另一端连接电池管理系统；所述USB通信模块一端连接FPGA核心模块，另一端连接触摸屏；所述模数转换模块一端连接FPGA核心模块，另一端连接电压反馈模块和电流反馈模块；
所述电池管理系统实时监测电池组的电量信息，CAN通信模块负责将电池管理系统的电量信息传输至FPGA核心模块中；所述USB通信模块负责FPGA控制主板与触摸屏的通信，通过该模块将充电过程的参数信息实时传输给触摸屏；所述数模转换模块通过将FPGA核心模块输出的模拟控制量转换为数字量为PWM发生器模块提供输入信号，以调节PWM发生器模块输出的波形脉宽；所述电流反馈模块和电压反馈模块均由传感器和变送器组成，通过传感器实时采集电池组的充电电流及电压并经变送器转变为适应FPGA控制主板中模数转换模块的电流与电压；所述模数转换模块将电流反馈模块和电压反馈模块输出的模拟量转换为数字量传递至FPGA核心模块中进行相应的计算；
所述执行模块包括依次连接的电源EMI滤波器模块、PFC整流滤波模块、逆变电路模块、高频整流模块和滤波模块，所述逆变电路模块连接PWM发生器模块，所述PWM发生器模块连接数模转换模块；所述电源EMI滤波器模块和PFC整流滤波模块将外接三相交流电源进行滤波整流后为逆变电路模块提供直流电源；所述逆变电路模块采用全桥逆变电路，PWM发生器模块通过接收FPGA控制主板输出的控制量，输出一定的波形脉宽，进而控制全桥逆变电路四个开关管的导通、关断时间，使得全桥逆变电路输出具有一定占空比的交流矩形波信号；所述高频整流模块和滤波模块将逆变电路模块输出的交流电通过RLC串联谐振电路处理为高频正弦波，送至高频变压器，并经整流滤波电路处理，得到所需直流电压提供给电池组进行充电。
2.基于上述权利要求1的电动汽车充电机控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)充电机上电后，电动汽车充电机控制系统经过初始化和自检无误后，将充电插头正确接入汽车充电接口，如果连接失误电动汽车充电机控制系统会自动识别并报警；待连接成功后，触摸屏会跳转到充电模式界面供用户选择；
(2)根据电池组类型在触摸屏上选择充电模式，进行充电过程：若电池组为铅酸电池选择常规充电模式，采用基于PID控制算法的三阶段式充电方法；若电池组为锂离子电池，选择智能充电模式；
(3)在上述智能充电模式中，根据锂离子电池剩余电量选择充电方法：当锂离子电池剩余电量小于10％时，采用基于滑模变结构控制算法的间歇变电流—恒压充电法进行充电；否则，采用基于滑模变结构控制算法的间歇变电压—恒压充电法进行充电；
所述基于滑模变结构控制算法的间歇变电流—恒压充电法具体过程为：FPGA控制主板实时计算电流反馈模块返回的电流信息和电池管理系统传递过来的电量信息，采用滑模变结构控制算法计算出用于调节PWM占空比的滑模控制量，在滞环函数作用的基础上采取通过基于给定三角波比较的滑模控制；
所述滑模控制量的表达式为：
<mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>I</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>c</mi> <mn>3</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>i</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>c</mi> <mn>4</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mover> <mi>I</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>i</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>c</mi> <mn>5</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mover> <mi>I</mi> <mo>&amp;CenterDot;&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>i</mi> <mo>&amp;CenterDot;&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中，SI(x,t)为滑模控制量，c3、c4、c5为滑模面系数，Iref、和为预置参考电流及其一阶、二阶导数，i0、和为充电机输出电流及其一阶、二阶导数；
所述基于滑模变结构控制算法的间歇变电压—恒压充电法具体过程为：FPGA控制主板实时计算电压反馈模块返回的电压信息和电池管理系统传递过来的电量信息，采用滑模变结构控制算法计算出用于调节PWM占空比的滑模控制量，在滞环函数作用的基础上采取通过基于给定三角波比较的滑模控制；
所述滑模控制量的表达式为：
<mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>V</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>c</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>u</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mover> <mi>V</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>u</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中，SV(x,t)为滑模控制量，c1、c2为滑模面系数，Vref和为预置参考电压及其导数，uo和为充电机输出电压及其导数。
3.根据权利要求2所述的基于电动汽车充电机控制系统的控制方法，其特征在于，在充电过程中，FPGA控制主板分别对充电电池组的电流与电压、电池组的温度以及充电接口的电压进行检测，其中一项不满足电动汽车充电机控制系统所设定预定值，就会启动报警并中断充电过程。
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