CN201332290Y - 用于电动汽车充电机的电源控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于电动汽车充电机的电源控制系统，包括用于向电动汽车充电机的充电机柜提供匹配的充电电流功率变换主电路、和用于根据充电机柜的充电状态控制功率变换主电路的控制回路，功率变换主电路连接充电机柜；控制回路连接充电机柜和功率变换主电路。本实用新型的电源控制系统通过将功率变换主电路和控制回路相互独立，使得功率变换主电路和控制回路在电池充放电过程中不再相互干扰，因此，电源控制系统的故障率较低。

Description

用于电动汽车充电机的电源控制系统

技术领域

本实用新型涉及电气领域，具体而言，涉及一种用于电动汽车充电机的电源控制系统。

背景技术

汽车在给人类的生活带来便捷舒适的同时，也消耗了大量的石油资源、排放废气、制造噪音，对自然生态环境和人类自身健康也带来了无法回避的负面影响。目前，随着世界各国对汽车排放控制、能源问题的日益关注，清洁、环保、节能的电动汽车已成为世界汽车工业发展的热点。根据我国的国情，发展电动汽车更是迫在眉睫。电动汽车，顾名思义就是主要以电池为全部或部分动力源的汽车。目前制约电动汽车产业发展主要有两个方面：一是电池本身，二是充电方式。电动汽车充电机作为电池充电的必要手段，其性能好坏和工艺复杂程度直接影响到电池的使用寿命和电动汽车的推广。

在实现本实用新型过程中，发明人发现传统充电机系统的电源控制系统单元化程度较低、界限不清晰，使得其内部的功率变换主电路和控制回路在电池充放电过程中相互干扰，因此，电源控制系统的故障率较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于电动汽车充电机的电源控制系统，以解决现有电源控制系统故障率较高的问题。

在本发明的实施例中，提供了一种用于电动汽车充电机的电源控制系统，包括用于向电动汽车充电机的充电机柜提供匹配的充电电流功率变换主电路、和用于根据充电机柜的充电状态控制功率变换主电路的控制回路，功率变换主电路连接充电机柜；控制回路连接充电机柜和功率变换主电路。

可选的，在上述的电源控制系统中，功率变换主电路包括：三相整流模块，接入三相电源；开关逆变器，连接三相整流模块；主变压器，连接开关逆变器；整流器，连接主变压器；电感器，连接在整流器与充电机柜之间。

可选的，在上述的电源控制系统中，三相整流模块包括相连接的交流电网滤波电路和输入整流滤波电路。

可选的，在上述的电源控制系统中，开关逆变器的功能器件是绝缘栅双极晶体管。

可选的，在上述的电源控制系统中，控制回路包括：检测模块，连接充电机柜；保护动作电路，连接开关逆变器；控制器，其输入端连接检测模块，其输出端连接保护动作电路。

可选的，在上述的电源控制系统中，检测模块包括：电流传感器、电压传感器和温度传感器。

可选的，在上述的电源控制系统中，控制器包括：控制单元；接口单元，其输入端连接电压传感器和电流传感器、以及保护动作电路，其输出端连接控制单元；监控单元，其输入端连接温度传感器，其输出端连接控制单元。

可选的，在上述的电源控制系统中，控制单元包括：控制芯片；接口电路，其设置于控制芯片和接口单元之间，以及控制芯片和监控单元之间；存储芯片，连接控制芯片。

可选的，在上述的电源控制系统中，控制芯片是TMS320F2812芯片。

可选的，在上述的电源控制系统中，保护动作电路是PWM驱动电路。

上述实施例的电源控制系统通过将功率变换主电路和控制回路相互独立，使得功率变换主电路和控制回路在电池充放电过程中不再相互干扰，因此，电源控制系统的故障率较低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本实用新型一个实施例的控制系统的示意图；

图2示出了根据本实用新型的一个实施例的电源控制系统框图；

图3示出了根据本实用新型的一个实施例的电源控制系统结构图；

图4示出了根据本实用新型一个实施例的电源控制系统的控制器硬件原理图；

图5示出了根据本实用新型的一个实施例的ADC中断服务程序流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的控制系统的示意图，包括：

控制面板系统110、电源控制系统120和上位机系统140以及网络系统150，其中，控制面板系统110、电源控制系统120和上位机系统140均连接到网络系统150。

该控制系统通过将各个子系统独立形成分布式系统结构，克服了传统控制系统各个子系统的单元化程度较低、界限不清晰的问题，从而降低了控制系统发生故障的几率。

可选的，在上述的控制系统中，电源控制系统的处理部分是DSP控制板。采用DSP控制板可以满足电源控制系统对于实时性和可靠性的较高要求。

可选的，在上述的控制系统中，电源控制系统包括远程通信部分和人机界面部分。这可以方便维护人员远程地操作电源控制系统。

可选的，在上述的控制系统中，控制面板系统的处理部分是MCU控制板。控制面板系统用于现场控制，其对于信息处理的要求不高，采用MCU控制板成本较低，而且性能满足要求，较适合本实施例。

可选的，在上述的控制系统中，上位机系统的处理部分是计算机主板。采用通用的计算机主板可以满足上位机系统对于远程通信控制的要求，而且降低了成本。

可选的，在上述的控制系统中，网络系统包括：第一串行总线，连接上位机以及电源控制系统；第二串行总线，连接电源控制系统以及控制面板系统。上位机、电源控制系统、控制面板系统之间通过双层总线连接，彼此分工明确，构成真正的分布式现场总线控制系统，提高了通信的可靠性，解决了现有技术中可靠性较低的问题。

可选的，在上述的网络系统中，第一串行总线是CAN总线，第二串行总线是RS-485总线。

目前现有的电动汽车充电机的网络系统，主要有RS-232、RS-485或其FSK(Frequency Shift Keying，频移键控)调制解调传输方式等。RS-485采用平衡驱动及差分接收方式来驱动总线，实现工业网络的物理层连接，具有信号的抗干扰能力较强、结构简单、成本较低等优点，这种通信方式被广泛应用在仪表仪器、智能传感器、煤矿安全监控系统等领域。但RS-485总线存在自适应能力和自保护能力较弱等缺点。

在现场总线领域，CAN总线以其卓越的性能而在工业控制领域得到了广泛的应用。CAN总线是最早被ISO制定为国际标准的现场总线，相比于RS-485等串行网络系统，CAN总线具有较好的差错控制能力，可靠性高，高速率长距离的传输特性，完善的规范和协议等优点。另外，CAN总线是多主对等系统，传输采用非破坏总线仲裁技术，具有实时性强、通信硬件接口简单、通信介质选择灵活等特点，成为一种最有竞争力的现场总线之一，广泛应用于汽车、楼宇自动化和工业控制领域。

可选的，在上述的控制系统中，还包括：电池监控系统130，连接网络系统150。通过采用电池监控系统对蓄电池充电过程进行监控，可以及时掌握蓄电池的各项状态信息，在异常状态出现时及时发出报警信号或断开电路，防止意外事故的发生，实现了在充电过程中对蓄电池的有效监控。

可选的，在上述的控制系统中，电池监控系统的处理部分是MCU控制板。电池监控系统对于信息处理的要求不高，采用MCU控制板成本较低，而且性能满足要求，较适合本实施例。

可选的，在上述的控制系统中，电池监控系统连接到网络系统中的RS-485总线。采用RS-485总线进行通信使得信号的抗干扰能力较强，简化了系统的结构，降低了成本。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述实施例的控制系统实现了如下技术效果：

1、在使用了分布式控制系统以后，电源控制、电池监控、控制面板系统等子系统相互独立，通过通信协议进行各个子系统间的命令和数据交流，可以大大提高整个电源系统的灵活性。

2、使用分布式系统，并使用通信协议进行子系统间的控制，可以经受充电过程中的极大干扰考验。

3、由于使用了分布式控制系统，开放性大大提高。便于系统硬件的扩展和系统功能的增加，同时还提供了外界的调用接口。

4、在采用全过程数字处理后，有助于各种智能算法引入充电机系统，大大提高充电机系统的智能化水平。

5、采用实时多任务操作系统可以把充电过程的任务分解成多个进程，每个进程负责管理和实现一项功能，由操作系统统一调度，分配资源，协调各个任务的运行。某一个环节出问题不会导致整个系统的崩溃。而且系统中还可以有一个监控进程，将各个进程的运行情况报告给用户。采用多任务运行方式，某个进程出问题不会影响其它进程的运行，并且出问题的进程还可以通过其它进程予以修复，从而在软件的架构和设计上加以了保证。

图2示出了根据本实用新型的一个实施例的电源控制系统框图，包括：用于向电动汽车充电机的充电机柜提供匹配的充电电流功率变换主电路510、和用于根据充电机柜的充电状态控制功率变换主电路的控制回路520，功率变换主电路连接充电机柜；控制回路连接充电机柜和功率变换主电路。

该电源控制系统通过将功率变换主电路和控制回路相互独立，使得功率变换主电路和控制回路在电池充放电过程中不再相互干扰，因此，电源控制系统的故障率较低。

图3示出了根据本实用新型的一个实施例的电源控制系统结构图。

可选的，在上述的电源控制系统中，功率变换主电路510包括：三相整流模块612，接入三相电源；开关逆变器614，连接三相整流模块612；主变压器616，连接开关逆变器614；整流器618，连接主变压器616；电感器L，连接在整流器618与充电机柜之间。交流输入电压经三相整流模块612滤波后得到一定的直流电压，再通过开关逆变器614将直流电压变换成高频交流电压，然后经主变压器616隔离变压，输出所需的高频交流电压，再经过整流器618，得到需要的高品质直流电压，最后通过电感器L完成功率变换。

可选的，在上述的电源控制系统中，三相整流模块612包括相连接的交流电网滤波电路和输入整流滤波电路。通过这两个滤波电路，可以减小整流后直流电中的脉动成分。

可选的，在上述的电源控制系统中，开关逆变器614用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)实现。IGBT具有开关速度快，安全工作区较大，不易损坏的优点，适合用作开关逆变器。

可选的，在上述的电源控制系统中，控制回路520包括：检测模块622，连接充电机柜，用于采集充电机柜的各种状态并转换成状态信号；保护动作电路624，连接开关逆变器614，用于驱动开关逆变器614的工作；控制器626，其输入端连接检测模块622，其输出端连接保护动作电路624，用于根据检测模块622的状态信号调整保护动作电路624的驱动信号。

铅酸蓄电池的充电电流应小于或等于蓄电池可接受的充电电流。在充电过程中，如果充电电流过大，过剩的电流将以有害的负反应过程——电解水消耗掉。在大量析气的状态下，用于有效充电消耗的电能，还不到总消耗量的10％，这样既延长了工作时间，严重的析气也使正极板腐蚀，损坏了蓄电池。深放电后，过大的热冲击，或充电不足、过充都将严重损坏蓄电池。60年代末期，美国科学家马斯提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受充电电流曲线，充电过程大致分为两个阶段：恒定大电流快速充电阶段和恒定小电流浮充阶段。充电终止控制方法通过分析蓄电池在充足电后，电池的温度和内压都会快速上升，同时电池的端电压开始下降，出现电压负增量。如果此时继续进行快速大电流充电，对蓄电池的损害是显然的。因此，为了保证电池能充足又不过充，必须采取一定的方法来控制充电终止。现阶段采用的终止控制方式很多，关键是对电池荷电状态的正确判断。常用的有定时控制、电池电压负增量控制及电池温度控制等多种方法。在铅酸蓄电池充电装置中，通常采用最高电压控制、电压二次导数控制、定时控制、最小终止电流控制等方法进行充电终止控制。在本实施例中，控制器根据检测模块检测的结果对功率变换主电路的逆变部分的进行PWM(Pulse-Width Modulation，脉宽调制)调节，控制开关逆变器导通、关闭的时间，以达到控制功率变换主电路输出部分电压、电流的大小。

可选的，在上述的电源控制系统中，检测模块622包括：电流传感器6222、电压传感器6224和温度传感器6226。检测模块622把检测到的电流、电压和温度信号送到控制器626，控制器626根据这些信号来采取相应的动作以控制功率变换主电路510对电池的充电过程。

可选的，在上述的电源控制系统中，控制器626包括：控制单元6262；接口单元6264，其输入端连接电压传感器6224和电流传感器6222、以及保护动作电路624，其输出端连接控制单元6262；监控单元6266，其输入端连接温度传感器6226，其输出端连接控制单元6262。根据经接口单元6264输入的电压、电流和温度信号的监测值，控制单元6262采取相应的动作控制保护动作电路624。

可选的，在上述的电源控制系统中，控制单元6262包括：控制芯片62622；接口电路62624，其设置于控制芯片62622和接口单元6264之间，以及控制芯片62622和监控单元6266之间；存储芯片62626，连接控制芯片62622。控制芯片62622通过接口电路62624获得从接口单元6264传来的电压、电流信号以及从监控单元6266传来的温度信号；存储芯片62626用于存储运行在控制芯片62622上的程序及从接口电路62624获得的电压、电流和温度信号数据。

可选的，在上述的电源控制系统中，控制芯片62622是TMS362F2812芯片。TMS362F2812芯片是美国TI公司生产的数字信号处理芯片，可以满足电源控制系统数字化处理及实时性的要求，特别适合用作控制芯片。

可选的，在上述的电源控制系统中，保护动作电路624是PWM(Pulse-Width Modulation，脉宽调制)驱动电路。采用PWM驱动电路可以提高保护动作电路624的可靠性。

图4示出了根据本实用新型一个实施例的电源控制系统的控制器硬件原理图，控制器电路板包括主控电路板、驱动及保护电路板及前端信号处理板三个部分。整个控制单元以TMS320F2812芯片为核心，通过编程和外部电路的配合，实现电动汽车用蓄电池的充电控制，在主控板的PWM输出信号作用下发生驱动信号，能对IGBT的过电流进行3重保护。由于采集下来的电流电压信号中有的是直接从高压回路中通过分压的方式采集得到，容易对微处理器及其扩展储存器数字电路造成干扰，因此用前端信号处理板对采集信号进行预处理，同时也使主控板得到了简化。如附图7所示，电源控制单元包括：

(1)数据采样部分710：通过充电侧电压、电流采样电路7102的霍尔电压、电流传感器以及滤波电路对充电侧的电流、电压信号加以处理，再由A/D采样电路7104进行数字采样。

(2)PWM调制部分720：TMS320F2812根据设定的基准电流、电压值以及上述(1)中采样所得的实际电流、电压值，由PI计算单元7202对实测值与基准值之间的误差信号进行P(比例)、I(积分)运算，得到电压反馈值，并由数模转换器DAC77247204的输出引脚输出，该输出电压作为调制波与PWM控制芯片SG35257206的载波进行比较输出PWM信号，再通过驱动模块EXB8417208对IGBT进行控制，以实现充电端电压、电流的控制。

(3)远程通信部分730：通过CAN(Controller Area Network，控制器局域网)2.0控制器与上位机进行通信，以获取充电机开机命令、紧急停机指令，充电过程中的基准电压、电流值，以及将充电过程中的状态量实时传递到CAN总线上并交由上位机PC友好的显示。

(4)人机界面部分740：该模块通过RS-485总线完成下位机与控制面板系统的通信，为现场操作人员获得各种充电参数和充电开、关机提供了良好的界面。

其中，图4对应于图3中的控制单元6262，图4中的充电侧电压、电流采样电流7102和A/D采样电路704对应于图3中的接口电路20624，图4中的PI计算单元7202对应于图3中的DSP处理器运算控制核心，图4中的数模转换器DAC77247204对应于图3中的数模转换模块，图4中的PWM控制芯片SG35257206对应于图3中的脉宽调制模块，图4中的驱动模块EXB8417208对应于图3中的PWM驱动模块604，图4中的远程通信部分730和人机界面部分740对应于图3中的通信接口模块。

电源控制系统的软件设计作为整个控制系统的主体部分，具有至关重要的作用，是控制的核心环节。利用RTOS(Real TimeOperation System，实时操作系统)内核中C函数对系统初始化，创建充电任务，对充电状态进行判断，并对充电过程的任务进行调度，以及对异常状态进行处理的程序流程。上电以后，程序依次进行，系统初始化、充电任务创建、调取参数等子程序，完成整个主程序的准备工作。随后调用通信程序，读取面板数据，并等待开始充电的指令。开始充电的信号来临以后，根据所选择的策略，调用相应的充电策略程序，进行充电初始判断，正常充电策略控制，异常充电过程保护控制。

整个控制过程采用“循环+中断”的程序结构，对实时性要求不高的CAN通信、RS-485通信发送过程，放在主循环程序中顺序执行，而对实时性要求较高的AD采样过程以及PI计算程序放在中断服务程序中，另因RS-485通信接收数据的随机性，也将其放在中断中加以处理。一旦满足了中断触发条件，相应的子程序将立即得到执行，从而保证了控制的实时性。完成一系列初始化操作后，在主循环程序中进行CAN、RS-485发送过程，以实现经由CAN总线传输的上位机充电控制指令的接收和充电状态量回传和操作员对充电过程现场的控制和监测。

图5示出了根据本实用新型的一个实施例的ADC中断服务程序流程图，包括电压与电流信号采集、PI计算、电压输出三个过程，充电过程分恒流、恒压两个阶段，通过对采样得到的电压、电流值的判断，当电压小于阈值电压时用大电流对电池进行恒流充电，同时电池两测的电压随之变大，当超过阈值电压时改用恒压充电，在恒压过程中当充电侧电流小于终止电流时，充电结束。

ADC中断服务程序包括以下步骤：

步骤S802，进入ADC中断服务程序；

步骤S804，判断充电标志位的值是否为1，当值等于1时，进入步骤S806，否则，转到步骤S818；

步骤S806，读取当前采样值(当前电压和电流值)；

步骤S808，判断当前电流值是否大于终止电流值，如果当前电流值大于终止电流值进入步骤S810，否则，转到步骤S818；

步骤S810，判断当前电压是否小于阈值电压，如果判断值为1则进入恒流充电过程，否则，进入恒压充电过程。

恒流充电过程：

步骤S812，对电流PI参数进行设定；

步骤S814，电流PI计算；

步骤S816，输出DAC7724电压；

步骤S818，中断返回。

恒压充电过程：

步骤S820，对电压PI参数进行设定；

步骤S822，电压PI计算；

步骤S824，输出DAC7724电压；

步骤S826，中断返回。

本实用新型上述实施例给出了一种基于TMS320F2812 DSP芯片控制的全数字化铅酸蓄电池智能充电电源及系统控制方案，实际应用表明，系统满足设计要求，具有良好的性能。能够使充电电动汽车用铅酸电池能够在较高的速率下达到充满状态，又不严重影响蓄电池的寿命。本设计通过对常用的密封式铅酸蓄电池本身的充放电特性、荷电状态以及智能充电装置的研究提出了电动汽车充电机电源控制系统。根据电动汽车用充电机的电路模型参数和电动汽车用动力电池的负载特性，设计了相应的数字采样、滤波算法和数字PID控制器。实验结果证明系统具有较高的调节精度和响应速度，可以满足不同动力电池的复杂充电要求。

本实用新型上述实施例的电动汽车充电机电源控制器系统的优点有：

(1)、采用数字信号处理芯片作为处理器来代替传统的模拟芯片，设计了数字化充电机的控制器，克服了分立元件过多、电路可靠性差、电路复杂等缺点。

(2)、充分利用DSP处理器内部集成资源丰富、改进的总线结构、工作频率高、指令周期短以及强大的数字信号处理功能等特点，使得数字处理系统在智能控制方面具有突出的优点，生成了有限双极性的PWM控制波形，且具有保护、人机交互等功能，并实现了充电机与电动车整车系统的基于CAN总线的通信功能。

(3)、与传统的充电方法相比，本控制系统是在充分考虑了电池充放电特性的基础上来选择充电终止方式的，能够有效地延长电池的寿命并发挥电池的最大效能。

(4)、编制了基于C语言和汇编语言混合编程系统控制软件，不仅具有很高的可读性和可移植性，而且具有高速数据处理和动态调整功能，有很高的实时性和良好的控制功能。实现了控制软件的专业化和智能化。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于电动汽车充电机的电源控制系统，其特征在于，包括用于向所述电动汽车充电机的充电机柜提供匹配的充电电流功率变换主电路、和用于根据所述充电机柜的充电状态控制所述功率变换主电路的控制回路，

所述功率变换主电路连接充电机柜；

所述控制回路连接所述充电机柜和所述功率变换主电路。

2.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，所述功率变换主电路包括：

三相整流模块，接入三相电源；

开关逆变器，连接所述三相整流模块；

主变压器，连接所述开关逆变器；

整流器，连接所述主变压器；

电感器，连接在所述整流器与所述充电机柜之间。

3.根据权利要求2所述的电源控制系统，其特征在于，所述三相整流模块包括相连接的交流电网滤波电路和输入整流滤波电路。

4.根据权利要求2所述的电源控制系统，其特征在于，所述开关逆变器的功能器件是绝缘栅双极晶体管。

5.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，所述控制回路包括：

检测模块，连接所述充电机柜；

保护动作电路，连接所述开关逆变器；

控制器，其输入端连接所述检测模块，其输出端连接所述保护动作电路。

6.根据权利要求5所述的电源控制系统，其特征在于，所述检测模块包括：电流传感器、电压传感器和温度传感器。

7.根据权利要求6所述的电源控制系统，其特征在于，所述控制器包括：

控制单元；

接口单元，其输入端连接所述电压传感器和所述电流传感器、以及所述保护动作电路，其输出端连接所述控制单元；

监控单元，其输入端连接所述温度传感器，其输出端连接所述控制单元。

8.根据权利要求7所述的电源控制系统，其特征在于，所述控制单元包括：

控制芯片；

接口电路，其设置于所述控制芯片和所述接口单元之间，以及所述控制芯片和所述监控单元之间；

存储芯片，连接所述控制芯片。

9.根据权利要求8所述的电源控制系统，其特征在于，所述控制芯片是TMS320F2812芯片。

10.根据权利要求5所述的电源控制系统，其特征在于，所述保护动作电路是PWM驱动电路。

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