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TMS320F2808 DSP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：Directing towards the phenomenon of the battery pack of electric vehicles can not be charged completely for long time, we designed a kind of on-board photovoltaic cell charging device, it can trickle charge to improve the state of charge of the battery pack, and at the same time part of the supplemental battery pack energy to extend the mileage of electric vehicle. This paper uses DSP TMS320F2808 chip as controller core and Boost converter as the hardware design scheme of the main circuit， also completes the main components of the selection and parameter tuning on the design parameters simulation and optimization, and the development of a prototype。 Developing a highperformance algorithms and control strategies, it can not only realize the maximum output power point tracking of photovoltaic cells but also could improve battery charging efficiency。 Test results indicate that the device performance was stable, and has good practicality. It can track the maximum output power of photovoltaic cell with error less than 2， the transformation efficiency reached 85%, the fluctuation range of output voltage and curre nt was less tha n 5%. The device can detect battery groups voltage and charge current to prevent battery overcharge and has overcurrent protection.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张，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，应用范围不断扩大。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 Simuli nk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( Embedded MATLAB)Simulink、RTW (RTW EmbeddedCoder)、Embedded IDE Link 和 TargetSupportPackage 以及开发 DSP 应用程序 的集成开发环境(如用于TI的Code Composer Studio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内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：电池组厂屈加丽期际一I1I光伏电池充电装置匚AH坟龙蚩.电池1fcHJIEV 7.USB旳控耒统I血屮薛CAN息絃DC/DC 变换错图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范围 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Texas Instruments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3.65 V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3 CAN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 (m3)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，输出电压范围为40V60V；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范围、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50C,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5 BOOST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U0和输出电流10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，其内阻很小，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。泊勰舵三W.Om 10.1 m 102m10.4 rr图6 BOOST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改洪匚的TTCW閉蜚救电冒匸一图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和电池组的内阻之和，约为0.1Q。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：5斷二墜窗=lxO.67=2.87A賴jp -jrTJl ax3 气（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2# = 231?=034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100 V,导通电阻为4.5mQoMOSFET驱动和缓冲电路设计MOSFET栅极驱动采用IR2102芯片，其内部有自举电路,栅极驱动电压范围宽（1020V）, 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10Q/2W。图8 MOSFET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100 V,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：DQ_D讥 2L10%P邑%P1TLSK4。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80100C、25200kHz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。064Q，总损耗1。3W,温升18.7C，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Saber Sketch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10V30V 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40V60V之间变化时，占空比的变化范围为0.290.39，在0。5以内。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3o3V和1.8V电源由TPS75733和TPS76801Q 从+5V稳压得到,3。3V模拟电源由AMS11173。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的内部A/D转换器的采样输入只允许03V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03V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的内部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。05Q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O.lpF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,35pm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。f-ivlh刘疊n厂0 f -_-亠九常严雄收进覇r .l I.rUP I I4MHrllhilpI?Y尢巨。七f：醐IA 怎.1 订* JP +r图17软件总体框图