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1、电动汽车非车载快速充电系统刘寒冰，张亚娟，王照平(黄河科技学院信息工程学院，郑州450063)摘 要：为了满足电动汽车快速充电需求，设计了一款大功率非车载电动汽车充电系统.系统采用较为先进数字 控制技术、电力电子器件、控制部件、PWM控制方法、参数与积分分离相结合的PI算法，并附加各种控制、保 护和通讯电路，实现电动汽车的智能充电功能，并达到了输出大电流、高电压的技术指标，满足了电动汽车的快 速充电要求,对电动汽车的普及具有一定的推动作用.关键词：电动汽车；大功率；充电系统；PWM控制方法;PI算法Non-Vehicular Fast Charger System for Electric V
2、ehiclesLIU Han-Bing, ZHANG Ya-Juan, WANG Zhao-Ping(Department of Computer Science, Huanghe Science & Technology College, Zhengzhou 450063, China)Abstract: A high power non-vchicukw charging system is designed in order to meet the demand of the electric vehicle fast charging In this system, advanced
3、digital control technology, electronics power switching and controlling technology, PWM control method and the Pl algorithm combining parameter and integral separation arc applicd And this system also concludes the components of various electric circuits of control, protection and communication to r
4、ealize the intelligent charging function for electric vehicle The experimental results indicate that the charging system can output high current and high voltage, so that it can meet the fast charging requirement of electric vehicle and play a key role in the popularity of electric vehiclesKey words
5、: electric vehicle; high power; charger system; PWM control method; proportional integral algorithm随着我国电动汽车的快速推广应用，全国各地也 纷纷建立了电动汽车充电设施.2009年11月，上海漕 溪电动汽车充电站通过专家验收，这是国内首座电动 汽车充电站；2009年12月底，深圳正式投入使用两座 电动车充电站和134个充电桩;201()年3月，唐山南湖 电动车充电站也正式运营，这是国家电网系统的第一 座大型电动车充电站.为适应电动汽车的快速发展, 2010年以来，从沿海到内地，以北京和浙江为代表
6、的 将近20个省市也建立了电动汽车充电站.随着2013 年充电站市场政策放开，国家电网逐渐开放充电站市 场运营，充电站市场将更加市场化mo 般情况下, 一个充电站主要由充电系统、供电系统、监控系统及 其他辅助设施组成.具中，充电系统主要包括充电桩 和充电机，是充电站的核心部分通过对市场的调 研，冃前国内的电动汽车充电站主要以慢速充电为主, 这种状况显然和国内如火如荼的电动汽车市场不相符.基 于上述原因，本文设计了一款大电流、高电压的大 功率非车载电动汽车快速充电系统，以满足当前电动 汽车快速发展的需要.1系统工作原理本系统主要有两部分构成：非车载充电设备和充 电监控系统.系统与电动汽车的连接如
7、图1所示.图1充电装置与电动汽车的连接示总图非车载充电设备.是指固定安装在电动汽车外， 为电动汽车动力电池提供直流电能的充电机和直流充电 桩.非车载充电设备直接输出直流电能给车载动力 蓄 电池充电，电动汽车只需提供通信及充电相关接口，与 交流充电设备相比，它充电功率大，充电时间较短.充 电时，不耍求电池完全充满，只婆满足续航需耍就可 以了，要求充电20分钟至30分钟内，使充电电池的 电 量达到50%至80%以上.充电监控系统：嵌入在直流充电桩内，是整个系 统的控制核心，具备对充电设备运行状态的综合测控 和保护能力，如运行状态监测、故障状态监测、充电 计量和充电过程的联动控制、短路保护、过流保护
8、等; 具备过/欠压报警、充电接口的连接状态判断等功能; 设置IC卡读写器，支持IC卡付费方式，并配置打印机, 提供票据打印功能；提供完善的通讯功能，可根据需 要上传充电桩的运行状态参数,接受远程控制命令.2系统设计本系统中采用较为先进的电力电子功率开关器 件、控制器件和先进的控制技术，实现电动汽车快速、 安全充电功能，达到输岀大电流、高电压的技术指标. 2.1直流充电机设计直流充电机是采用高频开关转换技术将从电网中 输入的交流电能经过多重变换，输出满足电池充电要 求的直流能量巴2.1.1硬件设计因为直流充电机充电功率大，在充电过程中会产 生高次谐波，影响供电质量，干扰同连接点的充电用 户，影响
9、站内充电设备的正常运行，严重时会烧毁相 关设备懊.因此，在直流充电机设计中要考虑谐波抑 制.木设计选择的充电机由高频隔离DC/DC变换器 和IGBT组成的三相电压型PWM整流器共同组成，其 典型逻辑结构框图如图2所示.g5图2 PWM整流与DC/DC变换充电机逻辑结构图这类PWM整流电路的交流侧电压与电流间相角 几乎为零，且电压电流和波形畸变较小.因此，采用 PWM新式整流充电机，可以减少电动汽车在充电过 程中产生的谐波分量值，有效提高电网运行电压稳定 性和供电电能综合质量水平图3给出了充电机充电模块的原理框图.该模块 主要由功率变换主电路、输入输岀保护电路、采样与 控制电路、均流和通信电路儿
10、个部分组成.本节主耍 介绍功率变换主电路设计和控制电路的设计方案.图3充电模块的原理框图(1)功率变换主电路设计 功率变换主电路设计采 用文献12中的设计思想.采用半桥LLC串联谐振电路，如图4所示.QIE心Lr +Q2E环纠DlD225D3 2i D42i+图4功率变换主电路图图4中，Um为三相输入整流后的直流电压值，Uo 为充电模块输出直流电压，输出整流二极管型号为 DESI60-10A.该电路拓扑结构简单，关断电流小，变 换效率高.因此，LLC串联谐振DC/DC变换器能获得 很高的效率及良好的电磁兼容性能，在直流充电机设 计中得到广泛的应用.(2)控制电路设计充电机充电模块的核心控制部件
11、 是 DSP, DSP 的工作原理是根据直流侧电流反馈、温度采样、电压反 馈情况以及上位机给定的电压、电流，计算产生功率所需的SVPWM波形，同时根据外部控制信号以及内 部和外部的异常信号产生相应的保护动作.为了实现 充电控制和空间矢量运算，本设计中采用专为数字控 制系统应用的TMS320F28335 DSP芯片.其内部具有 两个事件管理器(EV),每个EV模块都含有极为简化 的产生对称空间矢量PWM波形的内置帀更件电路，以 及内置的A/D、RAM等，从而外部电路非常简单I. 具体电路如图5所示.Vteru Vkfii MBOOAHI02MBOdMB05PIE/IOPU pre/iop HTB
12、J/IOFa nrr/wpE PIB/IOPCTTTOITI123耳 12dXTALl/CUBXTAI2lid115辿一辽 皿Vdo29/50/%/1294/42/67/7T/14128/W/i2B3/e(k) + 人工 ()(1)=o其增量表达式为：A” 伙)=Kgk )-e(k-l)+K, e(k)(2)式和式中，锹)为第R次采样时的偏差值， a伙J)为第k-次采样时的偏差值,心为比例系数,K, 为积分系数.传统的PI调节器，在控制过程中心和K为常数, 不能实现蓄屯池的分级恒流充电，因此，需要根据充 电情况对Kp和K/进行相应的调整，调整规则是：偏差 锹)增大时，适当减小Kp值,以防止超调
13、，e伙)减小时, 要增大Kp值，以提高系统响应速度；K主要是消除稳 态误差，K的值越大，误差消除能力越强但在易岀现 积分饱和及调节超调量增加的现象，为此，要求K在 误差大时为零，以消除积分饱和现象.根据上述变参数的控制规则，该系统采取变参数 与积分分离相结合的PI算法调节逆变桥的驱动脉宽. PI调节原理图如图7所示.图7 P1调节原理图其控制思想是根据充电电流误差幺伙)的正、负及上升、下降趋势，将反馈电流一个周期的波动分为4 个区I可：0仃，/2, “/3, ：3 0;当| e(k) | 时,去掉积分环节,当| e(k) | 0 j=：（3）K/伙）+Y 社心）,鍬）&w0 I7=0仃 | e（k） 变参数积分分离PI算法实现的程序流程图如图8 所示.2.2直流充电桩设计直流充电桩是充电机为电动汽车快速充电的辅助 设备，提供充电接口、人机接口等功能，对电动汽车的 充电进行控制.2.2.1硬件设计硬件系统主要由主控板、监控板、触摸屏、IC卡读写器、直流电表、小型打印机、
