打印

基于TMS320F2808电动汽车车载光伏充电系统设计与实现

[复制链接]
2371|15
手机看帖
扫描二维码
随时随地手机跟帖
跳转到指定楼层
楼主
biechedan|  楼主 | 2013-4-25 12:30 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

摘要

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电保护,人性化的人机交互平台,有很强的实用性。

3. 系统方案3.1 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:

图1电动汽车光伏车载充电总成系统

光伏电池模块: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。


相关帖子

沙发
biechedan|  楼主 | 2013-4-25 12:31 | 只看该作者

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。

图3 CAN通讯系统

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40V-60V;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:

1) 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50℃,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。

2) 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。

3) 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。


使用特权

评论回复
板凳
biechedan|  楼主 | 2013-4-25 12:31 | 只看该作者
4.1 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UO和输出电流IO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。

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0.1Ω。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


使用特权

评论回复
地板
biechedan|  楼主 | 2013-4-25 12:32 | 只看该作者
4.2 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:

                 (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100V,导通电阻为4.5mΩ。

4.3 MOSFET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(10~20V),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10Ω/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100V,实线为加了缓冲电路后的波形,其尖峰明显减小。


使用特权

评论回复
5
biechedan|  楼主 | 2013-4-25 12:32 | 只看该作者
4.4 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:

               (4.3)

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80~100℃、25~200kHz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0.064Ω,总损耗1.3W,温升18.7℃,磁通密度峰值0.28T,小于饱和磁通密度0.5T。

4.5 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


使用特权

评论回复
6
biechedan|  楼主 | 2013-4-25 12:32 | 只看该作者
4.6 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10V~30V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40V~60V之间变化时,占空比的变化范围为0.29~0.39,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3.3V和1.8V电源由TPS75733和TPS76801Q从+5V稳压得到,3.3V模拟电源由AMS1117-3.3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


使用特权

评论回复
7
biechedan|  楼主 | 2013-4-25 12:32 | 只看该作者
4.7 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0~3V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0~3V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0.05Ω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。

4.8 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


使用特权

评论回复
8
biechedan|  楼主 | 2013-4-25 12:33 | 只看该作者
5. 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。

图17软件总体框图

5.2系统主程序

系统主程序流程图如图18所示,主要包括对初始化、AD转换、MPPT、CAN通信、PI调节、欠压保护等子程序的调用。

图18主函数流程图


使用特权

评论回复
9
biechedan|  楼主 | 2013-4-25 12:33 | 只看该作者
5.3系统子程序

① 初始化模块

初始化模块包括系统初始化、ADC模块初始化、GPIO初始化、定时器初始化、CAN模块初始化以及PWM模块初始化。

② ADC模块

AD采样模块完成对测量数据的采样和处理工作,为PI调节和MPPT算法做好准备工作。ADC模块流程图如图19所示。

③ 最大功率点跟踪(MPPT)模块

图20为最大功率跟踪算法的流程图,即控制电路所采用的电流寻优爬坡算法。流程图中的I(n)表示当前时刻的电流值, I(n-1)表示前一时刻的电流值;D(n)表示当前时刻的占空比;D(n-1)表示前一时刻的占空比;ΔD表示占空比增量,是一个正数。在流程中,对测量信号采样时,每次测量一个信号要进行多次采样,将采得的数据按大小排序,只取中间的值,保证采样的准确性。

图19  ADC模块流程图                      图20 最大功率跟踪流程图

④ PI调节模块

PI调节模块流程图如图21所示,该PI调节模块采用增量式PI控制算法。Ug为设定的恒压充电电压,U为电池组的充电电压。将两者之差送入增量式PI环节,输出再经过限幅,得出占空比。把功率曲线分成两段才能用PI控制算法,而在PI控制环节中,不能实时跟踪最大功率,所以采用恒定电压法来大至确定最大功率点时刻的占空比,以此来确定占空比的上限。

⑤ CAN通信模块

电动汽车电池系统是由16节磷酸铁锂动力电池串联组成,由于单节电池存在不一致性,在串联充电过程中,各单节电池电压、温度、SOC(荷电状态)也存在分散性。所以必须时刻检测每节电池的电压、温度等参数信息。防止单节电池出现过充现象。


使用特权

评论回复
10
biechedan|  楼主 | 2013-4-25 12:33 | 只看该作者

CAN通信模块流程图如图22,先通过CAN总线向电动汽车电池管理系统发送单节电池电压数据请求,然后等待响应,再接收数据。

图21 PI调节模块流程图                 图22 CAN通信模块流程图

⑥ 输入欠压保护模块

输入欠压保护流程图如图23所示。输入欠压护模块主要针对光伏电池在弱日照情形下,光伏电池输出功率太低,此时系统进入保护状态,停止对磷酸铁锂动力电池充电,并进入低功耗模式。当光伏电池开路电压恢复时,系统自恢复,进入工作状态。


使用特权

评论回复
11
biechedan|  楼主 | 2013-4-25 12:34 | 只看该作者

断模块

定时器主要用来产生一个固定周期的计时基准,用来控制采样周期等。

                  

图23 输入欠压保护流程图                       图24 Time中断服务程序流程图


使用特权

评论回复
12
SLEET1986| | 2013-4-25 14:14 | 只看该作者

使用特权

评论回复
13
biechedan|  楼主 | 2013-4-25 14:36 | 只看该作者
SLEET1986 发表于 2013-4-25 14:14

???怎么?

使用特权

评论回复
14
gygp| | 2013-4-25 15:06 | 只看该作者
说的额不错,就是有点不太实用的。

使用特权

评论回复
15
lark100| | 2013-4-25 23:33 | 只看该作者
xuexi

使用特权

评论回复
16
HORSE7812| | 2013-4-26 10:43 | 只看该作者
mark

使用特权

评论回复
发新帖 我要提问
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

294

主题

7936

帖子

12

粉丝