电动汽车车载光伏充电系统设计与实现.docx

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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TMS320F2808DSP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：

Directingtowardsthephenomenonofthebatterypackofelectricvehiclescannotbechargedcompletelyforlongtime,wedesignedakindofon-boardphotovoltaiccellchargingdevice,itcantricklechargetoimprovethestateofchargeofthebatterypack,andatthesametimepartofthesupplementalbatterypackenergytoextendthemileageofelectricvehicle.ThispaperusesDSPTMS320F2808chipascontrollercoreandBoostconverterasthehardwaredesignschemeofthemaincircuit,alsocompletesthemaincomponentsoftheselectionandparametertuningonthedesignparameterssimulationandoptimization,andthedevelopmentofaprototype.Developingahigh-performancealgorithmsandcontrolstrategies,itcannotonlyrealizethemaximumoutputpowerpointtrackingofphotovoltaiccellsbutalsocouldimprovebatterychargingefficiency.Testresultsindicatethatthedeviceperformancewasstable,andhasgoodpracticality.Itcantrackthemaximumoutputpowerofphotovoltaiccellwitherrorlessthan2%,thetransformationefficiencyreached85%,thefluctuationrangeofoutputvoltageandcurrentwaslessthan5%.Thedevicecandetectbatterygroup´svoltageandchargecurrenttopreventbatteryoverchargeandhasover-currentprotection.

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，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Simulink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（EmbeddedMATLAB）、Simulink、RTW（RTWEmbeddedCoder）、EmbeddedIDELink和TargetSupportPackage以及开发DSP应用程序的集成开发环境（如用于TI的CodeComposerStudio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：

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TexasInstruments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3.65V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3CAN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（m>3）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：

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。

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5BOOST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6BOOST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。

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。

MOSFET驱动和缓冲电路设计

 MOSFET栅极驱动采用IR2102芯片，其部有自举电路，栅极驱动电压围宽（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8MOSFET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。

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。

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SaberSketch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，占空比的变化围为0.29~0.39，在0.5以。

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

电压、电流检测电路

 由于DSP的部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。

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0.1μF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，35μm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。

图17软件总体框图