陳小虎，陳息坤

（上海大學機電工程與自動化學院，上海200072）

基于dsPIC33E的電動汽車充電機的研究與設計

陳小虎，陳息坤*

（上海大學機電工程與自動化學院，上海200072）

設計了一種適合于混合動力汽車充電的充電系統(tǒng)，輸入為單相交流市電，為了滿足相應的國家標準和充電機的功能需求，采用了AC/DC和DC/DC相結合的拓撲結構作為充電機的主拓撲，并利用低成本控制器dsPIC33E進行控制。在對上述主電路拓撲的工作原理進行分析的基礎上，給出了部分關鍵參數的設計方法，并分別設計了前后級電路的控制策略。為了防止在后級DC/DC電路輸出模式切換時引起振蕩而設計了一種切換方法。最后在理論分析的基礎上進行了仿真和實驗研究，仿真和實驗結果驗證了所設計的充電機的可行性。實際測試中實驗樣機的輸入功率因數達到98%以上，且能獲得穩(wěn)定性、動態(tài)性良好的輸出。

充電系統(tǒng)；控制策略；輸出切換方法；輸入功率因數；dsPIC33E

傳統(tǒng)燃油汽車排放尾氣造成的污染及其對化石能源的過度消耗帶來的能源短缺問題是當今社會的一個巨大挑戰(zhàn)。以蓄電池和電動機作為動力系統(tǒng)核心部件的電動汽車成為應對這一挑戰(zhàn)的首要方案［5-6］。充電機作為電動汽車的重要基礎支撐系統(tǒng)可以為電動汽車的運行提供能量補給，是電動汽車商業(yè)化、產業(yè)化過程中的重要環(huán)節(jié)。如何實現車載充電機對車載電池組快速無損傷充電是電動汽車投入使用前必須解決的關鍵技術。

本文設計了一種低成本且實用的車載充電機，結構圖如圖1所示。采用交錯并聯Boost電路作為車載充電機的前級AC/DC電路［9］，即可以實現網側高功率因數，又能提高AC/DC電路的效率。為了進一步提高效率，后級電路采用移相全橋ZVSDC/DC電路，輸出恒定電流或者恒定電壓以滿足快速無損充電的功能［2］。

圖1　車載充電機結構框圖

1　交錯并聯Boost電路的分析及設計

本文研究的車載充電機前級電路拓撲如圖2所示，圖中開關管Q1和Q2，二極管D1和D2，電感L1以及電容C1組成車載充電機的前級電路，其中電感L1是實現高功率因數整流的關鍵，直流側電容C1用來濾除高頻紋波以使直流母線電壓穩(wěn)定。

圖2　交錯并聯Boost電路拓撲

1.1交錯并聯Boost電路的工作原理

圖2所示的拓撲結構在市電的正負半波，Q1和Q2組成4種開關模式。在市電正半波時，模式（a）：Q1導通Q2關斷，模式（b）：Q1關斷Q2關斷。在市電負半波時，模式（c）：Q1關斷Q2導通，模式（d）：Q1關斷Q2關斷。暫態(tài)過程如3圖所示。

圖3　交錯并聯Boost電路的工作狀態(tài)

通過對上述4種開關模式的分析，可以得到本文研究的交錯并聯Boost拓撲結構在正負半波分別為兩個相同的Boost變換器，如圖4所示。由Q1、D1、L1、C1等構成市電正半波Boost電路，由Q2、D2、L1、C1等構成市電負半波Boost電路。在市電的正半波，圖4中（a）Boost變換器工作，在市電的負半波，圖4中（b）Boost變換器工作。采用電壓外環(huán)電流內環(huán)控制可以確保輸出直流母線電壓的穩(wěn)定且輸入側高功率因數，滿足諧波限制標準和后級移相全橋 ZVSDC/DC對直流母線電壓的要求。

圖4　等效的Boost電路拓撲結構

1.2交錯并聯Boost電路的電感和電容的參數設計

交錯并聯Boost電路達到穩(wěn)態(tài)后，其輸出電壓穩(wěn)定在Udc。當交錯并聯Boost電路帶有后級負載時，為了使直流母線電壓有一定的穩(wěn)定范圍，交錯并聯 Boost電路的輸出濾波電容應該有合適的值。在一定的負載電流和允許的輸出直流母線電壓脈動要求下，假設在市電周期Ts期間，輸出母線電壓從Udc跌落到Udcmin，輸出功率為Po，濾波電容為C1，則有

根據紋波電壓要求和功率要求來計算選擇所需要的濾波電容的值。

交錯并聯Boost電路中電感工作于電流連續(xù)狀態(tài)，由于電流環(huán)采用滯環(huán)控制方式，設電感的最大峰值電流為ILpeak，最大平均電流為ILmean，紋波電流為ΔiL。一般的情況下載選擇電感時使電感的峰值電流ILpeak=ILmean+ΔiL不大于平均電流的20%。根據上述要求，則開關管導通期間

交錯并聯Boost電路中輸出電壓與輸入電壓的關系可表示為

根據輸入輸出功率守恒有

由式（2）～式（4）可得

當給定了輸出電壓Udc，輸出電流Idc，輸入電壓Us和開關頻率f等指標后，可求出儲能電感值。

1.3交錯并聯Boost電路的控制系統(tǒng)設計

對于交錯并聯Boost電路，采用電壓電流雙閉環(huán)控制方式。一般地，電流環(huán)的基本控制方法有3種，即峰值電流控制，滯環(huán)電流控制以及平均電流控制。綜合對輸入電流的諧波畸變率、直流母線電壓的穩(wěn)定性、穩(wěn)壓精度以及動態(tài)響應性能等幾個方面性能的要求，本文中電流內環(huán)采用滯環(huán)控制方式，而電壓環(huán)則采用PI控制，控制系統(tǒng)的結構框圖如圖5所示。

圖5　交錯并聯Boost電路控制系統(tǒng)結構框圖

直流母線電壓作為外環(huán)，網側交流電流作為內環(huán)。直流母線電壓的采樣值U與給定的參考電壓Uref進行比較，二者的誤差經PI調節(jié)器輸出后，再乘以與電網電壓同相位同頻率的單位正弦電壓sin（ωt），得到一個正弦電流給定指令i*，將電流給定指令i*送入PWM模塊產生SPWM信號，單片機的PWM專用端口輸出的SPWM信號經過模擬二階有源濾波器濾波后得到基準電流加到電流滯環(huán)比較器。電感電流由電流霍爾傳感器來檢測，所檢測的電流經濾波、精密整流等處理后加到滯環(huán)電流比較器，滯環(huán)比較器的輸出端輸出一路PWM信號，根據鎖相信號實現正負半波工作狀態(tài)的切換，滯環(huán)比較器輸出的一路PWM信號分別在正負半波控制交錯并聯Boost電路相應的功率開關器件，從而實現直流母線電壓的穩(wěn)壓和輸入側高功率因數的控制要求。

2　移相全橋DC/DC電路的設計及分析

2.1移相全橋DC/DC電路工作原理

移相全橋軟開關變換器主要利用高頻變壓器的漏感或原邊串聯電感和開關管的寄生電容或外接并聯電容諧振來實現零電壓軟開關，其電路拓撲如圖6所示。Q3、Q4、Q5和Q6是4個功率開關管，D3、D4、D5和D6是4個功率開關管的反并聯二極管，C3、C4、C5和C6是4個并聯電容，Lr是諧振電感，它包括變壓器的漏感和外接串聯的電感，Tr是高頻變壓器，Cf和Lf構成輸出濾波電路。

在每個PWM周期內，每個橋臂的上下兩個開關管均為180°互補導通并留有一定的死區(qū)時間，兩個橋臂的導通角相差一個相位，即移相角，如圖7中的α所示，其中相位超前的開關管Q3和Q4構成超前橋臂，Q5和Q6構成滯后橋臂。通過調節(jié)每個開關周期內移相角α的大小，即可改變輸出電壓的值。

圖6　移相全橋軟開關變換器的電路拓撲

圖7　移相全橋軟開關變換器的主要波形

圖7中Vo的陰影部分是變壓器副邊的占空比丟失的現象。這是移相全橋ZVSDC/DC變換器的一個固有現象，無法消除，但可以通過采用串聯飽和電感的方法和加鉗位二極管的方法等來減小占空比的丟失。

2.2移相全橋DC/DC電路中電感的選取

在設計中，將功率開關管的寄生電容作為諧振電容，在根據功率等級和電路參數的計算選定功率開關管后，查閱相關的DataSheet即可獲取諧振電容的大小。

根據2.1節(jié)的分析可知，諧振電感值的選取對于移相全橋ZVS變換器至關重要。若電感值太小，會造成滯后臂軟開關的失?。蝗綦姼兄堤?，會造成副邊占空比丟失現象更加嚴重，損失更多的效率。若不考慮變壓器的寄生電感，可得

根據輸入電壓和輸出功率即可計算出電感的下限值。

2.3移相全橋DC/DC電路控制策略

車載充電機采用恒流充電和恒壓充電兩種模式，恒流充電時采用電流閉環(huán)和電壓限定控制相結合的算法，恒壓充電時采用電壓閉環(huán)和電流限定控制相結合的算法，如圖8所示。

圖8　移相全橋軟開關變換器的控制策略

車載蓄電池組充電一般采用先恒流充電再恒壓充電的方法。在恒流充電的過程中，車載蓄電池組可以視作一大電容，車載蓄電池組的電壓緩慢上升。當車載電池組兩端的電壓上升至設定閾值時，根據車載電池組的端電壓計算DC/DC電路的控制信號的脈寬，上述計算脈沖寬度的過渡過程持續(xù)數秒之后再切換至恒壓輸出模式。

3　仿真和實驗結果

本文在Matlab/Simulink中構建了充電系統(tǒng)模型來驗證所提出方案的可行性。仿真模型中前級交錯并聯Boost電路采用電壓電流雙閉環(huán)控制，電壓環(huán)采用PI調節(jié)器，電流內環(huán)采用滯環(huán)比較器。后級移相全橋ZVSDC/DC采用單電壓環(huán)和單電流環(huán)實現恒壓恒流充電的功能。系統(tǒng)仿真參數設置如下：單相額定電網電壓幅值Us=311 V，額定電網頻率 fs=50 Hz，直流母線電壓Udc=400 V，變壓器的變比設置為1∶1.4，輸出恒定電壓為Uo=400 V。輸出恒定電流為Io=20 A。負載采用一個大電容代替車載電池組。

圖9（a）給出了輸入電流和電網電壓的波形，輸入電流is與電網電壓Us同頻同相，實現了輸入的高功率因數。圖9（b）給出了前級交錯并聯Boost電路的輸出電壓的波形，輸出電壓很快穩(wěn)定在400 V。圖9（c）給出了移相全橋DC/DC的開關管的管壓降和驅動脈沖的波形，在開關管壓降為零時發(fā)出驅動脈沖實現了零電壓開通，在驅動脈沖關斷后，開關管的管壓降才緩慢上升，實現了零電壓關斷。電池一般是采用先恒流充電再恒壓充電的充電方法，圖9（d）和9（e）給出了輸出電流和輸出電壓的波形，可以看出，由于控制環(huán)路的作用，輸出都很快地穩(wěn)定在給定值處，其中圖9（e）中可以看出切換過程電壓平穩(wěn)，沒有出現震蕩，證明本文中的切換方法是有效的。

在理論分析的基礎上，設計制作了一臺充電機原理樣機。車載充電機的基本參數為：輸入電壓220 VAC（±20%）/50 Hz（±5 Hz），輸出恒定電壓400 V，輸出恒定電流10 A，開關頻率為20 kHz。采用微芯公司的高性能數字信號處理器dsPIC33E同時控制AC/DC和DC/DC兩個變換器。實驗測試的波形如圖10所示，圖10（a）中的電流波形正弦化且與電網電壓波形同相位。圖10（b）是直流母線的分壓電阻上的電壓波形，圖中顯示出母線電壓非常平穩(wěn)。圖10（c）是DC/DC電路中開關管的管壓降和相應的開關管的驅動波形，管壓降的波形進行了10倍的衰減，圖中的波形表明開關管實現了軟開關。圖10（d）是DC/DC電路恒流輸出的電流波形，輸出電流波形平穩(wěn)，滿足輸出精度±5%的要求。

仿真波形和實驗測試波形的對比表明：本文所設計的車載充電機能夠獲得穩(wěn)定的直流母線電壓，同時能夠實現輸入電流波形正弦化和輸入電流波形跟蹤輸入電壓波形，具有較高的功率因數。并且能高效地完成對車載蓄電池組快速無損傷充電的任務。

圖9　仿真波形

圖10　實驗波形

4　結論

在詳細分析車載充電機的兩部分電路工作原理的基礎上，設計了相應的控制策略并針對后級電路輸出模式切換過程中可能出現的問題提出了一種解決方法，最后建立了數學仿真模型并且搭建了實驗平臺。仿真和實驗結果驗證了本文所設計的車載充電機能夠較好的滿足車載蓄電池組的快速無損傷充電的需求，而且其輸出的穩(wěn)定性和動態(tài)性能較好，成本較低適合大規(guī)模生產，為未來車載充電機的推廣使用奠定了很好的基礎。

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陳小虎（1991-），男，漢族，湖北天門人，上海大學機電工程與自動化學院碩士研究生，研究方向為電力電子變換器及其控制技術研究，1043248876@qq.com；

陳息坤（1962-），男，漢族，河南信陽人，上海大學機電工程與自動化學院副教授，研究方向為大功率電力電子變換與控制技術、新型儲能及其變換控制技術、新能源發(fā)電技術等，本文通訊作者，chenxk@shu.edu.cn。

Research and Design of Electric Vehicle Charger Based on dsPIC33E

CHEN Xiaohu，CHEN Xikun*
（Shool of Mechatronic Engineering and Automation，ShangHaiUniversity，Shanghai 200072，China）

A kind of charging system，which is suitable for hybrid vehicle，is designed.The input of the prototype is single phase AC power.In order to meet corresponding national standards and functional requirments of chager，a circuit structure combined with AC/DC and DC/DC is adopted as the primary topology of the chager，and the low cost MCU dsPIC33E is used.The design method of several key parameters and the corresponding control strategies are given based on the analysis of the principle of the main circuit topology which mentioned above.A switching method is presented in order to prevent oscillation caused by the switching of the rear stage DC/DC output mode.Finally，simulation and experiments are implemented based on the theoretical analysis，the simulation and experiments results verify the feasibility of the design of the novel vehicle charger.The actual test input power factor of the prototype is more than 98%，and the good stability and dynamics of the outputs are obtained.

charging system；control strategies；output switching method；input power factor；dsPIC33E

TM912

A

1005-9490（2016）05-1209-06

2015-10-06修改日期：2015-10-26

EEACC:7310Z；836010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.037