李銀銀，劉 楓，王聃軻，羅世唯，劉付洋

（襄陽(yáng)市公共檢驗(yàn)檢測(cè)中心，湖北 襄陽(yáng) 441000）

前言

新能源產(chǎn)業(yè)在2020年列入國(guó)家新基建的重點(diǎn)領(lǐng)域[1-2]，隨著新能源整車數(shù)量的增長(zhǎng)，對(duì)配套充電設(shè)施要求越來(lái)越高。未來(lái)十年，中國(guó)充電樁建設(shè)預(yù)計(jì)存在6300萬(wàn)的缺口[3]，充電站和充電樁數(shù)量不斷增加，國(guó)內(nèi)各個(gè)大中型城市陸續(xù)出臺(tái)了一系列政策和措施建立充電設(shè)施[4-5]，這就要求為充電樁提供配套的質(zhì)量保證。目前電動(dòng)汽車充電設(shè)備檢測(cè)試驗(yàn)規(guī)范對(duì)充電樁的測(cè)試電源要求在±5%的偏差[6]，目前市場(chǎng)上充電樁普遍使用三相交流變頻電源[7-8]，比如艾諾儀器的120 kW的ANFC120T，這些電源需要把三相電網(wǎng)的電壓整流為直流后通過SPWM變頻控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三相正弦波變頻輸出逆變成三相交流信號(hào)[9]。但該類設(shè)備需要全功率負(fù)荷輸出，重量大，價(jià)格高，以艾諾儀器的120 kW的ANFC120T為例[10]，其重量達(dá)970 kg，價(jià)格十萬(wàn)計(jì)，對(duì)于工業(yè)上的使用不便且成本較高。因此研發(fā)出一種具有體積小，重量輕，成本低的充電樁測(cè)試電源的裝置對(duì)新能源汽車充電樁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

本文基于數(shù)字調(diào)節(jié)增量補(bǔ)償原理[11]，設(shè)計(jì)了一種充電樁測(cè)試電源方法和相應(yīng)的裝置，該裝置只需要控制增量部分的能量，就實(shí)現(xiàn)了±0.5%的偏差，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)實(shí)用化前景。

1 測(cè)試電源結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)

如圖1所示，要是實(shí)現(xiàn)220 V±15%的電壓穩(wěn)定輸出，主 要靠增量補(bǔ)償控制輸出模塊和測(cè)量電路模塊和算法控制處理模塊，通過實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)控制增量補(bǔ)償控制輸出模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，增量補(bǔ)償控制輸出模塊由數(shù)字同步跟蹤放大器、開關(guān)功率放大器和功放開關(guān)電源組成，構(gòu)成了一個(gè)可以通過SPORT通信實(shí)時(shí)控制的數(shù)字增量補(bǔ)償控制器。測(cè)量電路模塊由電壓互感器、AD轉(zhuǎn)換電路7、參考電壓ADR441B等組成，構(gòu)成了對(duì)電壓輸出L1_O、L2_O、L3_O到N的精確測(cè)量。算法控制處理模塊主要由BF609芯片及其外設(shè)8組成。具體為，假如設(shè)定值為220 V，經(jīng)過測(cè)量電路測(cè)量的電壓不足（比如219 V），則差壓－1 V，算法控制處理模塊會(huì)在100 ms類通過增量補(bǔ)償控制輸出模塊增加1 V的電源輸出，保證輸出值設(shè)定在220 V。具體的數(shù)字同步跟蹤放大器同步跟蹤電網(wǎng)的輸入信號(hào)，同時(shí)通過BF609芯片及其外設(shè)8對(duì)數(shù)字同步跟蹤放大進(jìn)行數(shù)字動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)功率放大器的輸出動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，保證開關(guān)功率放大器輸出和N端的電壓是穩(wěn)定可調(diào)的。 開關(guān)功率放大器的實(shí)際輸出能量值為功放輸出值L1_O和電壓輸出值L1的差壓，實(shí)現(xiàn)了用較小的功率放大器，輸出高穩(wěn)定度的可調(diào)電壓源。

圖1 充電測(cè)試裝置整體結(jié)構(gòu)框圖

（1）交流供電插座1為連接到三相電網(wǎng)的插座 200 A。

（2）交流供電插座2為本測(cè)試電源的輸出插座 200 A。

（3）電源模塊14采用±15 V和5 V輸出的開關(guān)小電源，電流輸出2A。

（4）電壓互感器6a、6b、6c 采用0.02級(jí)的電壓互感器，電壓互感器的變比為220:1，也就是220 V的電壓輸入，二次輸出1 V，帶負(fù)載能力為5 mA。

（5）電源變換器11為5轉(zhuǎn)3.3 V的線性穩(wěn)壓模塊，把5 V的電源轉(zhuǎn)換為3.3 V供BF609和AD轉(zhuǎn)換器使用，使用固定電壓輸出的芯片REG1117F-3.3轉(zhuǎn)換。

（6）電源變換器12為5轉(zhuǎn)1.8 V的線性穩(wěn)壓模塊，把5 V的電源轉(zhuǎn)換為1.8 V供BF609和AD轉(zhuǎn)換器使用，使用固定電壓輸出的芯片REG1117F-1.8轉(zhuǎn)換。

（7）參考電壓13 由芯片ADR441B輸出2.5 V的電壓值，溫度漂移優(yōu)于3 ppm。

（8）AD轉(zhuǎn)換電路7采用24BIT的8個(gè)通道嚴(yán)格同步 sigma-delta AD轉(zhuǎn)換器ADS1278，積分誤差典型值為：±0.0003%，最大采樣率128KSPS。

（9）BF609芯片及其外設(shè)8，由ADI公司的BF609芯片及其外設(shè)構(gòu)成，芯片內(nèi)置了大量的外設(shè)，包括2個(gè)SPI接口、3個(gè)SPORT口、16個(gè)通用IO口、AMC接口（異步存儲(chǔ)接口）等，256MBYTE DRAM、用于完成本發(fā)明的核心算法、任務(wù)調(diào)度及顯示和輸入等。

（10）顯示LCD液晶顯示模塊，直接由BF609芯片及其外設(shè)通過AMC接口驅(qū)動(dòng)顯示。

（11）鍵盤為簡(jiǎn)易鍵盤，共6個(gè)鍵盤輸入到處理器BF609芯片及其外設(shè)的6個(gè)IO上。

（12）功放開關(guān)電源3a/3b/3c。

（13）開關(guān)功率放大器4a/4b/4c。

（14）數(shù)字同步跟蹤放大器5a/5b/5c。

1.2 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 功放開關(guān)電源設(shè)計(jì)

（1）功放開關(guān)電源為定制的開關(guān)電源，如圖2，用于給開關(guān)功率放大器4a/4b/4c供電，也可以多種規(guī)格市場(chǎng)上單獨(dú)的開關(guān)電源并聯(lián)使用。

圖2 功放開關(guān)電源設(shè)計(jì)圖

（2）PVDD：輸出為68 V 最大電流為200 A，用于給開關(guān)功率放大器直接驅(qū)動(dòng)電源。VDD：芯片工作電源12 V，5 A。

（3）DVDD：數(shù)字邏輯電源3.3 V，5 A。

（4）AVDD：模擬電源7 V，5 A。

1.2.2 開關(guān)功率放大器設(shè)計(jì)

開關(guān)功率放大器如圖3所示，把小信號(hào)電壓變換為大電流的功率放大輸出，由20個(gè)D類功率放大器并聯(lián)輸出，一個(gè)D類功率放大器最大可以提供10 A，44 V的電壓輸出。功放的輸入最大值為±3.9 V。D類功率放大器如圖 4所示，主要由TI的TPA3255300、濾波電感 301a、301b以及其他耐壓為80 V的電容以及1%準(zhǔn)確度的電阻組成。其核心器件為 TI公司的D類功率放大器TPA 3255，采用PBTL配置，把315 W的兩個(gè)通道合并為一個(gè)600 W的輸出通道，最大可以輸出44 V的交流電壓，輸入最大值為±3.9 V，效率可以達(dá)到90%左右。濾波電感 301a、301b的電流為20 A。

圖3 開關(guān)功率放大器設(shè)計(jì)圖

圖4 D類開關(guān)功率放大器設(shè)計(jì)圖

1.2.3 數(shù)字同步跟蹤放大器設(shè)計(jì)

數(shù)字同步跟蹤放大器5、由電壓互感器 501 AD5545 DA轉(zhuǎn)換模塊502、AD8620運(yùn)放 503、AD8620運(yùn)放504以及電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成一個(gè)單極轉(zhuǎn)雙極的輸出電路。電壓互感器 501的變比為 220:2.75，也就是220 V的電壓輸入，輸出2.75 V的電壓輸出。

D8620運(yùn)放503、AD8620504以及電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成一個(gè)單極轉(zhuǎn)雙極的輸出電路。也就是可以實(shí)現(xiàn)反向輸出，假如電網(wǎng)電壓為220 V，設(shè)定輸出為200 V，這是通過這個(gè)單極轉(zhuǎn)雙極電路，可以實(shí)現(xiàn)-20 V的電壓輸出。

AD5545502 通過SPORT接口接收來(lái)自BF609及其外設(shè)的設(shè)定數(shù)值D。

Vin為電壓互感器501的二次輸出值，默認(rèn)為2.75 V，峰峰值2.75 V×1.414=3.89 V

D為16Bit的無(wú)符號(hào)數(shù)值其值為0～65535。

當(dāng)D的值小于32768時(shí)候，Vs的相位和Vin的相位相反，可實(shí)現(xiàn)把電網(wǎng)的電壓通過開工功率放大器變小的目的。

當(dāng)D的值大于于32768時(shí)候，Vs的相位和Vin的相位相同，可實(shí)現(xiàn)把電網(wǎng)的電壓通過開工功率放大器變大的目的。

圖5 數(shù)字同步跟蹤放大器設(shè)計(jì)圖

2 充電樁測(cè)試電源裝置的工作過程

充電樁測(cè)試電源裝置的具體工作過程如圖6中所示。

圖6 充電樁測(cè)試電源裝置工作步驟

步驟一：通過鍵盤KEY 10手動(dòng)輸入電源輸出設(shè)置值Vset（單位V，浮點(diǎn)存儲(chǔ)）。也就是要測(cè)試的電源電壓值，一般為220 V，當(dāng)測(cè)試輸入過壓保護(hù)試驗(yàn)，設(shè)置為220×1.15= 253 V，當(dāng)測(cè)試輸入欠壓保護(hù)試驗(yàn)，設(shè)置為220×0.85= 187 V。

步驟二：BF609芯片及其外設(shè) 8，通過AD轉(zhuǎn)換電路 7采集并計(jì)算輸出的電壓值Vm（單位V），由于AD為24Bit的AD，采樣值要乘以一個(gè)比例并按浮點(diǎn)數(shù)保存為單位為V的浮點(diǎn)值。

步驟三：BF609芯片及其外設(shè) 8，計(jì)算差壓Ve=Vm-Vset。

步驟四：把差壓Ve乘以系數(shù)K。（本發(fā)明K取100），得到的16位有符號(hào)數(shù)deltaD=INT（Ve·K）。設(shè)數(shù)字同步跟蹤放大器的上一次數(shù)字值為Di-1，則本次設(shè)定值Di=Di-1+ deltaD；把Di通過SPORT1、2、3口輸出到數(shù)字同步跟跟蹤放大器上。

數(shù)字同步跟蹤放大器的數(shù)字值和Di關(guān)系如公式1所示。

Vs=（D/32768-1）Vin；

Vin為電壓互感器 501的二次輸出值，默認(rèn)為 2.75 V，峰值為：2.75 V×1.414=3.89 V。

D為16Bit的無(wú)符號(hào)數(shù)值其值為0～65535。

當(dāng)D使用有符號(hào)數(shù)表示時(shí)，剛好是大于32768的值時(shí)為負(fù)值。

當(dāng)Ve為負(fù)值時(shí)候，應(yīng)該補(bǔ)償為正值，代入公式1，進(jìn)行補(bǔ)償。

K值為關(guān)鍵，K取值大，調(diào)整速度快，但是容易超調(diào)，降低輸出穩(wěn)定度。

K取值小，調(diào)節(jié)穩(wěn)定，但是調(diào)整速度慢。本發(fā)明取100，計(jì)算窗口時(shí)間為100 ms，假如差壓為最大值33 V，則33× 100=3300，輸出最大值為32768，大概需要10個(gè)循環(huán)就可以控制到接近設(shè)定值，10個(gè)循環(huán)的時(shí)間為100 ms×10=1 s，可以滿足調(diào)節(jié)速度要求。假如差壓很小，比如0.5 V，這可以在100ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，保證源輸出的穩(wěn)定度，取K值為100，兼顧了快速調(diào)節(jié)和穩(wěn)定性。

正常輸出情況下，步驟二到步驟四會(huì)一直循環(huán)運(yùn)行，開關(guān)功率放大器能夠?qū)崟r(shí)補(bǔ)償電源的波形，輸出穩(wěn)定的電壓。電壓輸出的穩(wěn)定度依賴步驟二、到步驟四的運(yùn)算時(shí)間和K值大小。測(cè)試電源的準(zhǔn)確度依賴于AD轉(zhuǎn)換電路7和參考電壓 ADR441B的準(zhǔn)確度。

步驟五：判斷是否有鍵盤輸入進(jìn)行人工退出，回到步驟二，重復(fù)執(zhí)行，有人工退出，結(jié)束輸出。

3 充電樁測(cè)試電源裝置的工作原理

電壓互感器6a、6b、6c，把三相交流電壓信號(hào)縮小了原來(lái)的1/220倍后輸入到AD轉(zhuǎn)換電路7的三個(gè)通道上， BF609及其外設(shè)8控制AD轉(zhuǎn)換電路7以12.8KSPS的采樣率連續(xù)不斷的采集電壓波形值，計(jì)算電壓幅值，并與設(shè)定值比較，其差值通過SPORT123口輸出到數(shù)字同步跟蹤放大器5上，控制開關(guān)功率放大器4輸出和設(shè)定值一致。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字調(diào)節(jié)增量補(bǔ)償?shù)某潆姌稖y(cè)試電源方法、裝置，可實(shí)現(xiàn)充電樁測(cè)試要求的測(cè)試電源。設(shè)計(jì)的裝置有相比于現(xiàn)有設(shè)備有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）該測(cè)試電源只補(bǔ)償增量部分（可正反方向），當(dāng)增量最大在±15%的時(shí)候，開關(guān)功率放大器實(shí)際輸出功率只有滿量程功率輸出的大約15%，體積和重量和成本只有原先的 1/15左右，而對(duì)充電樁試驗(yàn)使用的電源只需要在額定值的±15%范圍就可以滿足所有的測(cè)試項(xiàng)目，并不需要電源從0開始輸出到最大值。

（2）該裝置使用了高準(zhǔn)確度的AD轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字同步跟蹤放大器，可實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的情況快速調(diào)節(jié)開關(guān)功率放大器的輸出，保證測(cè)試電源的準(zhǔn)確穩(wěn)定輸出。

（3）該測(cè)試電源使用TI公司高性能的D類功率放大器（效率可到90%），由于功放的供電電壓大大減低，使得重量和成本更加優(yōu)化，一個(gè)開關(guān)功放模塊包括濾波電感和電容以及散熱器不足0.5公斤，該裝置三相電源需要 20×3=60個(gè)，功放的重量大約30公斤，相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)試電源數(shù)百斤或上噸的重量大為減少，且低壓功放的成本非常低，D類功率放大器TPA3255的價(jià)格大約4美元一片，加上電容、電感、散熱器，一個(gè)10 A44 V的模塊的成本不足500元。整套裝置的成本不足1萬(wàn)元，相對(duì)于原先的三相變頻測(cè)試電源價(jià)格更加低廉。