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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 1 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 题 目： 电动汽车车载光伏充电系统设计与实现1. 摘要 和模块集 Blocksets 广泛应用于技术运算、掌握系统设计、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 ,从理论科学争论到产品研发 ,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 Embedded MATLAB 、Simulink 、 RTW RTW Embedde
2、dCoder 、Embedded IDE Link和 TargetSupportPackage以及开发 DSP 应用程序的集成开发环境 如用于 TI 的 Code Composer Studio 集成开发环境 构建的 DSP 软件系统综合开发平台 ,采纳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、代码及工程生成、代码验证以及在线调试等在内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；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、车载外表车载操作系统）、CAN 总线、 USB-CAN适配器、
3、电池治理系统；系统框图如图1所示：2 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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 电机掌握器的欠压爱护动作值）,光伏电池充电装置的输出电压范畴为 44.8V 到 58.4V 之间；单节电池分别配备了单节电池治理系统,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：依据车顶尺寸选用 GSM75 规格的两块光伏电池,其在 100
4、0W/m 2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,故挑选 BOOST 升压直流变换器作为主电路,其结构简洁,转换效率高上网本,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；3.2 磷酸铁锂动力电池组充电掌握策略探讨光伏系统中电池组的充电方法,
5、依据电池容量的多少及电池端电压的大小,使充电过程依据最大功率充电、恒压充电和浮充电三个阶段进行；该充电掌握策略综合了恒流充电快速、准时补偿磷酸铁锂动力电池电量、恒压充电能够掌握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3.65 V 时充电截止电压为3.65V ）,采纳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,采纳非最大功率跟踪算法 =3.65V？NMPPT算法返回图 2 充电掌握策略流程图CANH120CAN 通信120CANLCAN 收发器 CAN 收发器CAN 收发器单节电池单节电池监控单元治理系统治理系统主掌握
6、板电池 1电池 16串口通信上位机 CAN 收发器光伏电池充电装置图 3 CAN通讯系统本流程中,对测量信号采样时,采纳数字滤波,保证采样的精确性；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成效；将充电电流信号的连续mm3 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 通迅网络猎取,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 总线发送到总掌握器单元；光伏电池充电装置通过CAN 总线向总掌握器发送单节电池电压数据恳求,再通过 CAN 通讯系统如图 3 所示；4.
7、系统硬件设计本系统设计并制作一个光伏电池充电装置,输出电压范畴为CAN 总线接收单节电池电压,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%；能够输出稳固的电压和电流,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爱护；系统工作原理图如图 4 所示；4 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 4 电动汽车用光伏车载充电工作原理图硬件设计主要绽开了以下争论：1 变换器主电路参数的设计与器件选型；依据太阳能电池的输出电
8、压范畴、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掌握电路参数,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,保证开关器件精确的开断使其稳固运行而 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、电压是判定
9、电池组的剩余容量的标准；设计精确的检测电路,使检测值的误差小于 流表校正；4.1 BOOST 电路的改进5%,并用高精度的电压、电基本的 BOOST 变换器由开关器件 K 1、储能电感 L 1、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,+EIin+C1L1K 1D1C2+IoRLU o +-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 L 1 中能量削减,其电流也减小；稳
10、态时,如储能电感 L1 足够大,就输入电流 I in 变化很小,可视为恒定值；如输出滤波电容 C2 足够大,就输出电压 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；如直接将图 3 所示的 BOOST 变换器的负载电阻RL 改为磷酸铁锂电池组,就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；5 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 6 BOOST电路改进前后输
11、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,而且仍有反向放电的时刻,这对于电池组的使用寿命和输出电流的检测都是不利的；本文对其进行了简洁的改进,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L 2,来滤除输出电流的尖峰；+-EIin+ C1L1D1+ C2L2ROIo电IRF4110池组图 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0.1 ；经 Saber 软件仿真,改进后的充电电流如图 线；4.2 主电路开关器件的参数设计及选型6 中的实线所示,其波动幅度较小,近似为直为了提高主电路的开关
12、频率,减小滤波电感的体积,提高整体的效率,本文挑选功率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 U omax为 60V ,额定工作时输入电压 为 35V ,留肯定裕量取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,就其导通电阻：6 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共
13、 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4.3 MOSFET 驱动和缓冲电路设计MOSFET 栅极驱动采纳 IR2102 芯片,其内部有自举电路,栅极驱动电压范畴宽 ,如储能电感电流断续,BOOST 电路的升压比即失去掌握,为了保证光伏电池的输出功率只有额定功率的 10%,且电池组接近布满的情形下,变换器能够正常工作,储能电感值需满意： 4.3 经运算,储能电感 L1 的值要求要大于 0.36mH ,留肯定裕量取 0.5mH ；选用铁氧体磁芯绕制,其在 80100、 25200kHz 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 转变, 饱 和磁
14、 通 密度 为0.5T ； 查 阅相 关 文献 , 挑选了 截 面积 为1.49cm 2、磁路长度为 7.75cm 的 EI21 磁芯,绕线为 AWG18# ,其截面积为 1.13mm 2,空气隙长 1.6mm,绕制匝数为 53 匝,导线电阻 0.064 ,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试验结果,本文采纳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 ,依据其定义在 Saber Sketch 中为模型建立符号,并用前述各
15、参数建立了如图 9 所示的 Saber 仿真系统；输出电流 i o 的仿真结果如图 10 所示,其波动幅值小于 0.2A,满意设计要求；7 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 9 输出滤波器参数优化仿真模型io/At/s图 10 用最优参数滤波之后的输出电流4.6 电源设计掌握电路的供电电源是保证光伏电池充电装置稳固、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 作为开关电源掌握芯片,其
16、启动电压为 16V ,工作电压为10V30V 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 40V60V 之间变化时,占空比的变化范畴为 0.290.39,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形仿真结果依据上述参数用 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,
17、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；8 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 12 掌握系统供电电源电路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答应03V 的直流电压信号,且采样电路的模拟地与光伏电池的负
18、极不能短接,所以用精度为 1%的电阻将电压分压至 03V 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 0.05 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 过流爱护电路过流爱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定再做出的
19、爱护动作；但是这样会延长爱护动作的时间,为了提高爱护的牢靠性,设计仍增加了图 15 所示的硬件爱护；9 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 15 过流爱护电路4.9 电路板设计本系统是一个驱动掌握电路和功率电子电路并存于一体的电路系统,在电路板布局时将电路分为几个相对独立的部分：主电路、驱动电路、电源模块电路、测量电路、DSP 最小系统；各个部分相对独立,如图 16 所示；图 16 电动汽车光伏车载充电装置印制电路板电路板设计过程中,考虑流过大电流的主电路与弱信号的测量掌握部分的间距大于5mm ,以减
20、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0.1 F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；依据50V/mm 的爬电距离来设置绝缘距离,35 m铜箔厚度的电路板以2A/mm 的线宽设计；5.系统软件设计5.1 软件总体框图系统软件设计实行模块化设计方案,将完成特定功能的子程序组合胜利能模块,由主监控程序统一调用；软件总体框图如图17 所示
21、；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 调剂模块、欠压爱护模块、定时器模块；10 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - MPPT模块 CAN 通信模块初始化模块PWM模块主监控程序中断模块定时器中断ADC 模块PI调剂模块 欠压爱护模块图 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 调剂、欠压爱护等子程序的调用；开头初始化是否到
22、调剂时间NY向 CAN总线发送数据恳求并接收数据AD采样UUocNYMPPT PID转变占空比判定时间到？Y欠压爱护充电功率10W？N图 18 主函数流程图11 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5.3 系统子程序 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； ADC 模块AD 采样模块完成对测量数据的采样和处理工作,为 作； ADC 模块流程图如图 19 所示； 最大功率点跟踪 表示当前时刻的电流值,In-1 表示
23、前一时刻的电流值；Dn 表示当前时刻的占空比； Dn-1 表示前一时刻的占空比； D 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,保证采样的精确性；入口入口YRST_SEQ1 = 1 复位排序采集蓄电池充电电流 In启动 SEQ1 转换序列NInIn-1.SEQ1_BSY=1？YYNDnDn-1.DnDn-1.NNY读取转换结果Dn-1=DnDn-1=DnDn-1=DnDn=Dn+ DDn=Dn- DDn=Dn+ D返回返回图 19 ADC 模块流程图图20 最大功率跟踪流程图 PI 调剂模块PI 调剂模块流程图
24、如图 21 所示,该 PI 调剂模块采纳增量式 PI 掌握算法； 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 掌握算法,而在 PI 掌握环节中,不能实时跟踪最大功率,所以采纳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； 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样性,在串联充电过程中,各单节电池电压、温度、SOCDmaxND0；利用构建的试验平台进行充电算法和软件设计调试和评估；在各种日 照下对样机进行试验,并给出了实测结
25、果；7.1 最大功率点跟踪测试为确保验证MPPT 算法的有效性,用一MPPT 测试电路进行试验验证,试验主电路如RSIiIo+光+充+蓄U S伏UiUo电电电装池-池置-图 25 最大功率点跟踪测试电路图 25 所示,采纳060 V 直流稳压源Us 串联一功率电阻Rs3.7 左右 模拟光伏电池,由戴维南等效电路可知,光伏电池最大功率点对应电压 Us/2,测试结果如表 1 所列；Ui 应为直流线性稳压源电压的一半14 / 18 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 表 1 最大功率点跟踪测试结果Usv Ui v Ii
26、A Uov IoA Piw Pow % MPPT 误差 % 32.53 16.43 4.2 48.94 1.27 69.01 62.15 90.07 1.01 32.91 16.46 4.2 49.16 1.29 69.12 63.42 91.75 0.01 33.31 16.96 4.3 49.17 1.32 72.93 64.90 89.00 1.83 34.82 17.69 4.6 49.44 1.44 81.37 71.19 87.49 1.61 37.28 18.52 4.9 49.63 1.64 90.75 81.39 89.69 0.64 从最大功率点跟踪测试结果可以看出,MPP
27、T 跟踪误差在2%以内,充电装置效率在87%以上,满意系统设计要求；7.2 系统整体调试系统在自然环境下测试；系统在稳固工作以后光伏电池的输出电流和电压波形如图 26 所示,图 27 为日照强度骤变时间伏电池输出电池和电压试验波形；输出电流 输出电流输出电压 输出电压图 26 稳固工作时间伏电池输出波形 图 27 日照骤变时间伏电池输出波形从系统测试波形可以看出,当系统工作在最大功率点邻近时,且波动较小；当日照强 度骤变时,光伏电池最大功率点所对应的电压变化也不大,但是输电流变化比较猛烈,输 出功率变化比较大；由此反映了光伏电池输出电压随日照变化不大,输出电流受日照变化 影响较大这一电流源特性；系统在稳固工作以后光伏电池充电装置充电电流和电压波形如图 28 所示,图 29 为日 0.05 采 照强度骤变时间伏电池充电装置充电电流和电压试验波形；其中充电电流信号经样电阻转换成电压信号后再放大10 倍由 DSP 芯片采样 示波器探测点）,输出电压信号衰减 42 倍后由 DSP 芯片采样 Ii A Uo