电动汽车充电系统设计与实现

电动汽车车载光伏充电系统设计与实现1题目：电动汽车车载光伏充电系统设计与实现1.摘要（中英文）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.2.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张，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动汽车车载光伏充电系统设计与实现2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,应用范围不断扩大。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电动汽车车载光伏充电系统设计与实现3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范围为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。测蓄电池两端电压最高单节电池电压=3.65V？MPPT算法PI算法(恒压)YN返回入口图2充电控制策略流程图电动汽车车载光伏充电系统设计与实现4CAN收发器电池1CAN收发器上位机串口通信…………120120CANHCANLCAN通信CAN收发器电池16单节电池管理系统单节电池管理系统监控单元主控制板…………光伏电池充电装置CAN收发器图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(m3)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。4.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电动汽车车载光伏充电系统设计与实现5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。4.1BOOST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，+-EC1L1K1Iin+++C2D1-UoRLIo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6BOOST电路改进前后输出电流的波形从图6可