田成元，王志新

（甘肃交通职业技术学院，甘肃 兰州 730070）

基于DSP的电动汽车直流充电桩的设计与研究

田成元，王志新

（甘肃交通职业技术学院，甘肃 兰州 730070）

文章来源于实际科研课题，通过基于DSP的电动汽车直流充电桩方案的设计，对充电桩的整体主电路 、逆变电路、控制系统驱动电路进行了详细的设计，同时给出了软件实现流程图。该研究结果符合电动汽车直流充电桩符合目前相关标准，通过测试，可以实现对电动汽车的充电控制任务。

电动汽车；充电桩；DSP；通信

引言

随着国务院《关于印发节能与新能源汽车产业发展规划（2012―2020年）的通知》（国发〔2012〕22号）的印发，以及全国各地由于传统汽车造成的空气污染愈发严重的大背景下，新能源汽车尤其是电动汽车产业会更加快速发展，而电动汽车充电设施是电动汽车产业推广的前提和基石，完善、高效的能源供给网络是电动汽车普及的关键因素。

电动汽车充电桩的研究将有助于缩短充电时间和降低电动汽车成本，推广使用电动汽车；电动汽车充电系统为电动汽车运行提供能量补给，是电动汽车商业化、产业化的必要条件之一。通过在各个场所安装大量的充电桩，就可以更安全和方便地为电动汽车充电。为了使直流充电桩的应用及管理智能化，本文设计了一种实用的电动汽车直流充电桩的设计方案，详细阐述了充电桩主电路设计、控制系统硬件电路设计、以及控制系统软件设计。

1 充电桩充电策略分析

设计充电桩时应保证充电与顾客之间可靠、方便地进行交互，电动汽车直流充电桩应实现如下功能：操作灵活、运行可靠、数据安全、人机界面有过流、具有漏电、短路、过压、欠压、过流等自动保护装置。为了使充电桩能为不同电压等级的电动汽车电池充电，充电桩的容量按照目前最大要求来配置，因此本文所设计的充电桩的主要参数如下：输入电压三相三线制，电压为 380V±10%，频率 50Hz；输出：直流12～750V，直流5～60A。

充电机理：为了充电过程安全、缩短充电时间,保护电池,提高电池的使用效率，同事兼顾根电池的化学特性，大幅度提高电池的电量[1], 本文设计的充电桩采用和两阶段充电法组合的形式，即开始充电时采用脉冲充电法，然后采用两阶段充电法完成电动汽车动力电池的充电。

2 充电桩电源主电路的设计

2.1 充电桩电源主电路的原理

本文设计的充电桩输入电压为电网三相 380V±10%，输出：DC12～750V，DC5～60A ，功率为 40Kw。三相交流电源经过不可控桥式整流滤波变成直流，输入IGBT 桥。DSP控制板通过驱动电路使功率开关 IGBT工作把直流输入电压转换成脉宽调制的交流电压，然后由高频变压器变压隔离，最后通过整流滤波输出得到直流，进而对铅酸蓄电池充电。同时通过可控的电流电压反馈回路改变充电电流和充电电压[2]，通过检测电池的端电压，充电电流以提供单片机进行决策。放电电路在充电电压较高时工作，以提高电池的接受能力。辅助电路提供器件工作电源，而保护电路（过流，过压、过温）可以保证系统安全、可靠工作。同时通过DSP控制来显示电量、时间等数据。直流充电桩的系统框图如图1所示。

图1 直流充电桩的系统框图

充电主电路原理图如图2所示，主电路主要有市电三相输入端、三相桥式不可控整流滤波电路、DC/DC移相控制零电压零电流软开关（ZVZCS）PWM全桥变换器拓扑构成[3-7]。其中开关管Q1、Q3构成超前桥臂，开关管Q2、Q4构成滞后桥臂，Lr为变压器漏感。

图2 充电桩电源主电路原理图

2.2 充电桩电源主电路主要参数设计

1）三相不控整流桥的选择

充电电源输入三相交流电的线电压有效值为：

三相不控整流桥输出的直流电压Ud为：

将（1）式带入（2）得：

充电电源输入最大功率为：

三相不控整流桥输出电流Id的平均值为：

将（3）和Ud(min)=461.7V带入（4）式中得

三相不控整流桥为六脉波整流电路，所以每个整流二极管流过电流的有效值为：

将Id(max)≈97.5A带入（5）后得Ieff(max)≈56A

由此可求出整流二极管的额定电流为：

因此，保留富裕量选用180A/1600V三相不可控整流桥。

2）开关管的选择

本充电电源的开关管主要依据其工作时的额定电压和额定电流的来选择，其选型。根据 IGBT 工作波形和变压器原边工作波形得知，经过 IGBT 的平均电流是直流母线平均电流的一半，因此 IGBT 的工作平均电流为：

IGBT 承受的最大反向电压为：

由于原边电流存在一个谐振尖峰，峰值最高可达 240A以上，考虑安全裕量和散热，最终选择IGBT耐压1200V，额定电流300A的半桥模块，每一个半桥模块封装有两个IGBT。充电电源全桥变换器的由两个半桥模块构成。

3 充电桩控制系统主要硬件电路的设计

充电电源控制系统采用控制板产生移相PWM波来控制开关管,对输出电压和电流进行采样和分析,并采用相应的控制算法,如果发生异常情况,如过压、过流等情况还能快速启动保护电路。其控制系统硬件框图如图3所示。

图3 充电电源控制系统框图

图4 IGBT驱动电路原理图

驱动电路的驱动能力以及驱动电路与 IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。在本文的充电桩电源中采用富士公司开发的 EXB841厚膜芯片为核心组成驱动电路，其内部已经加入了隔离电路，能驱动高达400A的600V IGBT 和高达 300A 的 1200V IGBT。其驱动信号延迟小于 1微秒，最高工作频率可达 40kHz，内部采用高隔离电压光耦作为信号隔离。驱动IGBT时，要满足以下两个条件：Vcc=20V，Iin=10mA。电压过高会造成IGBT管的损坏，过低会增大开关管的ON电压；驱动电流较大会对驱动电路信号造成延时，而太小又会降低电路稳定性[6]。

根据移相角的大小输出移相控制用的4 路PWM信号，然后经IGBT驱动电路隔离放大为具有驱动IGBT 能力的脉冲信号，以达到控制主功率电路输出的目的。其内部过流保护和过电压检测输出电路，以防止IGBT以正常驱动速度切断过流时，产生过高的集电极电压尖脉冲损坏IGBT。IGBT驱动电路原理图如图4所示。

4 充电桩控制系统的软件设计

图5 主程序流程图

图6 中断服务程序的流程图分别

DSP程序主要包括输出电压、电流采样程序，PWM信号产生程序、PI控制算法程序、外中断保护程序，通信显示程序等 。DSP的主程序和中断服务程序的流程图分别如图5、图6所示。

在中断程序里主要完成对输出信号的读取和保存采样结果,并调用控制算法计算出控制量，完成对移相角的更新。DSP的主程序和中断服务程序的流程图分别如图5所示和图6所示。

5 性能分析

众所周知，在全桥电路中，只有正确的驱动脉冲波形才能保证可靠搞笑的输出功率，根据前面的分析、设计，计算，实验得到两对对角开关管之间的移相脉冲波形如图7、图8，从图中可以看出Q1比Q4先开通，Q3比Q2先开通。

图7 开关管Q1和Q4的移相波形

图8 开关管Q2和Q3的移相波形

主电路的主要工作波形如下：通道1为变压器原边电流波形，通道2为变压器原边电压波形，通道3在图中为变压器副边整流后的电压波形，具体如图9所示。

图9 主电路的主要工作波形

6 结束语

根据项目需求分析，本文设计的一种基于DSP的电动汽车直流充电桩电源，给出了主电路、控制电路，此电源系统结构简单，功能齐全；DSP具有良好的抗干扰能力和强大的通讯能力及可扩展性，便于充电桩的优化和升级。本文所设计的系统为后续电动汽车直流充电桩的设计与研制奠定了理论基础，将在直流充电场合具有很好的应用前景。

[1] Stefanie Troy,Andrea Schreiber,Thorsten Reppert,Hans-Gregor Gehrke,Martin Finsterbusch,Sven Uhlenbruck,Peter Stenzel. Life Cycle Assessment and Resource Analysis of all-solid-state batteries[J]．Applied Energy,2016,

[2] Maria Koutsopoulou,Alexandros Kaloxylos,Athanassia Alonistionti，Lazaros Merakos. Charging, Accounting and Billing Management Schemes in Mobile Telecommunication Networks and the Internet[J]．IEEE Communications surveys，2004,6(1),50-58．

[3] 王旭,齐向东.电动汽车智能充电桩的设计与研究［J］.机电工程,2014,31(3):393-396

[4] 张琳.基于嵌入式 Linux 的电动汽车交流充电桩的设计［J］．电气传动自动化,2013,(1):33-35

[5] 何正东.基于DSP+CPLD的ZVZCS大功率电动汽车充电电源研究［D］．华南理工学.2013.

[6] 王保名.基于 DSP的机车空调电源的研究［D］.兰州交通大学.2009.

[7] 王源.电动汽车智能充电桩系统研究［D］.长春工业大学.2016.

[8] 王志新,余强,等. 基于温度估测汽车电子机械制动系统(EMB)制动力研究[J]. 自动化与仪器仪表,2015,(03):67-70.

[9] 王国强,王志新,等. 新型电动汽车车架结构优化研究[J]. 自动化与仪器仪表,2016,(07):67-69.

[10] 王志新,刘璘,田成元. 城市轨道交通车辆直流电缆局部放电检测系统的设计[J]. 城市轨道交通研究,2014,(05):54-58.

Design and Research of electric vehicle DC charging pile based on DSP

Tian Chengyuan, Wang Zhixin
( Gansu Vocational And Technical College Of Communications, Gansu Lanzhou 730070 )

This article from the actual research project, through the electric car dc charging pile scheme based on DSP design, the main circuit of charging pile, inverter circuit, drive circuit, control system for the detailed design, and software flow chart are given. The results conform to the electric car dc charging pile up to the present standards, through the test,can realize to the electric vehicle charging control tasks.

electric vehicle; charging pile; DSP; communication

CLC NO.: U469.72 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-56-04

U469.72 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)12-56-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.019

田成元（1981-），硕士，讲师，工程师，就职于甘肃交通职业技术学院，研究方向：汽车工程机械机电监测与控制。

项目来源：中央高校基本科研业务费专项资金资助（310822161115）；甘肃省科技计划资助项目（1504FKCA001）；甘肃省高等学校科研项目（2016A-130）。