摘 要： 介紹了電動汽車用數字化充電電源，它以移相全橋逆變器加二次整流電路作為主電路" title="主電路">主電路，重點分析了其工作原理；采用TMS320LF2407A實現控制系統" title="控制系統">控制系統硬件電路平臺，并敘述了控制系統軟件及數字PID控制器的設計，給出了數字化充電電源的實驗結果及其技術參數。數字化充電電源實現了電源的軟開關" title="軟開關">軟開關和數字化控制，具有良好的輸出特性和響應特性，可以滿足不同動力電池的復雜充電要求。
關鍵詞： 電動汽車 充電電源 數字化控制 軟開關
隨著電動汽車工業的不斷發展，適用于電動汽車特殊要求的動力電池也在不斷發展，因此對電動汽車專用充電電源提出了更高的要求。DSP技術的日臻完善，標志著數字化技術的興起，使得控制領域又面臨著一次重大的技術變革。因此，對電動汽車專用充電電源的數字化控制技術進行研究，開發出國產電動汽車專用的數字化充電設備，對我國電動汽車的發展和普及，無疑將具有十分重要的理論意義和工程應用價值[1]。
1 數字化充電電源的主電路構成
充電機主回路是數字化充電電源的基礎，直接影響到充電電源的性能。逆變式電源體積小、重量輕；而且由于其工作頻率高、具有很高的響應速度、易于實現復雜的輸出特性，因此可以滿足不同充電策略所要求的充電曲線。所以這里采用移相全橋逆變加二次整流的方案作為充電電源的主電路。
主電路的原理圖如圖1所示。圖中，VS是單相或三相交流輸入經過整流濾波后得到的直流電壓，Q1～Q4是功率開關管IGBT，T1是功率變壓器，D1、D2是變壓器二次側整流二極管, Lf和Cf分別是輸出濾波電感和濾波電容。
圖2 為驅動脈沖的時序圖，它幾乎和傳統的移相控制的驅動脈沖時序圖相同，只是Q2和Q4間的死區是隨占空比的變化而調整的(如陰影部分所示)。當母線電壓較高或負載較輕時，Q2和Q4間將獲得更大的延時時間，在每半個周期中，Q1和Q4將在同一時刻開通，但Q4將首先關斷" title="關斷">關斷。這樣，Q2和Q4組成了超前橋臂，而Q1和Q3組成了滯后橋臂[2]。
假定Q1和Q4初始時處于導通狀態，在某一時刻關斷Q4，則C2、C4作為緩沖電容為Q4的關斷提供零電壓條件。拖尾電流依然存在于Q4中，但零電壓關斷在很大程度上減少了它的關斷損耗。Ll k(指高頻變壓器的漏感和線路等效電感)將使C4的電壓繼續增長，直至Q2的反壓超過30V而發生反向雪崩，此時Q2的特性類似于一個齊納二極管，雪崩過程持續到1/2Llkip2的能量全部在Q2上而使ip衰減到零為止。由于ip剛減為零時，b點電位仍高于母線電壓，其壓差等于IGBT的反向雪崩電壓值，因此一個較小的電流將通過Q1反向流回。這將有助于復合Q1中存儲的電荷，從而使得Q1拖尾電流得以真正消除，使得Q1能夠在零電流條件下關斷。Q2由于加有反壓而在零電壓狀態下完成無損耗開通。最后，當Q1完全關斷后，Q3開通，下半個工作周期開始。
2基于TMS320LF2407A的數字化控制電路硬件平臺
采用數字信號處理器作為開關電源的控制器不僅可以克服分立元件過多、電路可靠性差、電路復雜等缺點，還可以解決單片集成控制器不靈活的問題；而且DSP數字處理器具有工作頻率高、指令周期短等優點，并具有改進的總線結構和強大的數字處理功能。
TMS320LF2407A芯片是TI公司24X DSP控制器系列的新成員，它在電機的數字化控制方面得到了廣泛的應用，通過編程和外部電路的配合，完全能夠實現電動汽車用充電電源的數字化控制[3]。圖3為控制系統的功能框圖。控制系統以TMS320LF2407A為核心，通過外部附加電路實現系統所需要的各項控制功能：
(1)通過濾波電路對傳感器輸入信號進行處理，然后由ADC采樣電路進行數字采樣并送入中央處理器；
(2)通過偏磁檢測電路進行檢測，如果發現功率變壓器有磁偏現象，將立刻被TMS320LF2407A捕捉到并進行相應的處理；
(3)由TMS320LF2407A直接生成有限雙極性PWM控制信號，經過隔離驅動放大后控制功率開關管IGBT的導通與關斷；
(4)利用處理器內部的I/O口實現一些外圍的附加控制功能，比如：指示燈顯示、電路的緩吸、接觸器的控制、散熱風扇的開關控制等；
(5)利用SCI串行通訊進行相關的顯示和控制調節；
(6)通過CAN2.0控制器與外部設備進行遠程通訊。
在電源運行過程中，可能會發生一些異常狀態，例如由于器件不一致等原因，造成變壓器磁偏最終導致變壓器原邊飽和；全橋電路出現直通使得原邊母線短路；副邊負載過流；散熱器過熱等。對于以上異常狀態，從硬件電路上給予了充分設計并采取相應保護措施。
3 控制系統軟件設計
控制系統負責整個充電過程" title="充電過程">充電過程的控制和監測，實現充電過程的數字化控制。充電電源的控制軟件采用C語言和匯編語言混合編制，在完成其控制功能的同時，力求程序結構合理簡單，以適應大功率電源對控制系統的穩定性和可靠性的要求。
3.1軟件的整體結構
控制軟件主要包括以下幾個部分：采樣處理；由采樣值計算輸出脈寬，并根據此值調整輸出的PWM脈沖寬度；通過SCI通訊接收控制指令并發送輸出的電流、電壓值；CAN通訊程序；故障處理及保護功能程序。控制系統軟件初始化程序和主程序流程圖如圖4所示。
為了提高軟件的運行效率，把不需要及時處理的部分放在主程序里面，而把一些需要及時處理的控制過程通過中斷的方式進行處理。如顯示、控制等過程安排在主程序中；而PWM波形的調制等需要進行周期處理的工作則通過中斷方式進行處理。另外，CAN通訊程序也采用中斷服務程序處理，根據接收到的信息決定具體的充電方式并對充電過程進行調整。
3.2 數字PID控制器的簡要設計
PID控制具有結構簡單、參數易于調整等優點，因而在連續的系統控制中得到了廣泛的應用。它是一種按照被控制量偏差的比例、積分和微分通過線性組合進行控制的方法，其控制規律如下：
由于數字PID控制是一種采樣控制，它根據采樣時刻的偏差值計算控制量，在(1)式中的積分和微分項不能直接準確計算，因此在本控制系統中采用了增量式PID算法，其控制規律的數值公式為：
充電電源采用高頻的逆變頻率，對控制器的響應時間要求較高。△ui對應第i時刻控制量的增量即PWM脈沖寬度的變化值。由(2)式可以看出，增量式算法只需要保存前三個時刻的偏差值，占用空間小，計算誤差或精度不足時對系統影響小，累計誤差同樣也比較小；而且在每次重新啟動時，可以在原來的基礎上進行控制，減少系統的響應時間，同時也避免了因偶然因素造成的控制器輸出的大幅度劇烈變化，使系統的可靠性大大提高。
對于本系統，PID控制器的參數主要通過試驗確定并不斷進行整定，最終達到滿意的結果。系統的采樣周期就是電源主電路的開關周期，根據前一個周期的采樣值計算下一個周期的輸出脈寬，每一次采樣中斷必須進行一次計算。PID的算法嵌套在ADC的中斷處理程序之中。
4 實驗結果及技術參數
整個實驗系統由所研制的電動汽車用充電電源、電動汽車用動力電池(鎳氫)、純電阻負載、PC機以及數字示波器等測試設備組成。
軟開關電源變壓器原邊電壓(Up)、原邊電流(ip)波形的測試結果如圖5所示。從波形圖中可以看出，變壓器原邊電壓(Up)和原邊電流(ip)的波形均較理想。因為主功率開關管工作于零流和零壓的狀態下，原邊電流和電壓沒有出現傳統硬開關變換器所具有的電壓、電流尖峰。
系統的輸出響應曲線如圖6所示。從圖中可以看到，系統的響應速度較快、超調量小且穩態控制精度較高，輸出電壓從200V升到500V只需要0.5秒的時間。
充電機的技術參數如下：
·輸入電壓：AC 380V三相交流電
·輸出電壓：DC 300V~720V可調
·輸出電流：0~30A可調
·充電效率：≥90%
·輸出紋波：≤1%
·工作溫度：－20℃～＋60℃
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所研制的電動汽車用數字化充電電源采用軟開關功率變換技術，提高了充電機的充電效率和可靠性；控制系統采用數字處理芯片和數字控制技術，具有很高的實時性和良好的控制功能，可以滿足不同動力電池的復雜充電要求；整機采用模塊化方式，可以和電動汽車進行可靠通訊，且人機交互性好。
參考文獻
1 陳清泉，孫逢春，祝嘉光. 現代電動汽車技術[M]. 北京：北京理工大學出版社，2002：122~126
2 王 聰. 軟開關功率變換器及其應用[M].北京:科學出版社，2000
3 劉和平，王維俊，江 渝等. TMS320LF240x DSP C語言開發應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2003