葉天鳳

(湖北理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北黃石435003)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求急劇增加。像石油、煤等不可再生能源正日益枯竭，且所造成的環(huán)境污染日益嚴(yán)重。因此綠色能源成為了目前開(kāi)發(fā)的主要能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能等，但是這些能源的可調(diào)度性較弱，且隨機(jī)性較強(qiáng)[1]，因此需要相應(yīng)的儲(chǔ)能裝置，使得在無(wú)風(fēng)或無(wú)陽(yáng)光的情況下還能繼續(xù)供電，從而提高綠色能源供電系統(tǒng)的可靠性。蓄電池是目前應(yīng)用非常廣泛的儲(chǔ)存電能的裝置，它對(duì)UPS不間斷電源、可再生能源的利用等領(lǐng)域的發(fā)展有重要的意義。充放電控制系統(tǒng)是蓄電池最關(guān)鍵的部分，若此系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)計(jì)好，那么蓄電池的充電效率就比較低。本充放電控制系統(tǒng)是以TMS320LF2407 DSP為核心而構(gòu)建的。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要完成對(duì)蓄電池兩端電壓、電解液溫度、電流及電池內(nèi)阻的監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)到的參數(shù)，來(lái)改變蓄電池的充電方式，控制每種方式下的充電時(shí)間以及蓄電池端電壓的變化等。另外還可實(shí)現(xiàn)放出的電能回饋給充電側(cè)，提高電能的利用率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。此外還附加了報(bào)警、過(guò)溫保護(hù)、過(guò)流與過(guò)壓保護(hù)等功能，提高了充電效率且延長(zhǎng)了使用壽命。

在傳統(tǒng)充放電方式中[2]，大多采用晶閘管變流方式，采用這種方式時(shí)，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低，且諧波污染嚴(yán)重，這與我國(guó)綠色產(chǎn)業(yè)的宗旨是違背的。本設(shè)計(jì)采用PWM變流技術(shù)，可使系統(tǒng)運(yùn)行于單位功率因數(shù)，大大減少了其對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要由三相電壓型PWM整流電路、溫度采集模塊、電流及電壓檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、過(guò)溫保護(hù)模塊、過(guò)流保護(hù)模塊、過(guò)壓保護(hù)模塊及報(bào)警模塊等組成。本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案框圖

圖1中的eab為交流側(cè)的線電壓，ia、ib分別為交流側(cè)A相、B相的相電流，Idc為充電電流，Udc為充電電壓。

為了達(dá)到節(jié)能目的，在充電與放電回路中間串接了一個(gè)續(xù)流二極管。通過(guò)此續(xù)流二極管將蓄電池放出來(lái)的能量回饋給充電電路側(cè)，提高能量的利用率。

由于市網(wǎng)不能直接給蓄電池充電，本設(shè)計(jì)采用的是三相電壓型PWM整流電路，將市網(wǎng)的交流電變?yōu)橹绷麟?。整流電路的核心部件為全控型電壓?qū)動(dòng)式功率開(kāi)關(guān)元件 IGBT，其導(dǎo)通與截止是由DSP產(chǎn)生的PWM波控制的。但DSP產(chǎn)生的PWM波不足以直接驅(qū)動(dòng)IGBT，在DSP與IGBT之間必須增加IGBT驅(qū)動(dòng)電路。由DSP輸出的PWM信號(hào)去控制IGBT的開(kāi)與關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池進(jìn)行脈沖充電的功能。脈沖充電[3]可以很好地減少蓄電池析出的氣體，改善由于極化現(xiàn)象而帶來(lái)的能量浪費(fèi)，同時(shí)此方法還可以起到去硫化作用，從而提高了蓄電池的充電效率，對(duì)電池還有修復(fù)作用，延長(zhǎng)了電池壽命。通過(guò)DSP相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口可以檢測(cè)充電的電壓、電流及電池的溫度等參數(shù)。

在本方案中，溫度采集是通過(guò)溫度傳感器DS18B20，它能測(cè)量出電池的溫度，將測(cè)出的溫度轉(zhuǎn)換為電量傳給 DSP，以方便后面的控制。在交流側(cè)由電感和電容組成低通濾波器，濾除電流中的開(kāi)關(guān)諧波。

TMS320LF2407 DSP現(xiàn)在被廣泛用于控制方面，其技術(shù)比較成熟，芯片的價(jià)格也比較便宜，運(yùn)行速度快，還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其資源豐富[4]，將 AD、SPI、SCI、CAN、看門狗定時(shí)器、數(shù)字I/O、事件管理器EVA、EVB等模塊集成于一體，有40個(gè)通用的I/O引腳。本方案的PWM波由DSP內(nèi)部事件管理器的全比較單元產(chǎn)生，PWM波的周期可以通過(guò)捕獲單元CAP得知。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

通過(guò)三相可控整流電路將市網(wǎng)220V交流電變?yōu)橹绷麟娊o蓄電池充電，三相可控整流電路如圖2所示。采用雙向升降壓電路控制電池的電流和電壓，此電路是完成充放電過(guò)程能量雙向流動(dòng)的關(guān)鍵。將蓄電池電壓、電流和溫度通過(guò)相關(guān)的電路送入DSP的ADC通道中，根據(jù)采樣信號(hào)并通過(guò)相關(guān)的算法實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池快速脈沖充電。在控制蓄電池的電流、電壓時(shí)，采用的是升壓和降壓交替工作，為了減少高頻開(kāi)關(guān)損耗，在開(kāi)關(guān)管IGBT兩端并接一續(xù)流二極管。蓄電池充電的主要電路如圖3所示。

圖2 三相可控整流電路

圖3 蓄電池充電的主要電路

2.2 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路

由TMS320LF2407 DSP產(chǎn)生的PWM信號(hào)電壓為0～3.3 V，而 IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓是 -5～15 V，所以不能直接用DSP產(chǎn)生的PWM信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)IGBT。另外整流橋在工作的時(shí)候，6個(gè)開(kāi)關(guān)器件都不共地。為了實(shí)現(xiàn)控制回路和主電路的電氣隔離，需要用驅(qū)動(dòng)隔離放大電路將DSP輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行隔離并放大，使IGBT正常的導(dǎo)通與關(guān)斷。IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

2.3 電壓檢測(cè)電路

蓄電池兩端的電壓是很重要的參數(shù)，一般是通過(guò)該參數(shù)才能得知蓄電池是否充滿或放電是否結(jié)束，或者由該值判斷電池充放電應(yīng)該進(jìn)入哪一個(gè)階段，比如是恒壓階段還是涓流階段等。本設(shè)計(jì)采用型號(hào)為JLBV300FA的電壓互感器對(duì)電池兩端的電壓進(jìn)行采集，并送至DSP的 ADCIN01接口，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，用于算法控制。電壓檢測(cè)電路如圖5所示。

圖5 電壓檢測(cè)電路

2.4 電流檢測(cè)電路

本系統(tǒng)的充放電主要是通過(guò)恒流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以電流是系統(tǒng)控制的另外一重要對(duì)象。在此采用型號(hào)為CHB-25NP的霍爾電流傳感器來(lái)檢測(cè)，霍爾傳感器[5]利用霍爾效應(yīng)，測(cè)量電路和輸出電路完全絕緣，脈動(dòng)電流頻率可達(dá)100kHz，應(yīng)用范圍廣。另外考慮到準(zhǔn)確度和抗干擾能力，本設(shè)計(jì)采取二階濾波電路，其中R2為采樣電阻，將采樣到的電流轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)過(guò)二階濾波和電壓跟隨器之后送入DSP的ADCIN02接口，其電路如圖6所示。

圖6 電流檢測(cè)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 TMS320LF2407 DSP資源的配置

TMS320LF2407 DSP芯片多數(shù)引腳為復(fù)用引腳，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中根據(jù)具體的要求可配置為通用I/O、PWM輸出、捕獲CAP引腳或外部中斷引腳等。在本設(shè)計(jì)中，選 IOPA6～7、IOPB0～3及 IOPE1～2作為 PWM輸出引腳，這些引腳輸出的PWM波具有死區(qū)控制特性;將IOPA5作為捕捉CAP引腳，來(lái)檢測(cè)電網(wǎng)的同步信號(hào)?？赏ㄟ^(guò)捕捉的時(shí)刻，獲得每一個(gè)PWM波的周期。

3.2 軟件設(shè)計(jì)流程

本控制系統(tǒng)主要是為了提高電動(dòng)車蓄電池組的充放電效率以及防止出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放等現(xiàn)象而設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)中蓄電池充放電采用的是三階段定脈沖充放電控制策略，即先恒流充電，接著恒壓充電，最后浮充電。在充電過(guò)程中，為防止電池在充電過(guò)程中受到損傷，在恒流充電時(shí)，必須使電池輸出的最大電壓小于最大限制電壓;而在恒壓充電階段，必須保證輸出電流不能超過(guò)電池的最大電流限制。為了保證不同階段能夠較好地完成自動(dòng)轉(zhuǎn)換，根據(jù)采集到的蓄電池組端電壓、電流及溫度等信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用分區(qū)PI算法，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT做相應(yīng)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

以36V10Ah蓄電池組為例，其工作電壓范圍一般在31.5～41V之間。系統(tǒng)的整體軟件程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示，圖中V為蓄電池組電壓，I為電流。

圖7 整體軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

以DSP為控制核心的充放電控制系統(tǒng)，采用了PWM變流技術(shù)以及能量反饋技術(shù)，提高了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，降低了諧波污染，同時(shí)提高了蓄電池的充電效率，在設(shè)計(jì)成本及復(fù)雜度上也有所降低。

[1]王源.電動(dòng)車用動(dòng)力鉛酸蓄電池快速充電技術(shù)研究[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2000

[2]Wu T F，Chen Y K.Modeling PWM DC-DC Converters Out of Basic Converter Unit[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2001，12(4):870-881

[3]王艷茹.脈沖充電提高鉛蓄電池充電效率的研究[J].電池工業(yè)，2010(4):222-225

[4]周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛(ài)華.充電器電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社，2005:5-68

[5]秦祖蔭.霍爾電流傳感器的性能及其使用[J].電力電子技術(shù)，1994(4):63-65