基于DSP的智能充電系統在電動汽車中的應用研究

隨順科，孫長江

（中國礦業大學 信息與電氣工程學院，徐州 221116 ）

0 引言

汽車帶給人們生活很多便利的同時也給人們帶來了環境污染、能源消耗的問題。電動汽車作為新能源汽車是解決上述問題的有效途徑之一。由全部或部分電能驅動電機作為動力系統的汽車稱為電動汽車，主要包括純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池汽車三種類型。目前，電動汽車的發展還有很多制約因素，諸如一些關鍵技術像蓄電池的開發，驅動效率的提高，快速充電裝置的研制等方面需取得較大突破，才能使電動汽車得到廣泛應用。

1 智能充電裝置

快速充電法是指在短時間完成對蓄電池的充電過程。為了保證蓄電池不因大電流短時內充滿而損壞和不過充，因此需要相應的控制電路。該電路能在充電末期實時地檢測蓄電池的充電電壓、充電電流和端電壓的溫度，并根據實時檢測到的相關參數來控制充電過程。圖1是智能充電電路框圖。控制器選用TMS320F2812，它是32位定點DSP芯片，具有強大的事件管理能力和嵌入式控制能力。充電器電路主要包括主電源回路、控制電路和變換電路三部分組成。

2 變換器與控制電路的設計

2.1 變換器的設計

文中選用反激式變換器，下面針對反激式DC-DC變換器進行研究。反激式DC-DC變換器是一種電氣隔離的升壓/降壓變換器，也是最簡單的隔離型直流變換器。其電路主要由輸入/輸出濾波電容器、電感變壓器、功率開關管、高頻整流管等構成。電路拓撲結構如圖2所示。

圖1 智能充電電路框圖

圖2 反激式直流變換器電路拓撲結構

電路工作原理與電磁能量轉換原理：功率開關管VF導通期間，輸入電壓Vin經輸入濾波電容濾波，功率開關管VF導通，高頻整流管VD反偏關斷， 由于，Vm>0，變壓器初級線圈電流iL上升，磁儲能W上升，變壓器電感將輸入電能轉化為磁儲能，變壓器儲能增加。輸出端所接負載由輸出濾波電容供電。Vin從不向Vout直接提供電能，而是將Vm輸入的電能轉化為變壓器電感中的磁儲能，再通過VF關斷期間，將磁儲能轉化為電能傳送到負載和輸出濾波電容，其中輸出濾波電容吸收的能量大于負載功率的那部分能量。

2.2 控制電路

圖3 DSP控制系統框圖

主控制器直接向TMS320F2812發送命令進行控制，同時防止主控制器突然發生故障而不能與下位機通訊時，保證設備仍能正常運行，同時還可以進行各種參數設定。當TMS320F2812接收到來自主控制器的命令時，使得電源與電池組成充電或者放電回路，開通或者關斷功率管。當需要調節電流到給定值時，采用模糊PID調節方式，TMS320F2812通過事件管理模塊實時調整輸出PWM，使電源達到給定值。系統運行過程中，以10位A/D通道采樣電流電壓值，將采樣結果值定時上傳給主控制器，并對電流電壓進行監控。圖3為DSP控制系統框圖。

圖4為電壓檢測系統，當充電器的充電峰值電壓確定后，當檢測電路檢測到蓄電池的端電壓達到設定值時，由控制電路自動改變充電器的充電方式。

圖4 電壓檢測框圖

蓄電池在充電后期，負極發生氧復合反應而聚集了熱量，使蓄電池溫度升高。圖5是蓄電池溫度檢測框圖。充電電流將隨著溫度的升高增大，為了控制后期的電流，需要在蓄電池外殼裝上溫度傳感器，對溫度實時檢測，并將信息傳遞給控制電路。當蓄電池溫度升至設定值時，控制電路即改變充電器的充電方式或直接終止充電。

圖5 溫度檢測框圖

3 軟件設計

通常的PID控制方法主要是通過建立系統的數學模型，獲得傳遞函數，進行閉環控制。盡管該種方法具有一定的控制效果，但參數整定過程十分復雜。為此引入模糊控制技術，將模糊控制與PID控制結合，形成具有智能性的模糊PID控制算法將模糊控制器的偏差和偏差變化率分別選為電池理想最高電壓與設計測量電壓之差 和相鄰兩次采樣信號之差與采樣周期的比值，并進行量化，從而指導PID三個參數的調整。圖6為模糊PID控制框圖。

圖6 模糊PID控制框圖

圖7 主程序流程圖

充電系統要求能夠實時采集電池的電壓、電流和溫度這三個參數值，在對實時數據采集完成后，需要對數據進行及時處理。實時處理包括A/D采樣值的濾波處理、A/D采樣值轉換為電壓實際值的計算處理。然后利用模糊PID控制算法計算控制量，并對控制對象發出控制命令，實現實時控制PWM功能。圖7為主程序流程圖。

在整個充電過程中最終需要對蓄電池是否充滿進行準確判斷。當檢測系統檢測到零增量時，此時可能已經充滿，但也可能是充電過程中出現的，因此可能出現誤檢測。此時可以根據預估的充電時間、蓄電池端電壓等參數進行判斷，有效降低錯誤檢測。

4 結論

采用DSP芯片作為控制核心，負責控制開關電源，采集電壓溫度等數據，并使用模糊PID控制算法實現了智能快速的充電。同時使用設計的變換器降低了充電過程的能量損耗。提高了蓄電池的充電效率。

[1]梁敬.淺議影響閥控式鉛酸蓄電池使用壽命的因素[J].廣東電力,2005,18(2):19-21.

[2]TMS320LF/LC240xA.DSP Controllers Reference Guide System and Peripherals.Texas Instruments,2001:225-228.

[3]徐小東.蓄電池快速充電技術[J]電源技術,2004,2(1):38-39.

[4]馮義.一種智能充電系統的初步研究[D].北京:中國農業大學,2000.

[5]劉丹偉.智能模糊充電技術的研究[J].電工技術,2001,12(4):22-26.

[6]李敬兆.基于模糊控制的輕型智能充電裝置[J].煤炭科學技術,2001,7(2):32-33.

[7]毛常亮,殳國華,張仕文.基于68HC08 MCU的智能充電器的設計[J].電力電子技術,2007,4l(7):45-49.