基于數字調節增量補償的新能源汽車充電樁 測試電源方法與裝置研究

李銀銀，劉 楓，王聃軻，羅世唯，劉付洋

（襄陽市公共檢驗檢測中心，湖北 襄陽 441000）

前言

新能源產業在2020年列入國家新基建的重點領域[1-2]，隨著新能源整車數量的增長，對配套充電設施要求越來越高。未來十年，中國充電樁建設預計存在6300萬的缺口[3]，充電站和充電樁數量不斷增加，國內各個大中型城市陸續出臺了一系列政策和措施建立充電設施[4-5]，這就要求為充電樁提供配套的質量保證。目前電動汽車充電設備檢測試驗規范對充電樁的測試電源要求在±5%的偏差[6]，目前市場上充電樁普遍使用三相交流變頻電源[7-8]，比如艾諾儀器的120 kW的ANFC120T，這些電源需要把三相電網的電壓整流為直流后通過SPWM變頻控制技術，實現三相正弦波變頻輸出逆變成三相交流信號[9]。但該類設備需要全功率負荷輸出，重量大，價格高，以艾諾儀器的120 kW的ANFC120T為例[10]，其重量達970 kg，價格十萬計，對于工業上的使用不便且成本較高。因此研發出一種具有體積小，重量輕，成本低的充電樁測試電源的裝置對新能源汽車充電樁產業的發展具有重要意義。

本文基于數字調節增量補償原理[11]，設計了一種充電樁測試電源方法和相應的裝置，該裝置只需要控制增量部分的能量，就實現了±0.5%的偏差，具有廣闊的產業實用化前景。

1 測試電源結構性設計

1.1 結構性設計

如圖1所示，要是實現220 V±15%的電壓穩定輸出，主 要靠增量補償控制輸出模塊和測量電路模塊和算法控制處理模塊，通過實時測量，實時計算、實時控制增量補償控制輸出模塊來實現。其中，增量補償控制輸出模塊由數字同步跟蹤放大器、開關功率放大器和功放開關電源組成，構成了一個可以通過SPORT通信實時控制的數字增量補償控制器。測量電路模塊由電壓互感器、AD轉換電路7、參考電壓ADR441B等組成，構成了對電壓輸出L1_O、L2_O、L3_O到N的精確測量。算法控制處理模塊主要由BF609芯片及其外設8組成。具體為，假如設定值為220 V，經過測量電路測量的電壓不足（比如219 V），則差壓－1 V，算法控制處理模塊會在100 ms類通過增量補償控制輸出模塊增加1 V的電源輸出，保證輸出值設定在220 V。具體的數字同步跟蹤放大器同步跟蹤電網的輸入信號，同時通過BF609芯片及其外設8對數字同步跟蹤放大進行數字動態調節，實現開關功率放大器的輸出動態調節，保證開關功率放大器輸出和N端的電壓是穩定可調的。 開關功率放大器的實際輸出能量值為功放輸出值L1_O和電壓輸出值L1的差壓，實現了用較小的功率放大器，輸出高穩定度的可調電壓源。

圖1 充電測試裝置整體結構框圖

（1）交流供電插座1為連接到三相電網的插座 200 A。

（2）交流供電插座2為本測試電源的輸出插座 200 A。

（3）電源模塊14采用±15 V和5 V輸出的開關小電源，電流輸出2A。

（4）電壓互感器6a、6b、6c 采用0.02級的電壓互感器，電壓互感器的變比為220:1，也就是220 V的電壓輸入，二次輸出1 V，帶負載能力為5 mA。

（5）電源變換器11為5轉3.3 V的線性穩壓模塊，把5 V的電源轉換為3.3 V供BF609和AD轉換器使用，使用固定電壓輸出的芯片REG1117F-3.3轉換。

（6）電源變換器12為5轉1.8 V的線性穩壓模塊，把5 V的電源轉換為1.8 V供BF609和AD轉換器使用，使用固定電壓輸出的芯片REG1117F-1.8轉換。

（7）參考電壓13 由芯片ADR441B輸出2.5 V的電壓值，溫度漂移優于3 ppm。

（8）AD轉換電路7采用24BIT的8個通道嚴格同步 sigma-delta AD轉換器ADS1278，積分誤差典型值為：±0.0003%，最大采樣率128KSPS。

（9）BF609芯片及其外設8，由ADI公司的BF609芯片及其外設構成，芯片內置了大量的外設，包括2個SPI接口、3個SPORT口、16個通用IO口、AMC接口（異步存儲接口）等，256MBYTE DRAM、用于完成本發明的核心算法、任務調度及顯示和輸入等。

（10）顯示LCD液晶顯示模塊，直接由BF609芯片及其外設通過AMC接口驅動顯示。

（11）鍵盤為簡易鍵盤，共6個鍵盤輸入到處理器BF609芯片及其外設的6個IO上。

（12）功放開關電源3a/3b/3c。

（13）開關功率放大器4a/4b/4c。

（14）數字同步跟蹤放大器5a/5b/5c。

1.2 子系統設計

1.2.1 功放開關電源設計

（1）功放開關電源為定制的開關電源，如圖2，用于給開關功率放大器4a/4b/4c供電，也可以多種規格市場上單獨的開關電源并聯使用。

圖2 功放開關電源設計圖

（2）PVDD：輸出為68 V 最大電流為200 A，用于給開關功率放大器直接驅動電源。VDD：芯片工作電源12 V，5 A。

（3）DVDD：數字邏輯電源3.3 V，5 A。

（4）AVDD：模擬電源7 V，5 A。

1.2.2 開關功率放大器設計

開關功率放大器如圖3所示，把小信號電壓變換為大電流的功率放大輸出，由20個D類功率放大器并聯輸出，一個D類功率放大器最大可以提供10 A，44 V的電壓輸出。功放的輸入最大值為±3.9 V。D類功率放大器如圖 4所示，主要由TI的TPA3255300、濾波電感 301a、301b以及其他耐壓為80 V的電容以及1%準確度的電阻組成。其核心器件為 TI公司的D類功率放大器TPA 3255，采用PBTL配置，把315 W的兩個通道合并為一個600 W的輸出通道，最大可以輸出44 V的交流電壓，輸入最大值為±3.9 V，效率可以達到90%左右。濾波電感 301a、301b的電流為20 A。

圖3 開關功率放大器設計圖

圖4 D類開關功率放大器設計圖

1.2.3 數字同步跟蹤放大器設計

數字同步跟蹤放大器5、由電壓互感器 501 AD5545 DA轉換模塊502、AD8620運放 503、AD8620運放504以及電阻R1、R2、R3、R4構成一個單極轉雙極的輸出電路。電壓互感器 501的變比為 220:2.75，也就是220 V的電壓輸入，輸出2.75 V的電壓輸出。

D8620運放503、AD8620504以及電阻R1、R2、R3、R4構成一個單極轉雙極的輸出電路。也就是可以實現反向輸出，假如電網電壓為220 V，設定輸出為200 V，這是通過這個單極轉雙極電路，可以實現-20 V的電壓輸出。

AD5545502 通過SPORT接口接收來自BF609及其外設的設定數值D。

Vin為電壓互感器501的二次輸出值，默認為2.75 V，峰峰值2.75 V×1.414=3.89 V

D為16Bit的無符號數值其值為0～65535。

當D的值小于32768時候，Vs的相位和Vin的相位相反，可實現把電網的電壓通過開工功率放大器變小的目的。

當D的值大于于32768時候，Vs的相位和Vin的相位相同，可實現把電網的電壓通過開工功率放大器變大的目的。

圖5 數字同步跟蹤放大器設計圖

2 充電樁測試電源裝置的工作過程

充電樁測試電源裝置的具體工作過程如圖6中所示。

圖6 充電樁測試電源裝置工作步驟

步驟一：通過鍵盤KEY 10手動輸入電源輸出設置值Vset（單位V，浮點存儲）。也就是要測試的電源電壓值，一般為220 V，當測試輸入過壓保護試驗，設置為220×1.15= 253 V，當測試輸入欠壓保護試驗，設置為220×0.85= 187 V。

步驟二：BF609芯片及其外設 8，通過AD轉換電路 7采集并計算輸出的電壓值Vm（單位V），由于AD為24Bit的AD，采樣值要乘以一個比例并按浮點數保存為單位為V的浮點值。

步驟三：BF609芯片及其外設 8，計算差壓Ve=Vm-Vset。

步驟四：把差壓Ve乘以系數K。（本發明K取100），得到的16位有符號數deltaD=INT（Ve·K）。設數字同步跟蹤放大器的上一次數字值為Di-1，則本次設定值Di=Di-1+ deltaD；把Di通過SPORT1、2、3口輸出到數字同步跟跟蹤放大器上。

數字同步跟蹤放大器的數字值和Di關系如公式1所示。

Vs=（D/32768-1）Vin；

Vin為電壓互感器 501的二次輸出值，默認為 2.75 V，峰值為：2.75 V×1.414=3.89 V。

D為16Bit的無符號數值其值為0～65535。

當D使用有符號數表示時，剛好是大于32768的值時為負值。

當Ve為負值時候，應該補償為正值，代入公式1，進行補償。

K值為關鍵，K取值大，調整速度快，但是容易超調，降低輸出穩定度。

K取值小，調節穩定，但是調整速度慢。本發明取100，計算窗口時間為100 ms，假如差壓為最大值33 V，則33× 100=3300，輸出最大值為32768，大概需要10個循環就可以控制到接近設定值，10個循環的時間為100 ms×10=1 s，可以滿足調節速度要求。假如差壓很小，比如0.5 V，這可以在100ms內實現快速調節，保證源輸出的穩定度，取K值為100，兼顧了快速調節和穩定性。

正常輸出情況下，步驟二到步驟四會一直循環運行，開關功率放大器能夠實時補償電源的波形，輸出穩定的電壓。電壓輸出的穩定度依賴步驟二、到步驟四的運算時間和K值大小。測試電源的準確度依賴于AD轉換電路7和參考電壓 ADR441B的準確度。

步驟五：判斷是否有鍵盤輸入進行人工退出，回到步驟二，重復執行，有人工退出，結束輸出。

3 充電樁測試電源裝置的工作原理

電壓互感器6a、6b、6c，把三相交流電壓信號縮小了原來的1/220倍后輸入到AD轉換電路7的三個通道上， BF609及其外設8控制AD轉換電路7以12.8KSPS的采樣率連續不斷的采集電壓波形值，計算電壓幅值，并與設定值比較，其差值通過SPORT123口輸出到數字同步跟蹤放大器5上，控制開關功率放大器4輸出和設定值一致。

4 結論

本文設計了一種基于數字調節增量補償的充電樁測試電源方法、裝置，可實現充電樁測試要求的測試電源。設計的裝置有相比于現有設備有以下優點：

（1）該測試電源只補償增量部分（可正反方向），當增量最大在±15%的時候，開關功率放大器實際輸出功率只有滿量程功率輸出的大約15%，體積和重量和成本只有原先的 1/15左右，而對充電樁試驗使用的電源只需要在額定值的±15%范圍就可以滿足所有的測試項目，并不需要電源從0開始輸出到最大值。

（2）該裝置使用了高準確度的AD轉換電路和數字同步跟蹤放大器，可實現在電網電壓不穩定的情況快速調節開關功率放大器的輸出，保證測試電源的準確穩定輸出。

（3）該測試電源使用TI公司高性能的D類功率放大器（效率可到90%），由于功放的供電電壓大大減低，使得重量和成本更加優化，一個開關功放模塊包括濾波電感和電容以及散熱器不足0.5公斤，該裝置三相電源需要 20×3=60個，功放的重量大約30公斤，相對于傳統的測試電源數百斤或上噸的重量大為減少，且低壓功放的成本非常低，D類功率放大器TPA3255的價格大約4美元一片，加上電容、電感、散熱器，一個10 A44 V的模塊的成本不足500元。整套裝置的成本不足1萬元，相對于原先的三相變頻測試電源價格更加低廉。