電動汽車電源雙向DCDC變換器的結(jié)構(gòu)對比與選擇

于航：電動汽車電源控制系統(tǒng)雙向DC/DC變換器的設(shè)計錯誤!未找到引用源。為輸入電壓，D為占空比，f為開關(guān)頻率單位為Hz，為電感波紋電流單位為A。（4-2）其中為最大輸出功率，為輸出電壓，為最大儲能電感電流波紋率。在斬波電路計算時，負(fù)載電壓的平均值，可依據(jù)公式4-3（4-3）其中E為輸輸入電壓，U為輸出電壓，為開關(guān)管處于導(dǎo)通的時間，為開關(guān)器件處于截止的時間，為占空比。以此公式可根據(jù)輸入輸出電壓的大小來調(diào)節(jié)占空比，而雙向半橋變換器同樣符合公式4-3輸出的特點。在依照輸入輸出最大比值可知，占空比D最大為，在計算中可將占空比D取1，算出的電感值將滿足雙向變換器在最大工作功率下的電感L要求，留有比較充足的裕度。有上述公式以及其確定好的用于雙向半橋變換器的具體參數(shù)，有：輸出電壓取80V時，可得出電感電流波紋最小值6.25A，由此可得出當(dāng)變換器工作在最大功率情況下，電感L所需的最低要求，電感L：為達(dá)到所需電感的最低要求，輸入電壓選取最大值40V，所以電感L選取大小為3200H。4.3輸入輸出電容C計算雙向半橋DC/DC變換器中，求得電容C可依據(jù)公式4-3來確定：（4-4）其中為輸出電壓單位為V，為輸出紋波電壓單位為V,L為電感數(shù)值單位為H,f為開關(guān)頻率單位HZ。由雙向變換器所要求的輸入輸出電壓以及公式4-3可知，開關(guān)器件關(guān)斷時間最大值為T，開關(guān)頻率選為20kHZ，考慮到電容所需裕度要求，可將在計算時設(shè)置為一個周期，取s。由于設(shè)計要求輸出電壓紋波要小于5%,所以有：所以電容C可以選取150F電容。

5雙向半橋變換器的硬件電路設(shè)計在確定了電動汽車用加裝超級電容的雙向半橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之后，本設(shè)計對于雙向變換器的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制結(jié)構(gòu)，采樣結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動進(jìn)行了硬件上的分析設(shè)計。5.1整體布局以及控制器選擇本次設(shè)計以單片機作為控制芯片。通過單片機對輸入側(cè)電壓電流，輸出側(cè)電壓電流，負(fù)載電流進(jìn)行采樣分析，將采集的信息發(fā)送至單片機中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在經(jīng)過單片機一系列內(nèi)部運算之后，確定開關(guān)器件IGBT的占空比，輸出控制用PWM波。在經(jīng)過驅(qū)動電路調(diào)壓后，將觸發(fā)信號輸送入IGBT中，實現(xiàn)雙線半橋變換器的升降壓運行，驅(qū)動電動汽車正常運行。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖5.1所示：圖5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure5.1Structureofthesystem在單片機的選擇方面，通過對于當(dāng)前各類型系列的單片機進(jìn)行分析比較，選用了宏興科技最新研發(fā)的一代產(chǎn)品，STC90C516RD+。相比于其他系列，該型號單片機能過做到更高要求的快速響應(yīng)，并且在能耗上也有新的改進(jìn)。在程序編寫設(shè)計方面，也能與51系列單片機做到完美的兼容性而不需要擔(dān)心編程上的困擾。其工作溫度范圍：0-75℃/-40-+85℃，考慮到電動汽車在實際運行中的溫度狀況，充分滿足其電源系統(tǒng)的應(yīng)用要求。5.2采樣電路的設(shè)計要實現(xiàn)對雙向變換器升降壓的精準(zhǔn)控制，就需要準(zhǔn)確的采集變換器中超級電容側(cè)的電壓值以及電流值，經(jīng)雙向變換器變換后的輸出電壓電流值以及直流母線側(cè)上的電流值。以此標(biāo)準(zhǔn)，來確定變換器的工作模式以及控制中心所輸出的PWM波占空比的數(shù)值。由此可看出采集電路對于電動汽車控制系統(tǒng)的重要意義。5.2.1電壓采樣電路的設(shè)計電壓采樣電路選取使用電壓霍爾傳感器，主要檢測的是雙向變化器兩端的輸入輸出電壓。具體選用森社電子有限公司生產(chǎn)的型號為CHV-25P/400電壓傳感器。傳感器電路結(jié)構(gòu)如圖5.2：圖5.2電壓傳感器CHV-25P/400Figure5.2VoltagesensorCHV-25P/400CHV-25P/400電壓傳感器應(yīng)用方法如下：傳感器的和接線端分別連接所測物兩端電壓的正、負(fù)極，傳感器右側(cè)的正、負(fù)極接線端連接供電電壓。其供電電壓范圍要求在±12~15V，傳感器自身可測量電壓范圍在，可以充分滿足本次設(shè)計需要。所檢測的電流從M端輸出，經(jīng)采樣電阻接到零電位，原副邊匝數(shù)比是。而依據(jù)其匝數(shù)比來確定其電流比，從而可以計算出采樣電阻大小。當(dāng)測量主電路的低壓側(cè)時，當(dāng)測量雙向變換器低壓側(cè)電壓40V時,原邊流過的電流為額定電流10mA，則原邊采樣電阻大小為（5-1）考慮到實際器件散熱方面的問題，防止由于溫度過高而對采樣的準(zhǔn)確性造成影響，可以選擇4個1kΩ電阻串聯(lián)來分壓散熱。由于控制器選取了STC90C516RD+的單片機，根據(jù)單片機端口電壓最大不得超過3V，副邊采樣電阻可以選用阻值為120Ω的電阻，則由此可計算副邊采樣電壓最大為：（5-2）滿足單片機端口輸入電壓范圍要求。針對測量雙向變換器母線輸出側(cè)時，輸出側(cè)最大電壓為80V，依照上述公式5-1可計算采樣電阻大小為：（5-3）為了便于電阻散熱，防止由于溫度過高而對采樣的準(zhǔn)確性造成影響，可以選擇4個2kΩ電阻串聯(lián)代替。按照輸出電壓不得超過3V，副邊采樣電阻可以120Ω的電阻，則副邊采樣電壓為：（5-4）滿足單片機端口輸入電壓范圍要求。5.2.2電流采樣電路的設(shè)計在電流采樣方面選取的是電流霍爾傳感器，通過閉環(huán)霍爾電流傳感器能夠得到雙向變換器輸入輸出側(cè)的電流信號，依靠串接采樣電阻的方法，可以將變換器中流動的大電流轉(zhuǎn)換成可以適用于單片機采樣范圍，0-3V的電壓信號。雙向變換器的最大電流約為50A，依然可以選用與電壓傳感器CHV-25P/400相同公司森社電子有限公司所生產(chǎn)的型號為CHB-100SF的電流傳感器，圖5-3為電流傳感器CHB-100SF。圖5.3電流傳感器CHB-100SFFigure5.3CurrentsensorCHB-100SF該電流傳感器的1，2接線端分別與供電電源的正、負(fù)極相連，檢測到的電流從3接線端輸出，轉(zhuǎn)換為合適的電流信號輸送給單片機中。其供電電壓范圍為,所測量的電流范圍為，可以充分滿足本次設(shè)計的雙向半橋變換器的需求。其原邊額定電流為100A,原副邊匝數(shù)比為1：1000?？紤]到本次設(shè)計需要，當(dāng)檢測的最大電流為50A時，按照副邊輸出電壓最大不超過3V,副邊采樣電阻選取阻值為60的電阻，則副邊采樣所得到的最大電壓依據(jù)公式5-5為：(5-5)5.3驅(qū)動電路的設(shè)計驅(qū)動電路便是對于控制器所輸出的控制信號，由于其功率原因無法啟動開關(guān)器件正常工作，而對信號進(jìn)行放大以滿足要求的一種輔助形式的電路結(jié)構(gòu)。由于本次設(shè)計選用的單片機雖然可以發(fā)出控制信號，但這不足以直接啟動控制開關(guān)器件，因而必須設(shè)計合理的驅(qū)動電路，放大控制信號，這樣才能對進(jìn)行開關(guān)管進(jìn)行精準(zhǔn)的驅(qū)動控制。而在實際設(shè)計中驅(qū)動電路是否滿足要求做到穩(wěn)定可靠，這直接決定了這個控制中心能否現(xiàn)在準(zhǔn)確控制，因此設(shè)計一個穩(wěn)定可靠的驅(qū)動電路是必要的。根據(jù)本次設(shè)計所用的由仙童公司生產(chǎn)的SGH80N60UFD型IGBT，查詢該器件的具體參數(shù)，確定了其門極觸發(fā)電壓為20V，參數(shù)見圖5.4所示。圖5.4SGH80N60UFD型IGBT參數(shù)表Figure5.4SGH80N60UFDIGBTparametertable驅(qū)動電路方面，最終選取了CONCEPT公司生產(chǎn)的一款型號為2SD315A的集成驅(qū)動模塊，一片芯片能產(chǎn)生兩路獨立的PWM信號，兩片該芯片就能達(dá)到控制要求。2SD315A集成驅(qū)動芯片選用+15V電源進(jìn)行供電，內(nèi)部設(shè)計含有過流保護(hù)功能，所以最大的特點便是具備安全性、智能性與易用性。于此同時，還能輸出較大的電流，其瞬時輸出的最大電流可以達(dá)到15A，具有很好的驅(qū)動和隔離電壓的能力。

該芯片具有同時進(jìn)行兩相控制調(diào)整的通道，并且對于等級在1200V及其以上的IGBT有很好的適用性與驅(qū)動性。在這一方面上，可以與本次設(shè)計的雙向半橋變換器很好的進(jìn)行配合。2SD315A構(gòu)成驅(qū)動電路見圖5.5所示。圖5.5驅(qū)動電路Figure5.5Drivecircuit以2SD315A作為核心的驅(qū)動電路，其端口INA,INB作為單片機輸出的PWM波的輸入端，經(jīng)過芯片內(nèi)部的調(diào)整控制，輸入的PWM波形得以調(diào)整修正，同時還對其波形的抗干擾能力進(jìn)行了提升。本次設(shè)計的驅(qū)動電路以分別以C1,E1和G1作為控制開關(guān)器件S1的一路PWM輸出端口，以C2,E2和G2作為控制開關(guān)器件S2的另一路PWM輸出端口。C1C2分別接通IGBT的集電極，E1E2接發(fā)射極，G1G2接?xùn)艠O。在保護(hù)控制方面，端口SO1與SO2作為故障輸出端，當(dāng)相對應(yīng)通道出現(xiàn)狀況時，SO端口輸出低電平，與此同時2SD315A開啟自鎖功能，能完美地保證電路安全，防止出現(xiàn)雙向變換器出現(xiàn)上下兩路開關(guān)管同時導(dǎo)通而致使變換器發(fā)生短路這一嚴(yán)重失控現(xiàn)象。在實際電路連接中，需盡可能將驅(qū)動電路與開關(guān)管靠近連接，使線路長度盡可能短，以此來增強電路抗干擾能力。5.4AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計雖然在經(jīng)過了電壓采樣電路以及電流采樣電路將所需的檢測控制的電壓電流，經(jīng)過按比例的縮小成為單片機端口可以承受的0-3V電壓后，仍然存在的問題是單片機端口無法直接讀取電壓信號，此時單片機所接收得信號僅僅為端口得高低電平，并無法對得到的信號進(jìn)行計算，所以需要將采樣得到的模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號，來供單片機進(jìn)行讀取并作出控制運算。本次設(shè)計上，選用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該變換器功能引腳圖見圖5.6。圖5.6ADC0809功能引腳圖Figure5.6FunctionalpindiagramofADC0809ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換器主要接口功能如下：IN0-IN7為模擬量輸入通道，D0-D7為數(shù)字量輸出通道，ABC對應(yīng)地址線，通過二進(jìn)制運算分別于IN0-IN7相對應(yīng)。START為轉(zhuǎn)換啟動信號，控制轉(zhuǎn)換器的運行，OE為數(shù)據(jù)允許輸出信號，CLOCK為時鐘信號而EOC為終止轉(zhuǎn)換信號。

6軟件設(shè)計與仿真在確定了雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選定變換器輸入輸出的參數(shù)并對硬件電路各部分模塊進(jìn)行了設(shè)計之后，本節(jié)就變換器的檢測，控制與啟動進(jìn)行軟件上的編程設(shè)計，給出整個DC變換器控制的程序框圖，對部分模塊，AD模塊采樣與單片機輸出PWM波進(jìn)行編程設(shè)計。針對雙向半橋變換器對輸入輸出電壓的斬波與單片機輸出可調(diào)的PWM波分別使用不同軟件Multisim與Protues進(jìn)行仿真，以判斷設(shè)計是否可行。6.1程序框圖主程序框圖見圖6.1所示?？刂崎_始，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，保證了系統(tǒng)不受其他因素干擾。經(jīng)過保護(hù)系統(tǒng)檢測后，還是進(jìn)行對半橋變換器電壓信號與電流信號采樣，以此來判斷此時是否需要雙向變換器的啟動。如果不需要，則結(jié)束程序，若需要，則再一次判斷雙向變換器工作應(yīng)為正向還是反向。在判斷方向后通過對采樣的電壓電流信號進(jìn)行控制與計算，得出所需的占空比，控制單片機輸出PWM波以驅(qū)動變換器運行。再判斷是否需要繼續(xù)運行變換器，如需要則重復(fù)上述過程，不需要則結(jié)束程序。6.2系統(tǒng)程序設(shè)計6.2.1單片機輸出PWM波設(shè)計STC90C516RD+型單片機在程序內(nèi)容上與51系列完美兼容，所以在程序編寫上完全可參照51系列進(jìn)行設(shè)計。本節(jié)程序設(shè)計便是以輸出一路PWM波，占空比可調(diào)為要求進(jìn)行設(shè)計。內(nèi)容包含對端口的定義，占空比的加減方式，中斷消抖與延時定時等環(huán)節(jié)。#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar//宏定義#defineuintunsignedintucharcount;//定于count sbitPWM=P0^0;//1.0口輸出PWM信號sbits1=P1^4; //按鍵S1加占sbits2=P1^5; //按鍵S2減占空比ucharN=0; //定義N值voiddelay(uintk) //延時函數(shù)圖6.1主程序框圖Figure6.1MainProgramBoxMap{uintdatai,j;for(i=0;i<k;i++){for(j=0;j<121;j++) {;}}}voidT0_init(void) //定時器t0初始化{TMOD=0x01; //定時器工作模式TH0=(65536-500)/256; //裝入初值高八位TL0=(65536-500)%256; //低八位ET0=1; //開定時器中斷TR0=1; //開始計時EA=1; //開總中斷}voidtime0(void)interrupt1 //中斷函數(shù){TH0=(65536-500)/256; //重裝初值TL0=(65536-500)%256;count++; if(count>N) //比較N和count大小輸出PWM信號{PWM=0;}else{PWM=1;}if(count>=100) //加到100后清零count=0;}voidmain(void) //主函數(shù){ count=0; 先將count清零 T0_init();while(1){if(s1==0) //監(jiān)測按鍵是否按下 {delay(100);//消抖 if(s1==0) {N=N+1; if(N>100) N=100; } }if(s2==0) { delay(100); if(s2==0) { N=N-1; if(N<0) {N=0;}}} }}6.2.2A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換程序設(shè)計對單片機A/D模塊進(jìn)行程序設(shè)計，以此確保將采樣得到的信號由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，以此來供單片機內(nèi)部識別，通過算法運算最終確定占空比輸出PWM波。本程序以對一路采樣信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化為例，實現(xiàn)將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的過程。程序?qū)Ω鞫丝谶M(jìn)行定義，包含循環(huán)，中斷和延時等設(shè)計。#include<reg52.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharucharcodeLEDData[]=//定義數(shù)碼管數(shù)組{0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};sbitOE=P1^0;//對管腳定義sbitEOC=P1^1;sbitST=P1^2;sbitCLK=P1^3;voidDelayMS(uintms){//延時函數(shù)設(shè)計uchari;while(ms--){for(i=0;i<120;i++);}}voidDisplay_Result(uchard){//顯示輸入量不同數(shù)字位P2=0xf7;P0=LEDData[d%10];DelayMS(5);P2=0xfb;P0=LEDData[d%100/10];DelayMS(5);P2=0xfd;P0=LEDData[d/100];DelayMS(5);}voidmain(){//主函數(shù)TMOD=0x02;TH0=0x14;TL0=0x00;IE=0x82;TR0=1;P1=0x3f;while(1){//循環(huán)ST=0;//開始AD轉(zhuǎn)換ST=1;ST=0;while(EOC==0);OE=1;Display_Result(P3);//顯示函數(shù)OE=0;}}voidTimer0_INT()interrupt1//中斷{CLK=!CLK;}6.3電路的仿真6.3.1單片機輸出PWM波電路的仿真要確保雙向DC變換器的可行性，首先便是要對控制開關(guān)管穩(wěn)定工作這一點進(jìn)行保證。本次設(shè)計基于Protues仿真軟件，對單片機最小系統(tǒng)進(jìn)行了搭建，由于仿真軟件器件類型有限的問題，選用AT89C52單片機替代STC90C516RD+型單片機進(jìn)行仿真實驗。由于選用的STC90C516RD+單片機在編程上與51系列兼容，程序上二者可以做好完美替換。在仿真設(shè)計上，僅就單片機輸出PWM波控制這一部分，由手動按鈕控制來代替通過控制算法確定占空比的具體數(shù)值。每次加或減，輸出PWM占空比相應(yīng)增加或減少10%。設(shè)計單片機輸出一路PWM波，定義了P0口，并接通了示波器從而能對波形進(jìn)行觀察。本次仿真對占空比在0.3與0.8進(jìn)行了截取，可見圖6.2與圖6.3所示。圖6.2輸出PWM波占空比為0.3的波形Figure6.2OutputofwaveformwithaPWMwaveoccupancyratioof0.3圖6.3輸出PWM波占空比為0.8的波形Figure6.3OutputofwaveformwithaPWMwaveoccupancyratioof0.8通過仿真電路的結(jié)果，對應(yīng)的PWM波得到穩(wěn)定輸出，由此可以確定在由單片機控制PWM波輸出，并以此來確保控制雙向變化器開關(guān)器件的通斷這一設(shè)計上，能夠得以實現(xiàn)。6.3.2雙向半橋變換器仿真針對本次設(shè)計的雙向半橋變換器，并依據(jù)所確定的輸入輸出電壓值對半橋電路的各元器件參數(shù)進(jìn)行確定。為確保設(shè)計的正確與否，各元器件參數(shù)選取是否合理合適，本節(jié)就Multisim仿真軟件對已搭建的雙向半橋變換器進(jìn)行仿真。而作為控制信號的PWM波，在這次仿真設(shè)計中直接進(jìn)行提供，并提供示波器對PWM波形進(jìn)行顯示，仿真圖可見圖6.4所示。圖6.4雙向半橋變換器的仿真結(jié)果Fig.6.4Simulationresultsofbidirectionalhalf-bridgeconverter在本次對雙向半橋變換器的仿真中，為控制變換器所提供的PWM波其頻率對應(yīng)本次設(shè)計頻率20kHZ，控制電壓為600V級IGBT導(dǎo)通電壓15V。而輸入輸出電容的選取，以及電感的選取，都依據(jù)第四章內(nèi)容確定，電容C1C2均為150F，電感3200H。仿真電路的輸入端40V，設(shè)計所輸入PWM波占空比在0.5，由示波器顯示可見波形。輸出端并聯(lián)500電阻，由萬用表對輸出端電壓值測量。理論電壓值應(yīng)為80V，由仿真電路輸出電壓值經(jīng)過一段時間震蕩浮動，穩(wěn)定在79.069V。6.4雙向變換器總系統(tǒng)電路圖在確定了雙向半橋變換器電路之后，通過選用的CHV-25P/400電壓傳感器與CHB-100SF電流傳感器分別對變換器的電壓和電流進(jìn)行采樣。將采集到的信號傳送至數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADC0809中，將模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號傳輸至單片機中，單片機內(nèi)部通過對采集的信號進(jìn)行比對計算，確定占空比輸出兩路PWM波，將輸出的PWM波送入2SD315A芯片中對PWM波進(jìn)行功率放大，2SD315A的兩路輸出端控制雙向半橋的IGBT通斷?？傁到y(tǒng)電路圖可見圖6.5所示，或見結(jié)論后大圖。圖6.5設(shè)計總電路圖Figure6.5Designtotalcircuitdiagram

7技術(shù)經(jīng)濟分析本次畢業(yè)設(shè)計，以電動汽車電源控制系統(tǒng)的雙向變化器為研究對象，了解了當(dāng)前電動汽車發(fā)展的現(xiàn)狀與前景，并對當(dāng)前電動汽車發(fā)展所遇到的問題進(jìn)行了探究。確定了電源控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以后，通過對電動汽車加裝超級電容來減輕蓄電池負(fù)擔(dān)，而本次設(shè)計的雙向變換器便是基