0 引言

    超級(jí)電容是一種免維護(hù)的綠色儲(chǔ)能元件，功率密度大而循環(huán)充放電次數(shù)多，可以在短時(shí)間內(nèi)大電流充放電，近年來逐漸應(yīng)用于電動(dòng)汽車、城市軌道交通等領(lǐng)域^[1-2]。雖然超級(jí)電容的應(yīng)用研究有很多，包括充放電特性、充電效率、充電系統(tǒng)等，但專門研究針對(duì)應(yīng)用于大功率場(chǎng)合的超級(jí)電容充電機(jī)的文獻(xiàn)依然偏少。大功率開關(guān)電源工作時(shí)， 高頻、大電流開關(guān)狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁干擾，不僅給電網(wǎng)帶來污染，還會(huì)影響控制電路的穩(wěn)定工作；而且大功率輸出時(shí)，開關(guān)損耗嚴(yán)重，功率降低，效率下降^[3-4]。

    本文設(shè)計(jì)了一種基于開關(guān)電源的大功率超級(jí)電容智能充電機(jī)，以三相交流電為輸入電源，充電機(jī)最大輸出功率為20 kW，最大充電電流為200 A，適用于以超級(jí)電容為儲(chǔ)能元件的校園電動(dòng)車、城市觀光旅游車等充電。

1 充電機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 充電機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

    超級(jí)電容充電機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由主電路和控制電路構(gòu)成。主電路主要由輔助電源模塊、繼電器控制模塊和主充電電源模塊構(gòu)成。充電機(jī)的控制電路主要由整機(jī)控制模塊、系統(tǒng)保護(hù)控制模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、人機(jī)交互控制模塊和CAN通信模塊組成。整機(jī)控制模塊是充電機(jī)系統(tǒng)的控制中心，采用帶有CAN接口的PIC18F458為控制器，通過支配和控制各模塊工作，完成充電信息采集、充電狀態(tài)監(jiān)控、故障檢測(cè)等功能。

1.2 充電機(jī)工作原理

    充電機(jī)上電后，輔助電源模塊工作，使充電機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)。待系統(tǒng)自檢正常后，首先通過CAN通信讀取超級(jí)電容充電前的電池狀態(tài)，再根據(jù)電池容量、環(huán)境狀態(tài)等確定合理的充電模式，包括恒流充電、恒流轉(zhuǎn)恒壓充電和恒功率充電^[5-6]，然后繼電器控制模塊工作，主充電電源模塊在驅(qū)動(dòng)控制模塊的驅(qū)動(dòng)下給超級(jí)電容充電。充電時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊采集電壓、電流和溫度等，并用于反饋控制。同時(shí)檢測(cè)故障，實(shí)現(xiàn)故障自診斷功能，一旦出現(xiàn)欠壓、過壓、過流、短路、過熱、缺相故障，充電機(jī)調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)來減小充電電流或直接控制繼電器切斷電源。人機(jī)交互模塊顯示充電狀態(tài)，包括充電模式、充電電流、充電電壓、故障原因、充電時(shí)間等。充電機(jī)循環(huán)讀取電池狀態(tài)，直至充電結(jié)束。

2 主充電電源及驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

2.1 主充電電源模塊

    主充電電源模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。380 V三相交流電輸入后，經(jīng)過EMI濾波、三相橋式整流和LC濾波得到較為平滑的直流電壓，再通過由IGBT逆變電路、高頻變壓器、整流電路和濾波電路組成的全橋變換器，最終輸出到超級(jí)電容。

2.2 全橋變換器及驅(qū)動(dòng)控制

    全橋變換器及驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。為降低電磁干擾，一方面在輸入側(cè)添加EMI濾波，另一方面在變換器副邊添加無源鉗位電路，為實(shí)現(xiàn)零電流零電壓（ZVZCS）工作提供條件。同時(shí)采用這種簡(jiǎn)單的無源鉗位輔助電路，可以抑制整流二極管的尖峰電壓，因而無需添加緩沖電路^[7-8]。驅(qū)動(dòng)控制模塊采用具有過流、欠壓等保護(hù)功能的IGBT專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2233，采用有限雙極性法控制，控制器輸出PWM控制超前橋臂，輸出固定脈寬且半個(gè)周期互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制滯后橋臂。超前橋臂通過并聯(lián)電容和二極管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，滯后橋臂通過變壓器原邊漏感、鉗位電容和二極管實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)。

3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

3.1 缺相保護(hù)設(shè)計(jì)

    缺相保護(hù)電路如圖4所示。由整流二級(jí)管、光電耦合器和與門芯片組成，正常情況下，與門輸出總為高電平，一旦某一相出現(xiàn)問題，與門就會(huì)被拉低，控制器缺相檢測(cè)引腳RE1診斷出缺相故障后，將切斷繼電器，人機(jī)交互模塊顯示缺相故障并報(bào)警。

3.2 過流保護(hù)設(shè)計(jì)

    過流保護(hù)具有雙重保護(hù)功能，包括IGBT過流保護(hù)和充電機(jī)輸出端過流保護(hù)，均通過檢測(cè)電流實(shí)現(xiàn)保護(hù)。IGBT驅(qū)動(dòng)芯片IR2233自帶IGBT過流保護(hù)功能，如圖3所示，ITRIP引腳為過流信號(hào)輸入端，引腳為故障輸出端，一旦ITRIP引腳檢測(cè)到過流信號(hào)，IR2233將關(guān)閉驅(qū)動(dòng)輸出，控制器通過引腳判斷出現(xiàn)過流故障^[9]。

    充電機(jī)采用霍爾電流傳感器采集充電機(jī)輸出電流，當(dāng)檢測(cè)到輸出電流大于最大充電電流的5%(210 A)時(shí)，即表明輸出端出現(xiàn)過流故障?？刂破髟\斷出過流故障后，將通過人機(jī)交互模塊顯示過流故障，然后調(diào)整IGBT驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，減小充電電流。

3.3 短路保護(hù)設(shè)計(jì)

    充電機(jī)輸出側(cè)短路保護(hù)電路如圖5所示，由一個(gè)過零比較器和與門芯片組成，與門輸出端接繼電器控制腳。正常工作時(shí)，與門輸出高電平，繼電器接通電路；出現(xiàn)短路故障時(shí)，與門即刻輸出低電平，繼電器立刻停止工作。繼電器不工作時(shí)，控制器若檢測(cè)到RA5為高電平，則人機(jī)交互模塊顯示出現(xiàn)短路故障。

3.4 欠壓及過壓保護(hù)設(shè)計(jì)

    充電機(jī)輸入側(cè)電壓檢測(cè)電路如圖6所示，利用光耦采集充電機(jī)輸入側(cè)電壓，若檢測(cè)到輸入電壓超過正常范圍486 V～590 V，則控制器停止驅(qū)動(dòng)IGBT，人機(jī)交互模塊報(bào)警并顯示欠壓或過壓故障。 

3.5 過熱保護(hù)設(shè)計(jì)

    過熱保護(hù)包括IGBT過熱保護(hù)和超級(jí)電容過熱保護(hù)。數(shù)據(jù)采集模塊通過溫度傳感器采集其溫度場(chǎng)，并與整機(jī)控制模塊進(jìn)行CAN通信，若控制器發(fā)現(xiàn)IGBT或超級(jí)電容過熱，則減小充電電流，同時(shí)人機(jī)交互模塊顯示出現(xiàn)過熱故障。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

    超級(jí)電容充電機(jī)主程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化和系統(tǒng)自檢，檢測(cè)無故障后，依次調(diào)用相應(yīng)的子程序，包括CAN子程序、故障自診斷子程序、充電子程序和顯示子程序等。系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)并儲(chǔ)存充電前后電池狀態(tài)，方便用戶查詢歷史數(shù)據(jù)。

4.2 故障自診斷子程序

    充電機(jī)故障自診斷子程序如圖8所示。充電機(jī)具有故障自診斷功能，一旦出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將自動(dòng)響應(yīng)，同時(shí)人機(jī)交互模塊顯示故障原因并報(bào)警。

5 實(shí)驗(yàn)

5.1 充電機(jī)穩(wěn)定性測(cè)試

    為了驗(yàn)證充電機(jī)的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了充電機(jī)恒流輸出、恒壓輸出和恒功率輸出的穩(wěn)定精度。因超級(jí)電容采用大電流充電時(shí)，充電時(shí)間短而且耗能多，所以本實(shí)驗(yàn)采用電阻箱作為負(fù)載，用高精度電壓表和電流表測(cè)量了充電機(jī)工作30 min的穩(wěn)定精度。實(shí)驗(yàn)測(cè)量并記錄了充電機(jī)設(shè)定為180 A恒流工作時(shí)的實(shí)際輸出電流，80 V恒壓工作時(shí)的實(shí)際輸出電壓和10 kW恒功率工作時(shí)的實(shí)際輸出功率，分別計(jì)算了穩(wěn)流精度、穩(wěn)壓精度和恒功率精度，結(jié)果如圖9所示。由圖可知：充電機(jī)恒流輸出、恒壓輸出或恒功率輸出時(shí)，充電機(jī)的穩(wěn)定精度均在0.45%左右波動(dòng)。

5.2 充電機(jī)充電效率測(cè)試

    為了驗(yàn)證充電機(jī)的高效性，用三相功率表測(cè)量了不同輸出功率時(shí)充電機(jī)的工作效率，充電機(jī)的效率曲線如圖10所示。由圖可知：充電機(jī)輸出功率為5 kW時(shí)充電效率最高，充電效率為92.4%，充電機(jī)最低充電效率為90.4%。

6 結(jié)論

    為滿足應(yīng)用于大功率場(chǎng)合的超級(jí)電容充電需求，設(shè)計(jì)了一種具有故障自診斷功能的ZVZCS大功率超級(jí)電容充電機(jī)，最大輸出功率可達(dá)20 kW，最大充電電流可達(dá)200 A。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了充電機(jī)的穩(wěn)定精度和充電效率，結(jié)果可知：充電機(jī)恒流輸出、恒壓輸出或恒功率輸出時(shí)，充電機(jī)的穩(wěn)定精度均小于0.5%，表明充電機(jī)工作穩(wěn)定，受電磁干擾影響較??；充電機(jī)在最大輸出功率范圍工作時(shí)的充電效率均超過了90%，表明充電機(jī)開關(guān)損耗較低，充電效率高。該充電機(jī)滿足超級(jí)電容對(duì)充電設(shè)備的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 許愛國(guó)，謝少軍，姚遠(yuǎn)，等.基于超級(jí)電容的城市軌道交通車輛再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25(3)：117-123.

[2] 曹秉剛，曹建波，李軍偉，等.超級(jí)電容在電動(dòng)車中的應(yīng)用研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42(11)：1317-1322.

[3] 李宏.淺析高頻開關(guān)電源的發(fā)展[J].電氣應(yīng)用，2011(4)：50-54.

[4] 魯莉，鄒云屏，陳偉.低壓大電流直流開關(guān)電源電磁兼容設(shè)計(jì)研究[J].通信電源技術(shù)，2007，24(3)：37-39.

[5] 孟彥京，張商州，陳景文，等.充電方式對(duì)超級(jí)電容能量效率的影響[J].電子器件，2014，37(1)：13-16.

[6] 王賢泉，鄭中華.超級(jí)電容器充放電特性研究[J].船電技術(shù)，2011，31(4)：55-56.

[7] 張鐵成，王宏佳，張學(xué)廣，等.一種采用無源鉗位電路的新型零電壓零電流開關(guān)變換器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(17)：72-76.

[8] 成庶，陳特放，余明揚(yáng).一種新型有源次級(jí)鉗位全橋零電壓零電流軟開關(guān)PWM變換器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(12)：44-49.

[9] 周志敏，紀(jì)愛華，等.IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用電路實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.