一種基于stm32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)，包括兩套相互并聯(lián)的主電路和基于STM32的控制電路；兩套主電路結(jié)構(gòu)相同，由輸入整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊、輸出整流濾波模塊組成；基于STM32的控制電路包括電壓電流檢測(cè)模塊、故障保護(hù)模塊、STM32數(shù)字化控制系統(tǒng)模塊、人機(jī)界面模塊、高頻驅(qū)動(dòng)模塊。本發(fā)明首次使用兩套相互并聯(lián)的主電路，采用先進(jìn)的高頻MOSFET逆變技術(shù)和STM32數(shù)字化控制技術(shù)，有效地提高了電動(dòng)汽車直流充電電源的輸出功率，獲得更高的功率密度，可靠性高、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低；實(shí)現(xiàn)大功率并聯(lián)系統(tǒng)的STM32全數(shù)字化控制，系統(tǒng)升級(jí)方便，控制電路集成度高、智能化程度高，特別適用于大功率電動(dòng)汽車直流充電。
【專利說(shuō)明】—種基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高頻MOSFET逆變技術(shù)和STM32數(shù)字化控制技術(shù)的領(lǐng)域，尤其是指一種基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]以動(dòng)力蓄電池為能源的電動(dòng)汽車被認(rèn)為是21世紀(jì)的綠色工程，它的出現(xiàn)將汽車工業(yè)的發(fā)展帶入了一個(gè)全新的領(lǐng)域。目前，電動(dòng)汽車核心部件中的蓄電池、充電器的發(fā)展還不能滿足人們?cè)絹?lái)越高節(jié)奏生活的要求，有的一些理論和技術(shù)問(wèn)題還有待攻關(guān)。
[0003]目前，我國(guó)的電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池大多為鉛酸蓄電池，這主要是由于鉛酸蓄電池具有技術(shù)成熟、成本低、電池容量大、跟隨負(fù)荷輸出特性好、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。自鉛酸蓄電池問(wèn)世以來(lái)，由于各技術(shù)條件的限制，市場(chǎng)上多數(shù)采用的充電方法均未能遵從電池內(nèi)部的物理化學(xué)規(guī)律，使整個(gè)充電過(guò)程存在著嚴(yán)重的過(guò)充電和析氣現(xiàn)象，充電效率低。電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池與一般蓄電池還有所不同，它以較長(zhǎng)時(shí)間中等電流持續(xù)放電為主，間或以大電流放電，用于啟動(dòng)、加速或爬坡。一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車用蓄電池多工作在深度充放電工作狀態(tài)。因此，對(duì)電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池的快速充電提出了不同于常規(guī)電池的要求，它必須具有充電時(shí)間短、對(duì)蓄電池使用壽命影響小的特點(diǎn)。目前，電動(dòng)汽車充電電源主要通過(guò)PWM開(kāi)關(guān)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電流電壓控制，電動(dòng)汽車的材料、結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)及控制等技術(shù)已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，但是電池能量存儲(chǔ)技術(shù)、快速充電技術(shù)制約著電動(dòng)汽車發(fā)展和普及，因此，研發(fā)高性能電池和適用于電動(dòng)汽車專用充電電源系統(tǒng)，解決車載電池快速、安全充電勢(shì)在必行。隨著STM32控制技術(shù)的日益完善，運(yùn)用STM32數(shù)字化控制技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車充電電源進(jìn)行數(shù)字化控制研究，開(kāi)發(fā)出電動(dòng)汽車專用充電設(shè)備，對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。我國(guó)在“十五”規(guī)劃中已經(jīng)把對(duì)電動(dòng)汽車的研究列為國(guó)家高科技攻關(guān)項(xiàng)目和國(guó)家“863”科技攻關(guān)項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，電動(dòng)汽車制造技術(shù)己經(jīng)趨于成熟，但在提高動(dòng)力電池性能和突破充電技術(shù)瓶頸之前，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的普及還需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。盡管充電機(jī)系統(tǒng)控制技術(shù)取得了一定的成就，但距離滿足電動(dòng)汽車市場(chǎng)化的充電要求還有很長(zhǎng)的一段路要走。
[0004]當(dāng)前，電動(dòng)汽車充電電源因受到半導(dǎo)體功率器件容量的限制和高頻變壓器磁性材料的制約，輸出功率不大，單個(gè)逆變單元模塊輸出功率往往不能滿足大功率充電的要求，國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車充電電源一般以單個(gè)逆變單元模塊輸出為主，雖然在技術(shù)上比較成熟，但是還普遍存在輸出功率小、充電速率慢、充電效率低等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ARM處理器STM32為核心，將數(shù)字化控制技術(shù)應(yīng)用到全橋逆變模塊并聯(lián)系統(tǒng)中，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的大功率輸出，高效節(jié)能，充電速度快，適合電動(dòng)汽車的大功率充電。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為:一種基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)，包括兩套相互并聯(lián)的主電路，及用于調(diào)節(jié)該兩套主電路的輸出電流電壓和提供參數(shù)顯示的基于STM32的控制電路；其中，所述并聯(lián)的兩套主電路結(jié)構(gòu)相同，均主要由依次連接的輸入整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊和輸出整流濾波模塊組成，所述輸入整流濾波模塊與三相交流輸入電網(wǎng)相連接，所述輸出整流濾波模塊與電池負(fù)載相連接；所述基于STM32的控制電路主要由電壓電流檢測(cè)模塊、故障保護(hù)模塊、STM32數(shù)字化控制模塊、人機(jī)界面模塊和高頻驅(qū)動(dòng)模塊組成，所述電壓電流檢測(cè)模塊有兩個(gè)，且一個(gè)電壓電流檢測(cè)模塊對(duì)應(yīng)一套主電路，每個(gè)電壓電流檢測(cè)模塊的輸入端與相應(yīng)的電池負(fù)載相連接，其輸出端與STM32數(shù)字化控制模塊相連接，所述故障保護(hù)模塊有兩個(gè)，且一個(gè)故障保護(hù)模塊對(duì)應(yīng)一套主電路，每個(gè)故障保護(hù)模塊的輸入端與相應(yīng)的三相交流輸入電網(wǎng)相連接，其輸出端與STM32數(shù)字化控制模塊相連接，所述人機(jī)界面模塊與STM32數(shù)字化控制模塊相連接，所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊有兩個(gè)，且一個(gè)高頻驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)應(yīng)一套主電路，該兩個(gè)高頻驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端分別與STM32數(shù)字化控制模塊相連接，其輸出端分別與各自相應(yīng)的主電路的高頻逆變模塊相連接。
[0007]所述STM32數(shù)字化控制模塊包括型號(hào)為L(zhǎng)T1117-3.3的電源轉(zhuǎn)換芯片、型號(hào)為STM32F103ZET6的控制芯片、32.768KHz的無(wú)源晶振和8MHz的無(wú)源晶振以及型號(hào)為IS61LV12816的存儲(chǔ)芯片，所述電源轉(zhuǎn)換芯片、無(wú)源晶振、存儲(chǔ)芯片分別與控制芯片一一對(duì)應(yīng)相接，所述控制芯片內(nèi)嵌有可產(chǎn)生兩組四路移相脈寬調(diào)制信號(hào)的事件管理器，分別用于兩套主電路的PWM調(diào)制；其中，所述電源轉(zhuǎn)換芯片將外部供電電源+5V電平轉(zhuǎn)換成控制芯片的+3.3V電平，所述控制芯片主要實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)主電路輸出端采樣所得的電壓電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和進(jìn)行PI運(yùn)算，再根據(jù)運(yùn)算值輸出相應(yīng)的PWM移相角來(lái)驅(qū)動(dòng)主電路的MOSFET開(kāi)關(guān)管，實(shí)現(xiàn)兩套并聯(lián)主電路輸出電壓電流的調(diào)節(jié)；所述32.768KHz的無(wú)源晶振為控制芯片的LSE提供時(shí)鐘，用于支持RTC ;所述8MHz的無(wú)源晶振為控制芯片的HSE提供時(shí)鐘，作為控制芯片的主時(shí)鐘基頻，芯片內(nèi)部經(jīng)過(guò)5倍倍頻后得到40MHz主頻；所述存儲(chǔ)芯片主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面模塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
[0008]所述主電路采用電壓型全橋移相軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括有三相空氣開(kāi)關(guān)，輸入三相整流橋，四個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管，諧振電感，四個(gè)輸出整流二極管，電感，電容；其中，每個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管上帶有寄生二極管和寄生電容，電感和電容構(gòu)成LC濾波電路，兩個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管組成的橋臂為超前橋臂，另兩個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管組成的橋臂為滯后橋臂，每個(gè)橋臂的兩個(gè)MOSFET功率管成180°互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂之間的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)該移相角就可以調(diào)節(jié)輸出電壓和電流；所述MOSFET開(kāi)關(guān)管的寄生電容和功率變壓模塊的寄生電感、漏感以及諧振電感構(gòu)成一個(gè)LC諧振回路，在MOSFET開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)零電壓諧振換流，使其工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
[0009]所述電壓電流檢測(cè)模塊包括電壓采樣電路和電流采樣電路，其中，所述電壓采樣電路采用非隔離電阻分壓采樣，并引進(jìn)了一個(gè)由電阻、電容構(gòu)成的閉環(huán)零點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，增加了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，而經(jīng)過(guò)分壓后得到的小于或等于3.3V的直流信號(hào)經(jīng)過(guò)3.3V的穩(wěn)壓管鉗位后輸入到STM32數(shù)字化控制模塊，并最終實(shí)現(xiàn)Α/D轉(zhuǎn)換；所述電流采樣電路利用串聯(lián)在輸出整流濾波模塊的輸出母線上的分流器對(duì)輸出電流進(jìn)行電流信號(hào)采樣，分流器得到的微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)差分放大器后得到直流信號(hào)，然后再對(duì)其直流信號(hào)進(jìn)行分壓濾波后再經(jīng)過(guò)3.3V的穩(wěn)壓管鉗位后輸入到STM32數(shù)字化控制模塊，并最終實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。
[0010]所述故障保護(hù)模塊包括過(guò)壓保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)電路和過(guò)溫保護(hù)電路，其中，所述過(guò)壓保護(hù)電路和欠壓保護(hù)電路的一端分別與接入的三相交流電網(wǎng)相連接，其另一端分別與STM32數(shù)字化控制模塊相連接；所述過(guò)流保護(hù)電路的一端連接有初級(jí)電流霍爾傳感器，其另一端與STM32數(shù)字化控制模塊相連接；所述過(guò)溫保護(hù)電路的一端連接有散熱器的溫度繼電器，其另一端與STM32數(shù)字化控制模塊相連接。
[0011]所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊主要由相互連接的脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器和MOSFET式圖騰柱推動(dòng)結(jié)構(gòu)組成，用于將STM32數(shù)字化控制模塊輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)放大后輸入相應(yīng)高頻逆變模塊，作為逆變橋MOSFET開(kāi)關(guān)管組的開(kāi)關(guān)信號(hào)。
[0012]所述人機(jī)界面模塊為L(zhǎng)CD顯示屏，用于顯示充電電流和電壓的給定值和反饋值。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果:
[0014]1、本發(fā)明采用并聯(lián)式大功率主電路來(lái)獲得更大功率的輸出，從而獲得更高的功率密度，可靠性高、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低；
[0015]2、本發(fā)明的控制核心采用基于STM32的全數(shù)字化控制技術(shù)，系統(tǒng)升級(jí)方便，控制電路集成度高、一致性好、易于標(biāo)準(zhǔn)化、智能化程度高；
[0016]3、本發(fā)明采用了電壓電流反饋的數(shù)字化控制技術(shù)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性優(yōu)良、控制精
度高、穩(wěn)定可靠。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明所述基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0018]圖2為本發(fā)明所述主電路的電路原理圖。
[0019]圖3為本發(fā)明所述STM32數(shù)字化控制模塊的電路原理圖。
[0020]圖4為本發(fā)明所述電壓電流檢測(cè)模塊的電路原理圖。
[0021]圖5為本發(fā)明所述故障保護(hù)模塊的電路原理圖。
[0022]圖6為本發(fā)明所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖。
[0023]圖7為本發(fā)明所述基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)的程序流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0025]如圖1所示，本實(shí)施例所述的基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)，包括兩套相互并聯(lián)的主電路，及用于調(diào)節(jié)該兩套主電路的輸出電流電壓和提供參數(shù)顯示的基于STM32的控制電路；其中，所述并聯(lián)的兩套主電路結(jié)構(gòu)相同，均主要由依次連接的輸入整流濾波模塊101、高頻逆變模塊102、功率變壓模塊103和輸出整流濾波模塊104組成，所述輸入整流濾波模塊101與三相交流輸入電網(wǎng)相連接，所述輸出整流濾波模塊104與電池負(fù)載相連接；所述基于STM32的控制電路主要由電壓電流檢測(cè)模塊105、故障保護(hù)模塊106、STM32數(shù)字化控制模塊107、人機(jī)界面模塊108和高頻驅(qū)動(dòng)模塊109組成，所述電壓電流檢測(cè)模塊105有兩個(gè)，且一個(gè)電壓電流檢測(cè)模塊105對(duì)應(yīng)一套主電路，每個(gè)電壓電流檢測(cè)模塊105的輸入端與相應(yīng)的電池負(fù)載相連接，其輸出端與STM32數(shù)字化控制模塊107相連接，所述故障保護(hù)模塊106有兩個(gè)，且一個(gè)故障保護(hù)模塊106對(duì)應(yīng)一套主電路，每個(gè)故障保護(hù)模塊106的輸入端與相應(yīng)的三相交流輸入電網(wǎng)相連接，其輸出端與STM32數(shù)字化控制模塊107相連接，所述人機(jī)界面模塊108與STM32數(shù)字化控制模塊107相連接，所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊109有兩個(gè)，且一個(gè)高頻驅(qū)動(dòng)模塊109對(duì)應(yīng)一套主電路，該兩個(gè)高頻驅(qū)動(dòng)模塊109的輸入端分別與STM32數(shù)字化控制模塊107相連接，其輸出端分別與各自相應(yīng)的主電路的高頻逆變模塊102相連接。所述人機(jī)界面模塊108為L(zhǎng)CD顯示屏，用于顯示充電電流和電壓的給定值和反饋值。
[0026]如圖2所示，所述主電路采用電壓型全橋移相軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括有三相空氣開(kāi)關(guān)SWl，輸入三相整流橋BRl，四個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管Vl?V4，諧振電感L2，四個(gè)輸出整流二極管V5?V8，電感L3，電容C7、C9 ;其中，每個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管上帶有寄生二極管和寄生電容，電感L3和電容C7、C9構(gòu)成LC濾波電路，兩個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管V1、V3組成的橋臂為超前橋臂，另兩個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管V2、V4組成的橋臂為滯后橋臂，每個(gè)橋臂的兩個(gè)MOSFET功率管成180°互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂之間的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)該移相角就可以調(diào)節(jié)輸出電壓和電流；所述MOSFET開(kāi)關(guān)管的寄生電容和功率變壓模塊103的寄生電感、漏感以及諧振電感構(gòu)成一個(gè)LC諧振回路，在MOSFET開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)零電壓諧振換流，使其工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗低，器件的電磁應(yīng)力大幅減少。
[0027]如圖3所示，所述STM32數(shù)字化控制模塊107包括有型號(hào)為L(zhǎng)Tl 117-3.3的電源轉(zhuǎn)換芯片、型號(hào)為STM32F103ZET6的控制芯片、32.768KHz的無(wú)源晶振和8MHz的無(wú)源晶振以及型號(hào)為IS61LV12816的存儲(chǔ)芯片，所述電源轉(zhuǎn)換芯片、無(wú)源晶振、存儲(chǔ)芯片分別與控制芯片一一對(duì)應(yīng)相接，所述控制芯片內(nèi)嵌有可產(chǎn)生兩組四路移相脈寬調(diào)制信號(hào)的事件管理器，分別用于兩套主電路的PWM調(diào)制；其中，所述電源轉(zhuǎn)換芯片將外部供電電源+5V電平轉(zhuǎn)換成控制芯片的+3.3V電平，所述控制芯片主要實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)主電路輸出端采樣所得的電壓電流進(jìn)行Α/D轉(zhuǎn)換和進(jìn)行PI運(yùn)算，再根據(jù)運(yùn)算值輸出相應(yīng)的PWM移相角來(lái)驅(qū)動(dòng)主電路的MOSFET開(kāi)關(guān)管，實(shí)現(xiàn)兩套并聯(lián)主電路輸出電壓電流的調(diào)節(jié)；所述32.768KHz的無(wú)源晶振為控制芯片的LSE提供時(shí)鐘，用于支持RTC ;所述8MHz的無(wú)源晶振為控制芯片的HSE提供時(shí)鐘，作為控制芯片的主時(shí)鐘基頻，芯片內(nèi)部經(jīng)過(guò)5倍倍頻后得到40MHz主頻；所述存儲(chǔ)芯片主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面模塊108的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；所述控制芯片與人機(jī)界面模塊108直接相連接，實(shí)現(xiàn)充電參數(shù)給定值和反饋值的實(shí)時(shí)顯示。本發(fā)明采用Keil公司的軟件平臺(tái)Keil uVision4集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行控制參數(shù)的調(diào)整。
[0028]如圖4所示，所述電壓電流檢測(cè)模塊105主要由電壓采樣電路和電流采樣電路組成，其中，所述電壓采樣電路采用非隔離電阻Rl、R2分壓采樣，并引進(jìn)了一個(gè)由電阻R3、電容C2構(gòu)成的閉環(huán)零點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，增加了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，而經(jīng)過(guò)分壓后得到的小于或等于3.3V的直流信號(hào)經(jīng)過(guò)3.3V的穩(wěn)壓管Dl鉗位后輸入到型號(hào)為STM32F103ZET6的控制芯片的ADCIN1_0 口，并最終實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換；所述電流采樣電路利用串聯(lián)在輸出整流濾波模塊104的輸出母線上的分流器R9對(duì)輸出電流進(jìn)行電流信號(hào)采樣，分流器R9得到的微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)差分放大器Ul后得到較為干凈、平滑的直流信號(hào)，然后再對(duì)其直流信號(hào)進(jìn)行分壓濾波后再經(jīng)過(guò)3.3V的穩(wěn)壓管D2鉗位后輸入到型號(hào)為STM32F103ZET6的控制芯片的ADCIN1_1 口，并最終實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。
[0029]如圖5所示，所述故障保護(hù)模塊106包括有過(guò)壓保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)電路和過(guò)溫保護(hù)電路，其中，所述過(guò)壓保護(hù)電路和欠壓保護(hù)電路的一端分別與接入的三相交流電網(wǎng)相連接，其另一端分別與STM32數(shù)字化控制模塊107相連接；所述過(guò)流保護(hù)電路的一端連接有初級(jí)電流霍爾傳感器，其另一端與STM32數(shù)字化控制模塊107相連接；所述過(guò)溫保護(hù)電路的一端連接有散熱器的溫度繼電器，其另一端與STM32數(shù)字化控制模塊107相連接。過(guò)壓和欠壓保護(hù)電路將三相交流輸入電網(wǎng)經(jīng)工頻變壓器降壓后，用橋式整流電路整流成直流電壓信號(hào)后供給電阻分壓電路，分別調(diào)節(jié)橋式電路電阻R39、R26和R38、R24的大小，就可以改變電網(wǎng)過(guò)壓和欠壓的閥值，即可起到過(guò)壓和欠壓保護(hù)作用。過(guò)溫保護(hù)電路通過(guò)檢測(cè)散熱器上的溫度繼電器的斷開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)，得到CNl的①②斷開(kāi)信號(hào)給比較器U6A的反相輸入端，U6A作為比較器進(jìn)行電壓比較。其同相端為給定參考電壓，當(dāng)散熱器的溫度低于溫度繼電器閥值溫度時(shí)，溫度繼電器閉合，比較器U6A反相輸入端為低電平，比較器U6A輸出高電平；當(dāng)散熱器的溫度高于溫度繼電器閥值溫度時(shí)，溫度繼電器斷開(kāi)，比較器U6A反相輸入端為高電平，比較器U6A輸出低電平，此信號(hào)可引起STM32數(shù)字化控制模塊107的故障保護(hù)中斷。過(guò)流檢測(cè)電路檢測(cè)初級(jí)電流信號(hào)經(jīng)濾波后給比較器U6B的反相輸入端，U6B作為比較器其同相輸入端為給定參考電流，當(dāng)檢測(cè)到的初級(jí)電流大于給定參考電流時(shí)，比較器U6B輸出低電平，此信號(hào)可引起STM32數(shù)字化控制模塊107的故障保護(hù)中斷。圖中與門U13的輸出經(jīng)光耦U14后與STM32的外部中斷引腳GP10G9相連接，當(dāng)與門U13輸出端輸出過(guò)壓、欠壓、過(guò)溫和過(guò)流檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)欠壓、過(guò)壓、過(guò)溫和過(guò)流故障時(shí)，與門輸出低電平，經(jīng)U14光耦后輸出低電平，作為STM32數(shù)字化控制模塊107的故障保護(hù)中斷的觸發(fā)信號(hào)給STM32數(shù)字化控制模塊107的外部中斷引腳GP10G9，進(jìn)入故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序，實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。
[0030]如圖6所示，所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊109主要由相互連接的脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器和MOSFET式圖騰柱推動(dòng)結(jié)構(gòu)組成，用于將STM32數(shù)字化控制模塊107輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)放大后輸入相應(yīng)高頻逆變模塊102，作為逆變橋MOSFET開(kāi)關(guān)管組的開(kāi)關(guān)信號(hào)。所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊109的原邊采用了高速M(fèi)OSFET Nlb?Mb組成的圖騰柱式推動(dòng)結(jié)構(gòu)，能對(duì)STM32數(shù)字化控制模塊107發(fā)送過(guò)來(lái)的驅(qū)動(dòng)脈沖PWMl?PWM4實(shí)現(xiàn)快速切換并加大驅(qū)動(dòng)功率。所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊109的副邊采用了穩(wěn)壓管D9b?DlOb、D16b?D17b、D23b?D24b、D30b?D31b對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)行穩(wěn)壓鉗位，以保證經(jīng)過(guò)脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器Tlb和T2b轉(zhuǎn)換得到的驅(qū)動(dòng)脈沖幅值過(guò)高損壞變換器原邊變換電路高壓MOSFET管Vl?V4 ;電容C7b?ClOb對(duì)高壓MOSFET管Vl?V4進(jìn)行加速驅(qū)動(dòng)，以盡量消除開(kāi)通時(shí)刻MOSFET米勒效應(yīng)帶來(lái)的開(kāi)通延時(shí)不利影響；D13b與Vlb、D20b與V2b、D27b與V3b、D34b與V4b組成的快速放電回路能在驅(qū)動(dòng)脈沖關(guān)斷時(shí)間加速脈沖后沿關(guān)斷，消除關(guān)斷時(shí)刻MOSFET米勒效應(yīng)引起的二次導(dǎo)通。
[0031]如圖7所示，此軟件流程圖設(shè)計(jì)的軟件主要是實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取和輸出電壓和電流的控制，即實(shí)現(xiàn)移相角可調(diào)的PWM脈沖產(chǎn)生、驅(qū)動(dòng)脈沖的移相角調(diào)制、電流電壓控制以及故障保護(hù)?？刂葡到y(tǒng)程序的工作原理為:PI控制器(比例-積分控制器)主要用于基本線性和動(dòng)態(tài)時(shí)不變系統(tǒng)，其控制過(guò)程是把收集的數(shù)據(jù)和參考值進(jìn)行比較，然后把偏差用于計(jì)算新的輸入值，讓系統(tǒng)的輸出值與給定值相等。PI控制器可以通過(guò)輸出偏差的出現(xiàn)概率和歷史數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整輸入值，使系統(tǒng)保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，本發(fā)明通過(guò)對(duì)輸出的充電電流和電壓進(jìn)行PI算法，充電電流和電壓經(jīng)電流和電壓反饋電路檢測(cè)得到反饋值If和Uf，反饋值和給定值Ig和Ug進(jìn)行比較得到偏差e ；e作為控制系統(tǒng)的輸入值，控制系統(tǒng)根據(jù)輸入值e按照一定的控制算法產(chǎn)生移相PWM信號(hào)，移相PWM信號(hào)作為控制信號(hào)，控制主電路的MOSFET開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間，進(jìn)而實(shí)時(shí)控制充電器的充電電流和電壓。
[0032]以下為本實(shí)施例上述基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)的具體工作過(guò)程，如下:
[0033]三相工頻交流電經(jīng)過(guò)輸入整流濾波模塊101成為平滑直流電后進(jìn)入高頻逆變模塊102，然后通過(guò)功率變壓模塊103、輸出整流濾波模塊104進(jìn)入電池負(fù)載；與此同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)電壓電流檢測(cè)模塊105檢測(cè)到電池負(fù)載的電壓、電流信號(hào)與人機(jī)界面模塊108給定的參數(shù)進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)STM32數(shù)字化控制模塊107的PI控制算法運(yùn)算，發(fā)給控制芯片STM32F103ZET6內(nèi)嵌的事件管理器一個(gè)信號(hào)，事件管理器產(chǎn)生兩組各四路移相的PWM信號(hào)，這兩組各四路互補(bǔ)PWM信號(hào)通過(guò)兩個(gè)高頻驅(qū)動(dòng)模塊109放大去控制高頻逆變模塊102的MOSFET開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷，從而得到80kHz高頻高壓電，高頻高壓電再經(jīng)過(guò)功率變壓模塊103轉(zhuǎn)換成低電壓輸出，再經(jīng)過(guò)輸出整流濾波模塊104獲到平滑的直流電壓，也就是反饋閉環(huán)控制過(guò)程；過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和過(guò)溫保護(hù)電路檢測(cè)三相工頻電壓、初級(jí)電流和散熱器溫度，把檢測(cè)到的電壓、電流和溫度信號(hào)送給故障保護(hù)模塊106，如出現(xiàn)過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和過(guò)溫的現(xiàn)象，故障保護(hù)模塊106將送給控制芯片STM32F103ZET6 —個(gè)低電平故障保護(hù)信號(hào)，控制芯片STM32F103ZET6產(chǎn)生低電平PWM通過(guò)高頻驅(qū)動(dòng)模塊109關(guān)斷高頻逆變模塊102的開(kāi)關(guān)管，從而保護(hù)主電路安全工作。
[0034]以上所述之實(shí)施例子只為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)，其特征在于:包括兩套相互并聯(lián)的主電路，及用于調(diào)節(jié)該兩套主電路的輸出電流電壓和提供參數(shù)顯示的基于STM32的控制電路；其中，所述并聯(lián)的兩套主電路結(jié)構(gòu)相同，均主要由依次連接的輸入整流濾波模塊(101 )、高頻逆變模塊(102)、功率變壓模塊(103)和輸出整流濾波模塊(104)組成，所述輸入整流濾波模塊(101)與三相交流輸入電網(wǎng)相連接，所述輸出整流濾波模塊(104)與電池負(fù)載相連接；所述基于STM32的控制電路主要由電壓電流檢測(cè)模塊(105)、故障保護(hù)模塊(106)、STM32數(shù)字化控制模塊(107)、人機(jī)界面模塊(108)和高頻驅(qū)動(dòng)模塊(109)組成，所述電壓電流檢測(cè)模塊(105)有兩個(gè)，且一個(gè)電壓電流檢測(cè)模塊(105)對(duì)應(yīng)一套主電路，每個(gè)電壓電流檢測(cè)模塊(105)的輸入端與相應(yīng)的電池負(fù)載相連接，其輸出端與STM32數(shù)字化控制模塊(107)相連接，所述故障保護(hù)模塊(106)有兩個(gè)，且一個(gè)故障保護(hù)模塊(106)對(duì)應(yīng)一套主電路,每個(gè)故障保護(hù)模塊(106)的輸入端與相應(yīng)的三相交流輸入電網(wǎng)相連接，其輸出端與STM32數(shù)字化控制模塊(107)相連接，所述人機(jī)界面模塊(108)與STM32數(shù)字化控制模塊(107)相連接，所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊(109)有兩個(gè)，且一個(gè)高頻驅(qū)動(dòng)模塊(109)對(duì)應(yīng)一套主電路，該兩個(gè)高頻驅(qū)動(dòng)模塊(109)的輸入端分別與STM32數(shù)字化控制模塊(107 )相連接，其輸出端分別與各自相應(yīng)的主電路的高頻逆變模塊(102 )相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)，其特征在于:所述STM32數(shù)字化控制模塊(107)包括型號(hào)為L(zhǎng)Tl117-3.3的電源轉(zhuǎn)換芯片、型號(hào)為STM32F103ZET6的控制芯片、32.768KHz的無(wú)源晶振和8MHz的無(wú)源晶振以及型號(hào)為IS61LV12816的存儲(chǔ)芯片，所述電源轉(zhuǎn)換芯片、無(wú)源晶振、存儲(chǔ)芯片分別與控制芯片一一對(duì)應(yīng)相接，所述控制芯片內(nèi)嵌有可產(chǎn)生兩組四路移相脈寬調(diào)制信號(hào)的事件管理器，分別用于兩套主電路的PWM調(diào)制；其中，所述電源轉(zhuǎn)換芯片將外部供電電源+5V電平轉(zhuǎn)換成控制芯片的+3.3V電平，所述控制芯片主要實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)主電路輸出端采樣所得的電壓電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和進(jìn)行PI運(yùn)算，再根據(jù)運(yùn)算值輸出相應(yīng)的PWM移相角來(lái)驅(qū)動(dòng)主電路的MOSFET開(kāi)關(guān)管，實(shí)現(xiàn)兩套并聯(lián)主電路輸出電壓電流的調(diào)節(jié)；所述32.768KHz的無(wú)源晶振為控制芯片的LSE提供時(shí)鐘，用于支持RTC ;所述8MHz的無(wú)源晶振為控制芯片的HSE提供時(shí)鐘，作為控制芯片的主時(shí)鐘基頻,芯片內(nèi)部經(jīng)過(guò)5倍倍頻后得到40MHz主頻；所述存儲(chǔ)芯片主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面模塊(108)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)，其特征在于:所述主電路采用電壓型全橋移相軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括有三相空氣開(kāi)關(guān)(SW1)，輸入三相整流橋(BR1)，四個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管(VI~V4)，諧振電感(L2)，四個(gè)輸出整流二極管(V5~V8)，電感(L3)，電容(C7、C9);其中，每個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管上帶有寄生二極管和寄生電容，電感(L3)和電容(C7、C9)構(gòu)成LC濾波電路，兩個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管(V1、V3)組成的橋臂為超前橋臂，另兩個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管(V2、V4)組成的橋臂為滯后橋臂，每個(gè)橋臂的兩個(gè)MOSFET功率管成180°互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂之間的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)該移相角就可以調(diào)節(jié)輸出電壓和電流；所述MOSFET開(kāi)關(guān)管的寄生電容和功率變壓模塊(103)的寄生電感、漏感以及諧振電感構(gòu)成一個(gè)LC諧振回路，在MOSFET開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)零電壓諧振換流，使其工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)，其特征在于:所述電壓電流檢測(cè)模塊(105)包括電壓采樣電路和電流采樣電路，其中，所述電壓采樣電路采用非隔離電阻(Rl、R2)分壓采樣，并引進(jìn)了一個(gè)由電阻(R3)、電容(C2)構(gòu)成的閉環(huán)零點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，增加了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，而經(jīng)過(guò)分壓后得到的小于或等于3.3V的直流信號(hào)經(jīng)過(guò)3.3V的穩(wěn)壓管(Dl)鉗位后輸入到STM32數(shù)字化控制模塊(107)，并最終實(shí)現(xiàn)Α/D轉(zhuǎn)換；所述電流采樣電路利用串聯(lián)在輸出整流濾波模塊(104)的輸出母線上的分流器(R9)對(duì)輸出電流進(jìn)行電流信號(hào)采樣，分流器(R9)得到的微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)差分放大器(Ul)后得到直流信號(hào)，然后再對(duì)其直流信號(hào)進(jìn)行分壓濾波后再經(jīng)過(guò)3.3V的穩(wěn)壓管(D2)鉗位后輸入到STM32數(shù)字化控制模塊(107)，并最終實(shí)現(xiàn)Α/D轉(zhuǎn)換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)，其特征在于:所述故障保護(hù)模塊(106)包括過(guò)壓保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)電路和過(guò)溫保護(hù)電路，其中，所述過(guò)壓保護(hù)電路和欠壓保護(hù)電路的一端分別與接入的三相交流電網(wǎng)相連接，其另一端分別與STM32數(shù)字化控制模塊(107)相連接；所述過(guò)流保護(hù)電路的一端連接有初級(jí)電流霍爾傳感器，其另一端與STM32數(shù)字化控制模塊(107)相連接；所述過(guò)溫保護(hù)電路的一端連接有散熱器的溫度繼電器，其另一端與STM32數(shù)字化控制模塊(107)相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)，其特征在于:所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊(109)主要由相互連接的脈沖驅(qū)動(dòng)變壓器和MOSFET式圖騰柱推動(dòng)結(jié)構(gòu)組成，用于將STM32數(shù)字化控制模塊(107)輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)放大后輸入相應(yīng)高頻逆變模塊(102)，作為逆變橋MOSFET開(kāi)關(guān)管組的開(kāi)關(guān)信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于STM32的并聯(lián)式大功率電動(dòng)汽車直流充電電源系統(tǒng)，其特征在于:所述人機(jī)界面模塊(108)為L(zhǎng)CD顯示屏，用于顯示充電電流和電壓的給定值和反饋值 。
【文檔編號(hào)】B60L11/18GK103754133SQ201410038741
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月26日
【發(fā)明者】方貴龍 申請(qǐng)人:方貴龍