0 引言

    超級電容是一種免維護(hù)的綠色儲能元件,，功率密度大而循環(huán)充放電次數(shù)多，可以在短時間內(nèi)大電流充放電,，近年來逐漸應(yīng)用于電動汽車,、城市軌道交通等領(lǐng)域^[1-2]。雖然超級電容的應(yīng)用研究有很多，包括充放電特性,、充電效率,、充電系統(tǒng)等，但專門研究針對應(yīng)用于大功率場合的超級電容充電機(jī)的文獻(xiàn)依然偏少,。大功率開關(guān)電源工作時,， 高頻、大電流開關(guān)狀態(tài)會導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁干擾,，不僅給電網(wǎng)帶來污染,，還會影響控制電路的穩(wěn)定工作；而且大功率輸出時,，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,，適用于以超級電容為儲能元件的校園電動車、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)動控制模塊的驅(qū)動下給超級電容充電。充電時,，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,。同時檢測故障,，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)動脈沖信號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,，最終輸出到超級電容,。

2.2 全橋變換器及驅(qū)動控制

    全橋變換器及驅(qū)動電路如圖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。同時采用這種簡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周期互補(bǔ)的驅(qū)動信號控制滯后橋臂,。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,，與門就會被拉低，控制器缺相檢測引腳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),，均通過檢測電流實(shí)現(xiàn)保護(hù)。IGBT驅(qū)動芯片IR2233自帶IGBT過流保護(hù)功能,，如圖3所示,，ITRIP引腳為過流信號輸入端，引腳為故障輸出端,，一旦ITRIP引腳檢測到過流信號,，IR2233將關(guān)閉驅(qū)動輸出，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)檢測到輸出電流大于最大充電電流的5%(210 A)時，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)動控制信號,，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,，與門輸出高電平,，繼電器接通電路；出現(xiàn)短路故障時,，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,，控制器若檢測到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,，若檢測到輸入電壓超過正常范圍486 V～590 V，則控制器停止驅(qū)動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,，并與整機(jī)控制模塊進(jìn)行CAN通信,，若控制器發(fā)現(xiàn)IGBT或超級電容過熱，則減小充電電流,，同時人機(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)會檢測并儲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)將自動響應(yīng),，同時人機(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)定性測試

    為了驗(yàn)證充電機(jī)的穩(wěn)定性,，實(shí)驗(yàn)測試了充電機(jī)恒流輸出、恒壓輸出和恒功率輸出的穩(wěn)定精度,。因超級電容采用大電流充電時,，充電時間短而且耗能多，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量了充電機(jī)工作30 min的穩(wěn)定精度,。實(shí)驗(yàn)測量并記錄了充電機(jī)設(shè)定為180 A恒流工作時的實(shí)際輸出電流，80 V恒壓工作時的實(shí)際輸出電壓和10 kW恒功率工作時的實(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，充電機(jī)的穩(wěn)定精度均在0.45%左右波動,。

5.2 充電機(jī)充電效率測試

    為了驗(yàn)證充電機(jī)的高效性,，用三相功率表測量了不同輸出功率時充電機(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)用于大功率場合的超級電容充電需求,，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,，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?。怀潆姍C(jī)在最大輸出功率范圍工作時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)滿足超級電容對充電設(shè)備的要求,。

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