0 引言

    超級電容是一種免維護的綠色儲能元件，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的文獻依然偏少。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)計了一種基于開關(guān)電源的大功率超級電容智能充電機，以三相交流電為輸入電源,，充電機最大輸出功率為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 充電機硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 充電機硬件結(jié)構(gòu)

    超級電容充電機硬件結(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。充電機的控制電路主要由整機控制模塊,、系統(tǒng)保護控制模塊,、驅(qū)動控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊,、人機交互控制模塊和CAN通信模塊組成,。整機控制模塊是充電機系統(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 充電機工作原理

    充電機上電后，輔助電源模塊工作,，使充電機處于待機狀態(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

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現(xiàn)零電流開關(guān)。

3 保護電路設(shè)計

3.1 缺相保護設(shè)計

    缺相保護電路如圖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，人機交互模塊顯示缺相故障并報警,。

3.2 過流保護設(shè)計

    過流保護具有雙重保護功能,，包括IGBT過流保護和充電機輸出端過流保護，均通過檢測電流實現(xiàn)保護,。IGBT驅(qū)動芯片IR2233自帶IGBT過流保護功能,，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],。

    充電機采用霍爾電流傳感器采集充電機輸出電流，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,。控制器診斷出過流故障后,，將通過人機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 短路保護設(shè)計

    充電機輸出側(cè)短路保護電路如圖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,，則人機交互模塊顯示出現(xiàn)短路故障。

3.4 欠壓及過壓保護設(shè)計

    充電機輸入側(cè)電壓檢測電路如圖6所示,，利用光耦采集充電機輸入側(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,，人機交互模塊報警并顯示欠壓或過壓故障,。 

3.5 過熱保護設(shè)計

    過熱保護包括IGBT過熱保護和超級電容過熱保護。數(shù)據(jù)采集模塊通過溫度傳感器采集其溫度場,，并與整機控制模塊進行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,，同時人機交互模塊顯示出現(xiàn)過熱故障,。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計

    超級電容充電機主程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后,，首先進行初始化和系統(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

    充電機故障自診斷子程序如圖8所示,。充電機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),，同時人機交互模塊顯示故障原因并報警。

5 實驗

5.1 充電機穩(wěn)定性測試

    為了驗證充電機的穩(wěn)定性,，實驗測試了充電機恒流輸出,、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,，所以本實驗采用電阻箱作為負(fù)載，用高精度電壓表和電流表測量了充電機工作30 min的穩(wěn)定精度,。實驗測量并記錄了充電機設(shè)定為180 A恒流工作時的實際輸出電流,，80 V恒壓工作時的實際輸出電壓和10 kW恒功率工作時的實際輸出功率,，分別計算了穩(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：充電機恒流輸出、恒壓輸出或恒功率輸出時,，充電機的穩(wěn)定精度均在0.45%左右波動,。

5.2 充電機充電效率測試

    為了驗證充電機的高效性，用三相功率表測量了不同輸出功率時充電機的工作效率,，充電機的效率曲線如圖10所示,。由圖可知：充電機輸出功率為5 kW時充電效率最高，充電效率為92.4%,，充電機最低充電效率為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)計了一種具有故障自診斷功能的ZVZCS大功率超級電容充電機,，最大輸出功率可達20 kW,，最大充電電流可達200 A。實驗測試了充電機的穩(wěn)定精度和充電效率,，結(jié)果可知：充電機恒流輸出,、恒壓輸出或恒功率輸出時，充電機的穩(wěn)定精度均小于0.5%,，表明充電機工作穩(wěn)定,，受電磁干擾影響較小,；充電機在最大輸出功率范圍工作時的充電效率均超過了90%,，表明充電機開關(guān)損耗較低，充電效率高,。該充電機滿足超級電容對充電設(shè)備的要求,。

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