0 引言

    超级电容是一种免维护的绿色储能元件，功率密度大而循环充放电次数多，可以在短时间内大电流充放电，近年来逐渐应用于电动汽车、城市轨道交通等领域^[1-2]。虽然超级电容的应用研究有很多，包括充放电特性、充电效率、充电系统等，但专门研究针对应用于大功率场合的超级电容充电机的文献依然偏少。大功率开关电源工作时， 高频、大电流开关状态会导致严重的电磁干扰，不仅给电网带来污染，还会影响控制电路的稳定工作；而且大功率输出时，开关损耗严重，功率降低，效率下降^[3-4]。

    本文设计了一种基于开关电源的大功率超级电容智能充电机，以三相交流电为输入电源，充电机最大输出功率为20 kW，最大充电电流为200 A，适用于以超级电容为储能元件的校园电动车、城市观光旅游车等充电。

1 充电机硬件结构和工作原理

1.1 充电机硬件结构

    超级电容充电机硬件结构如图1所示，该系统由主电路和控制电路构成。主电路主要由辅助电源模块、继电器控制模块和主充电电源模块构成。充电机的控制电路主要由整机控制模块、系统保护控制模块、驱动控制模块、数据采集模块、人机交互控制模块和CAN通信模块组成。整机控制模块是充电机系统的控制中心，采用带有CAN接口的PIC18F458为控制器，通过支配和控制各模块工作，完成充电信息采集、充电状态监控、故障检测等功能。

1.2 充电机工作原理

    充电机上电后，辅助电源模块工作，使充电机处于待机状态。待系统自检正常后，首先通过CAN通信读取超级电容充电前的电池状态，再根据电池容量、环境状态等确定合理的充电模式，包括恒流充电、恒流转恒压充电和恒功率充电^[5-6]，然后继电器控制模块工作，主充电电源模块在驱动控制模块的驱动下给超级电容充电。充电时，数据采集模块采集电压、电流和温度等，并用于反馈控制。同时检测故障，实现故障自诊断功能，一旦出现欠压、过压、过流、短路、过热、缺相故障，充电机调整驱动脉冲信号来减小充电电流或直接控制继电器切断电源。人机交互模块显示充电状态，包括充电模式、充电电流、充电电压、故障原因、充电时间等。充电机循环读取电池状态，直至充电结束。

2 主充电电源及驱动控制设计

2.1 主充电电源模块

    主充电电源模块结构如图2所示。380 V三相交流电输入后，经过EMI滤波、三相桥式整流和LC滤波得到较为平滑的直流电压，再通过由IGBT逆变电路、高频变压器、整流电路和滤波电路组成的全桥变换器，最终输出到超级电容。

2.2 全桥变换器及驱动控制

    全桥变换器及驱动电路如图3所示。为降低电磁干扰，一方面在输入侧添加EMI滤波，另一方面在变换器副边添加无源钳位电路，为实现零电流零电压（ZVZCS）工作提供条件。同时采用这种简单的无源钳位辅助电路，可以抑制整流二极管的尖峰电压，因而无需添加缓冲电路^[7-8]。驱动控制模块采用具有过流、欠压等保护功能的IGBT专用驱动芯片IR2233，采用有限双极性法控制，控制器输出PWM控制超前桥臂，输出固定脉宽且半个周期互补的驱动信号控制滞后桥臂。超前桥臂通过并联电容和二极管实现零电压开关，滞后桥臂通过变压器原边漏感、钳位电容和二极管实现零电流开关。

3 保护电路设计

3.1 缺相保护设计

    缺相保护电路如图4所示。由整流二级管、光电耦合器和与门芯片组成，正常情况下，与门输出总为高电平，一旦某一相出现问题，与门就会被拉低，控制器缺相检测引脚RE1诊断出缺相故障后，将切断继电器，人机交互模块显示缺相故障并报警。

3.2 过流保护设计

    过流保护具有双重保护功能，包括IGBT过流保护和充电机输出端过流保护，均通过检测电流实现保护。IGBT驱动芯片IR2233自带IGBT过流保护功能，如图3所示，ITRIP引脚为过流信号输入端，引脚为故障输出端，一旦ITRIP引脚检测到过流信号，IR2233将关闭驱动输出，控制器通过引脚判断出现过流故障^[9]。

    充电机采用霍尔电流传感器采集充电机输出电流，当检测到输出电流大于最大充电电流的5%(210 A)时，即表明输出端出现过流故障。控制器诊断出过流故障后，将通过人机交互模块显示过流故障，然后调整IGBT驱动控制信号，减小充电电流。

3.3 短路保护设计

    充电机输出侧短路保护电路如图5所示，由一个过零比较器和与门芯片组成，与门输出端接继电器控制脚。正常工作时，与门输出高电平，继电器接通电路；出现短路故障时，与门即刻输出低电平，继电器立刻停止工作。继电器不工作时，控制器若检测到RA5为高电平，则人机交互模块显示出现短路故障。

3.4 欠压及过压保护设计

    充电机输入侧电压检测电路如图6所示，利用光耦采集充电机输入侧电压，若检测到输入电压超过正常范围486 V～590 V，则控制器停止驱动IGBT，人机交互模块报警并显示欠压或过压故障。 

3.5 过热保护设计

    过热保护包括IGBT过热保护和超级电容过热保护。数据采集模块通过温度传感器采集其温度场，并与整机控制模块进行CAN通信，若控制器发现IGBT或超级电容过热，则减小充电电流，同时人机交互模块显示出现过热故障。

4 控制系统软件设计

4.1 控制系统主程序设计

    超级电容充电机主程序流程图如图7所示。系统上电后，首先进行初始化和系统自检，检测无故障后，依次调用相应的子程序，包括CAN子程序、故障自诊断子程序、充电子程序和显示子程序等。系统会检测并储存充电前后电池状态，方便用户查询历史数据。

4.2 故障自诊断子程序

    充电机故障自诊断子程序如图8所示。充电机具有故障自诊断功能，一旦出现故障，系统将自动响应，同时人机交互模块显示故障原因并报警。

5 实验

5.1 充电机稳定性测试

    为了验证充电机的稳定性，实验测试了充电机恒流输出、恒压输出和恒功率输出的稳定精度。因超级电容采用大电流充电时，充电时间短而且耗能多，所以本实验采用电阻箱作为负载，用高精度电压表和电流表测量了充电机工作30 min的稳定精度。实验测量并记录了充电机设定为180 A恒流工作时的实际输出电流，80 V恒压工作时的实际输出电压和10 kW恒功率工作时的实际输出功率，分别计算了稳流精度、稳压精度和恒功率精度，结果如图9所示。由图可知：充电机恒流输出、恒压输出或恒功率输出时，充电机的稳定精度均在0.45%左右波动。

5.2 充电机充电效率测试

    为了验证充电机的高效性，用三相功率表测量了不同输出功率时充电机的工作效率，充电机的效率曲线如图10所示。由图可知：充电机输出功率为5 kW时充电效率最高，充电效率为92.4%，充电机最低充电效率为90.4%。

6 结论

    为满足应用于大功率场合的超级电容充电需求，设计了一种具有故障自诊断功能的ZVZCS大功率超级电容充电机，最大输出功率可达20 kW，最大充电电流可达200 A。实验测试了充电机的稳定精度和充电效率，结果可知：充电机恒流输出、恒压输出或恒功率输出时，充电机的稳定精度均小于0.5%，表明充电机工作稳定，受电磁干扰影响较小；充电机在最大输出功率范围工作时的充电效率均超过了90%，表明充电机开关损耗较低，充电效率高。该充电机满足超级电容对充电设备的要求。

参考文献

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