0 引言

    超級電容是一種免維護的綠色儲能元件，功率密度大而循環充放電次數多，可以在短時間內大電流充放電，近年來逐漸應用于電動汽車、城市軌道交通等領域^[1-2]。雖然超級電容的應用研究有很多，包括充放電特性、充電效率、充電系統等，但專門研究針對應用于大功率場合的超級電容充電機的文獻依然偏少。大功率開關電源工作時， 高頻、大電流開關狀態會導致嚴重的電磁干擾，不僅給電網帶來污染，還會影響控制電路的穩定工作；而且大功率輸出時，開關損耗嚴重，功率降低，效率下降^[3-4]。

    本文設計了一種基于開關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 充電機硬件結構和工作原理

1.1 充電機硬件結構

    超級電容充電機硬件結構如圖1所示，該系統由主電路和控制電路構成。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成。充電機的控制電路主要由整機控制模塊、系統保護控制模塊、驅動控制模塊、數據采集模塊、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、充電狀態監控、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。待系統自檢正常后，首先通過CAN通信讀取超級電容充電前的電池狀態，再根據電池容量、環境狀態等確定合理的充電模式，包括恒流充電、恒流轉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動控制模塊的驅動下給超級電容充電。充電時，數據采集模塊采集電壓、電流和溫度等，并用于反饋控制。同時檢測故障，實現故障自診斷功能，一旦出現欠壓、過壓、過流、短路、過熱、缺相故障，充電機調整驅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，包括充電模式、充電電流、充電電壓、故障原因、充電時間等。充電機循環讀取電池狀態，直至充電結束。

2 主充電電源及驅動控制設計

2.1 主充電電源模塊

    主充電電源模塊結構如圖2所示。380 V三相交流電輸入后，經過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 全橋變換器及驅動控制

    全橋變換器及驅動電路如圖3所示。為降低電磁干擾，一方面在輸入側添加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]。驅動控制模塊采用具有過流、欠壓等保護功能的IGBT專用驅動芯片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動信號控制滯后橋臂。超前橋臂通過并聯電容和二極管實現零電壓開關，滯后橋臂通過變壓器原邊漏感、鉗位電容和二極管實現零電流開關。

3 保護電路設計

3.1 缺相保護設計

    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保護。IGBT驅動芯片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將關閉驅動輸出，控制器通過引腳判斷出現過流故障^[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，然后調整IGBT驅動控制信號，減小充電電流。

3.3 短路保護設計

    充電機輸出側短路保護電路如圖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短路故障。

3.4 欠壓及過壓保護設計

    充電機輸入側電壓檢測電路如圖6所示，利用光耦采集充電機輸入側電壓，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 過熱保護設計

    過熱保護包括IGBT過熱保護和超級電容過熱保護。數據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，若控制器發現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過熱故障。

4 控制系統軟件設計

4.1 控制系統主程序設計

    超級電容充電機主程序流程圖如圖7所示。系統上電后，首先進行初始化和系統自檢，檢測無故障后，依次調用相應的子程序，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。系統會檢測并儲存充電前后電池狀態，方便用戶查詢歷史數據。

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，一旦出現故障，系統將自動響應，同時人機交互模塊顯示故障原因并報警。

5 實驗

5.1 充電機穩定性測試

    為了驗證充電機的穩定性，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載，用高精度電壓表和電流表測量了充電機工作30 min的穩定精度。實驗測量并記錄了充電機設定為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，分別計算了穩流精度、穩壓精度和恒功率精度，結果如圖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 結論

    為滿足應用于大功率場合的超級電容充電需求，設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定精度和充電效率，結果可知：充電機恒流輸出、恒壓輸出或恒功率輸出時，充電機的穩定精度均小于0.5%，表明充電機工作穩定，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%，表明充電機開關損耗較低，充電效率高。該充電機滿足超級電容對充電設備的要求。

參考文獻

[1] 許愛國，謝少軍，姚遠，等.基于超級電容的城市軌道交通車輛再生制動能量吸收系統[J].電工技術學報，2010，25(3)：117-123.

[2] 曹秉剛，曹建波，李軍偉，等.超級電容在電動車中的應用研究[J].西安交通大學學報，2008，42(11)：1317-1322.

[3] 李宏.淺析高頻開關電源的發展[J].電氣應用，2011(4)：50-54.

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

[5] 孟彥京，張商州，陳景文，等.充電方式對超級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.超級電容器充放電特性研究[J].船電技術，2011，31(4)：55-56.

[7] 張鐵成，王宏佳，張學廣，等.一種采用無源鉗位電路的新型零電壓零電流開關變換器[J].中國電機工程學報，2006，26(17)：72-76.

[8] 成庶，陳特放，余明揚.一種新型有源次級鉗位全橋零電壓零電流軟開關PWM變換器[J].中國電機工程學報，2008，28(12)：44-49.

[9] 周志敏，紀愛華，等.IGBT驅動與保護電路設計及應用電路實例[M].北京：機械工業出版社，2011.