基于数字调节增量补偿的新能源汽车充电桩 测试电源方法与装置研究

李银银，刘 枫，王聃轲，罗世唯，刘付洋

（襄阳市公共检验检测中心，湖北 襄阳 441000）

前言

新能源产业在2020年列入国家新基建的重点领域[1-2]，随着新能源整车数量的增长，对配套充电设施要求越来越高。未来十年，中国充电桩建设预计存在6300万的缺口[3]，充电站和充电桩数量不断增加，国内各个大中型城市陆续出台了一系列政策和措施建立充电设施[4-5]，这就要求为充电桩提供配套的质量保证。目前电动汽车充电设备检测试验规范对充电桩的测试电源要求在±5%的偏差[6]，目前市场上充电桩普遍使用三相交流变频电源[7-8]，比如艾诺仪器的120 kW的ANFC120T，这些电源需要把三相电网的电压整流为直流后通过SPWM变频控制技术，实现三相正弦波变频输出逆变成三相交流信号[9]。但该类设备需要全功率负荷输出，重量大，价格高，以艾诺仪器的120 kW的ANFC120T为例[10]，其重量达970 kg，价格十万计，对于工业上的使用不便且成本较高。因此研发出一种具有体积小，重量轻，成本低的充电桩测试电源的装置对新能源汽车充电桩产业的发展具有重要意义。

本文基于数字调节增量补偿原理[11]，设计了一种充电桩测试电源方法和相应的装置，该装置只需要控制增量部分的能量，就实现了±0.5%的偏差，具有广阔的产业实用化前景。

1 测试电源结构性设计

1.1 结构性设计

如图1所示，要是实现220 V±15%的电压稳定输出，主 要靠增量补偿控制输出模块和测量电路模块和算法控制处理模块，通过实时测量，实时计算、实时控制增量补偿控制输出模块来实现。其中，增量补偿控制输出模块由数字同步跟踪放大器、开关功率放大器和功放开关电源组成，构成了一个可以通过SPORT通信实时控制的数字增量补偿控制器。测量电路模块由电压互感器、AD转换电路7、参考电压ADR441B等组成，构成了对电压输出L1_O、L2_O、L3_O到N的精确测量。算法控制处理模块主要由BF609芯片及其外设8组成。具体为，假如设定值为220 V，经过测量电路测量的电压不足（比如219 V），则差压－1 V，算法控制处理模块会在100 ms类通过增量补偿控制输出模块增加1 V的电源输出，保证输出值设定在220 V。具体的数字同步跟踪放大器同步跟踪电网的输入信号，同时通过BF609芯片及其外设8对数字同步跟踪放大进行数字动态调节，实现开关功率放大器的输出动态调节，保证开关功率放大器输出和N端的电压是稳定可调的。 开关功率放大器的实际输出能量值为功放输出值L1_O和电压输出值L1的差压，实现了用较小的功率放大器，输出高稳定度的可调电压源。

图1 充电测试装置整体结构框图

（1）交流供电插座1为连接到三相电网的插座 200 A。

（2）交流供电插座2为本测试电源的输出插座 200 A。

（3）电源模块14采用±15 V和5 V输出的开关小电源，电流输出2A。

（4）电压互感器6a、6b、6c 采用0.02级的电压互感器，电压互感器的变比为220:1，也就是220 V的电压输入，二次输出1 V，带负载能力为5 mA。

（5）电源变换器11为5转3.3 V的线性稳压模块，把5 V的电源转换为3.3 V供BF609和AD转换器使用，使用固定电压输出的芯片REG1117F-3.3转换。

（6）电源变换器12为5转1.8 V的线性稳压模块，把5 V的电源转换为1.8 V供BF609和AD转换器使用，使用固定电压输出的芯片REG1117F-1.8转换。

（7）参考电压13 由芯片ADR441B输出2.5 V的电压值，温度漂移优于3 ppm。

（8）AD转换电路7采用24BIT的8个通道严格同步 sigma-delta AD转换器ADS1278，积分误差典型值为：±0.0003%，最大采样率128KSPS。

（9）BF609芯片及其外设8，由ADI公司的BF609芯片及其外设构成，芯片内置了大量的外设，包括2个SPI接口、3个SPORT口、16个通用IO口、AMC接口（异步存储接口）等，256MBYTE DRAM、用于完成本发明的核心算法、任务调度及显示和输入等。

（10）显示LCD液晶显示模块，直接由BF609芯片及其外设通过AMC接口驱动显示。

（11）键盘为简易键盘，共6个键盘输入到处理器BF609芯片及其外设的6个IO上。

（12）功放开关电源3a/3b/3c。

（13）开关功率放大器4a/4b/4c。

（14）数字同步跟踪放大器5a/5b/5c。

1.2 子系统设计

1.2.1 功放开关电源设计

（1）功放开关电源为定制的开关电源，如图2，用于给开关功率放大器4a/4b/4c供电，也可以多种规格市场上单独的开关电源并联使用。

图2 功放开关电源设计图

（2）PVDD：输出为68 V 最大电流为200 A，用于给开关功率放大器直接驱动电源。VDD：芯片工作电源12 V，5 A。

（3）DVDD：数字逻辑电源3.3 V，5 A。

（4）AVDD：模拟电源7 V，5 A。

1.2.2 开关功率放大器设计

开关功率放大器如图3所示，把小信号电压变换为大电流的功率放大输出，由20个D类功率放大器并联输出，一个D类功率放大器最大可以提供10 A，44 V的电压输出。功放的输入最大值为±3.9 V。D类功率放大器如图 4所示，主要由TI的TPA3255300、滤波电感 301a、301b以及其他耐压为80 V的电容以及1%准确度的电阻组成。其核心器件为 TI公司的D类功率放大器TPA 3255，采用PBTL配置，把315 W的两个通道合并为一个600 W的输出通道，最大可以输出44 V的交流电压，输入最大值为±3.9 V，效率可以达到90%左右。滤波电感 301a、301b的电流为20 A。

图3 开关功率放大器设计图

图4 D类开关功率放大器设计图

1.2.3 数字同步跟踪放大器设计

数字同步跟踪放大器5、由电压互感器 501 AD5545 DA转换模块502、AD8620运放 503、AD8620运放504以及电阻R1、R2、R3、R4构成一个单极转双极的输出电路。电压互感器 501的变比为 220:2.75，也就是220 V的电压输入，输出2.75 V的电压输出。

D8620运放503、AD8620504以及电阻R1、R2、R3、R4构成一个单极转双极的输出电路。也就是可以实现反向输出，假如电网电压为220 V，设定输出为200 V，这是通过这个单极转双极电路，可以实现-20 V的电压输出。

AD5545502 通过SPORT接口接收来自BF609及其外设的设定数值D。

Vin为电压互感器501的二次输出值，默认为2.75 V，峰峰值2.75 V×1.414=3.89 V

D为16Bit的无符号数值其值为0～65535。

当D的值小于32768时候，Vs的相位和Vin的相位相反，可实现把电网的电压通过开工功率放大器变小的目的。

当D的值大于于32768时候，Vs的相位和Vin的相位相同，可实现把电网的电压通过开工功率放大器变大的目的。

图5 数字同步跟踪放大器设计图

2 充电桩测试电源装置的工作过程

充电桩测试电源装置的具体工作过程如图6中所示。

图6 充电桩测试电源装置工作步骤

步骤一：通过键盘KEY 10手动输入电源输出设置值Vset（单位V，浮点存储）。也就是要测试的电源电压值，一般为220 V，当测试输入过压保护试验，设置为220×1.15= 253 V，当测试输入欠压保护试验，设置为220×0.85= 187 V。

步骤二：BF609芯片及其外设 8，通过AD转换电路 7采集并计算输出的电压值Vm（单位V），由于AD为24Bit的AD，采样值要乘以一个比例并按浮点数保存为单位为V的浮点值。

步骤三：BF609芯片及其外设 8，计算差压Ve=Vm-Vset。

步骤四：把差压Ve乘以系数K。（本发明K取100），得到的16位有符号数deltaD=INT（Ve·K）。设数字同步跟踪放大器的上一次数字值为Di-1，则本次设定值Di=Di-1+ deltaD；把Di通过SPORT1、2、3口输出到数字同步跟跟踪放大器上。

数字同步跟踪放大器的数字值和Di关系如公式1所示。

Vs=（D/32768-1）Vin；

Vin为电压互感器 501的二次输出值，默认为 2.75 V，峰值为：2.75 V×1.414=3.89 V。

D为16Bit的无符号数值其值为0～65535。

当D使用有符号数表示时，刚好是大于32768的值时为负值。

当Ve为负值时候，应该补偿为正值，代入公式1，进行补偿。

K值为关键，K取值大，调整速度快，但是容易超调，降低输出稳定度。

K取值小，调节稳定，但是调整速度慢。本发明取100，计算窗口时间为100 ms，假如差压为最大值33 V，则33× 100=3300，输出最大值为32768，大概需要10个循环就可以控制到接近设定值，10个循环的时间为100 ms×10=1 s，可以满足调节速度要求。假如差压很小，比如0.5 V，这可以在100ms内实现快速调节，保证源输出的稳定度，取K值为100，兼顾了快速调节和稳定性。

正常输出情况下，步骤二到步骤四会一直循环运行，开关功率放大器能够实时补偿电源的波形，输出稳定的电压。电压输出的稳定度依赖步骤二、到步骤四的运算时间和K值大小。测试电源的准确度依赖于AD转换电路7和参考电压 ADR441B的准确度。

步骤五：判断是否有键盘输入进行人工退出，回到步骤二，重复执行，有人工退出，结束输出。

3 充电桩测试电源装置的工作原理

电压互感器6a、6b、6c，把三相交流电压信号缩小了原来的1/220倍后输入到AD转换电路7的三个通道上， BF609及其外设8控制AD转换电路7以12.8KSPS的采样率连续不断的采集电压波形值，计算电压幅值，并与设定值比较，其差值通过SPORT123口输出到数字同步跟踪放大器5上，控制开关功率放大器4输出和设定值一致。

4 结论

本文设计了一种基于数字调节增量补偿的充电桩测试电源方法、装置，可实现充电桩测试要求的测试电源。设计的装置有相比于现有设备有以下优点：

（1）该测试电源只补偿增量部分（可正反方向），当增量最大在±15%的时候，开关功率放大器实际输出功率只有满量程功率输出的大约15%，体积和重量和成本只有原先的 1/15左右，而对充电桩试验使用的电源只需要在额定值的±15%范围就可以满足所有的测试项目，并不需要电源从0开始输出到最大值。

（2）该装置使用了高准确度的AD转换电路和数字同步跟踪放大器，可实现在电网电压不稳定的情况快速调节开关功率放大器的输出，保证测试电源的准确稳定输出。

（3）该测试电源使用TI公司高性能的D类功率放大器（效率可到90%），由于功放的供电电压大大减低，使得重量和成本更加优化，一个开关功放模块包括滤波电感和电容以及散热器不足0.5公斤，该装置三相电源需要 20×3=60个，功放的重量大约30公斤，相对于传统的测试电源数百斤或上吨的重量大为减少，且低压功放的成本非常低，D类功率放大器TPA3255的价格大约4美元一片，加上电容、电感、散热器，一个10 A44 V的模块的成本不足500元。整套装置的成本不足1万元，相对于原先的三相变频测试电源价格更加低廉。