李銀銀，劉 楓，王聃軻，羅世唯，劉付洋

（襄陽市公共檢驗檢測中心，湖北 襄陽 441000）

前言

新能源產業(yè)在2020年列入國家新基建的重點領域[1-2]，隨著新能源整車數量的增長，對配套充電設施要求越來越高。未來十年，中國充電樁建設預計存在6300萬的缺口[3]，充電站和充電樁數量不斷增加，國內各個大中型城市陸續(xù)出臺了一系列政策和措施建立充電設施[4-5]，這就要求為充電樁提供配套的質量保證。目前電動汽車充電設備檢測試驗規(guī)范對充電樁的測試電源要求在±5%的偏差[6]，目前市場上充電樁普遍使用三相交流變頻電源[7-8]，比如艾諾儀器的120 kW的ANFC120T，這些電源需要把三相電網的電壓整流為直流后通過SPWM變頻控制技術，實現(xiàn)三相正弦波變頻輸出逆變成三相交流信號[9]。但該類設備需要全功率負荷輸出，重量大，價格高，以艾諾儀器的120 kW的ANFC120T為例[10]，其重量達970 kg，價格十萬計，對于工業(yè)上的使用不便且成本較高。因此研發(fā)出一種具有體積小，重量輕，成本低的充電樁測試電源的裝置對新能源汽車充電樁產業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

本文基于數字調節(jié)增量補償原理[11]，設計了一種充電樁測試電源方法和相應的裝置，該裝置只需要控制增量部分的能量，就實現(xiàn)了±0.5%的偏差，具有廣闊的產業(yè)實用化前景。

1 測試電源結構性設計

1.1 結構性設計

如圖1所示，要是實現(xiàn)220 V±15%的電壓穩(wěn)定輸出，主 要靠增量補償控制輸出模塊和測量電路模塊和算法控制處理模塊，通過實時測量，實時計算、實時控制增量補償控制輸出模塊來實現(xiàn)。其中，增量補償控制輸出模塊由數字同步跟蹤放大器、開關功率放大器和功放開關電源組成，構成了一個可以通過SPORT通信實時控制的數字增量補償控制器。測量電路模塊由電壓互感器、AD轉換電路7、參考電壓ADR441B等組成，構成了對電壓輸出L1_O、L2_O、L3_O到N的精確測量。算法控制處理模塊主要由BF609芯片及其外設8組成。具體為，假如設定值為220 V，經過測量電路測量的電壓不足（比如219 V），則差壓－1 V，算法控制處理模塊會在100 ms類通過增量補償控制輸出模塊增加1 V的電源輸出，保證輸出值設定在220 V。具體的數字同步跟蹤放大器同步跟蹤電網的輸入信號，同時通過BF609芯片及其外設8對數字同步跟蹤放大進行數字動態(tài)調節(jié)，實現(xiàn)開關功率放大器的輸出動態(tài)調節(jié)，保證開關功率放大器輸出和N端的電壓是穩(wěn)定可調的。 開關功率放大器的實際輸出能量值為功放輸出值L1_O和電壓輸出值L1的差壓，實現(xiàn)了用較小的功率放大器，輸出高穩(wěn)定度的可調電壓源。

圖1 充電測試裝置整體結構框圖

（1）交流供電插座1為連接到三相電網的插座 200 A。

（2）交流供電插座2為本測試電源的輸出插座 200 A。

（3）電源模塊14采用±15 V和5 V輸出的開關小電源，電流輸出2A。

（4）電壓互感器6a、6b、6c 采用0.02級的電壓互感器，電壓互感器的變比為220:1，也就是220 V的電壓輸入，二次輸出1 V，帶負載能力為5 mA。

（5）電源變換器11為5轉3.3 V的線性穩(wěn)壓模塊，把5 V的電源轉換為3.3 V供BF609和AD轉換器使用，使用固定電壓輸出的芯片REG1117F-3.3轉換。

（6）電源變換器12為5轉1.8 V的線性穩(wěn)壓模塊，把5 V的電源轉換為1.8 V供BF609和AD轉換器使用，使用固定電壓輸出的芯片REG1117F-1.8轉換。

（7）參考電壓13 由芯片ADR441B輸出2.5 V的電壓值，溫度漂移優(yōu)于3 ppm。

（8）AD轉換電路7采用24BIT的8個通道嚴格同步 sigma-delta AD轉換器ADS1278，積分誤差典型值為：±0.0003%，最大采樣率128KSPS。

（9）BF609芯片及其外設8，由ADI公司的BF609芯片及其外設構成，芯片內置了大量的外設，包括2個SPI接口、3個SPORT口、16個通用IO口、AMC接口（異步存儲接口）等，256MBYTE DRAM、用于完成本發(fā)明的核心算法、任務調度及顯示和輸入等。

（10）顯示LCD液晶顯示模塊，直接由BF609芯片及其外設通過AMC接口驅動顯示。

（11）鍵盤為簡易鍵盤，共6個鍵盤輸入到處理器BF609芯片及其外設的6個IO上。

（12）功放開關電源3a/3b/3c。

（13）開關功率放大器4a/4b/4c。

（14）數字同步跟蹤放大器5a/5b/5c。

1.2 子系統(tǒng)設計

1.2.1 功放開關電源設計

（1）功放開關電源為定制的開關電源，如圖2，用于給開關功率放大器4a/4b/4c供電，也可以多種規(guī)格市場上單獨的開關電源并聯(lián)使用。

圖2 功放開關電源設計圖

（2）PVDD：輸出為68 V 最大電流為200 A，用于給開關功率放大器直接驅動電源。VDD：芯片工作電源12 V，5 A。

（3）DVDD：數字邏輯電源3.3 V，5 A。

（4）AVDD：模擬電源7 V，5 A。

1.2.2 開關功率放大器設計

開關功率放大器如圖3所示，把小信號電壓變換為大電流的功率放大輸出，由20個D類功率放大器并聯(lián)輸出，一個D類功率放大器最大可以提供10 A，44 V的電壓輸出。功放的輸入最大值為±3.9 V。D類功率放大器如圖 4所示，主要由TI的TPA3255300、濾波電感 301a、301b以及其他耐壓為80 V的電容以及1%準確度的電阻組成。其核心器件為 TI公司的D類功率放大器TPA 3255，采用PBTL配置，把315 W的兩個通道合并為一個600 W的輸出通道，最大可以輸出44 V的交流電壓，輸入最大值為±3.9 V，效率可以達到90%左右。濾波電感 301a、301b的電流為20 A。

圖3 開關功率放大器設計圖

圖4 D類開關功率放大器設計圖

1.2.3 數字同步跟蹤放大器設計

數字同步跟蹤放大器5、由電壓互感器 501 AD5545 DA轉換模塊502、AD8620運放 503、AD8620運放504以及電阻R1、R2、R3、R4構成一個單極轉雙極的輸出電路。電壓互感器 501的變比為 220:2.75，也就是220 V的電壓輸入，輸出2.75 V的電壓輸出。

D8620運放503、AD8620504以及電阻R1、R2、R3、R4構成一個單極轉雙極的輸出電路。也就是可以實現(xiàn)反向輸出，假如電網電壓為220 V，設定輸出為200 V，這是通過這個單極轉雙極電路，可以實現(xiàn)-20 V的電壓輸出。

AD5545502 通過SPORT接口接收來自BF609及其外設的設定數值D。

Vin為電壓互感器501的二次輸出值，默認為2.75 V，峰峰值2.75 V×1.414=3.89 V

D為16Bit的無符號數值其值為0～65535。

當D的值小于32768時候，Vs的相位和Vin的相位相反，可實現(xiàn)把電網的電壓通過開工功率放大器變小的目的。

當D的值大于于32768時候，Vs的相位和Vin的相位相同，可實現(xiàn)把電網的電壓通過開工功率放大器變大的目的。

圖5 數字同步跟蹤放大器設計圖

2 充電樁測試電源裝置的工作過程

充電樁測試電源裝置的具體工作過程如圖6中所示。

圖6 充電樁測試電源裝置工作步驟

步驟一：通過鍵盤KEY 10手動輸入電源輸出設置值Vset（單位V，浮點存儲）。也就是要測試的電源電壓值，一般為220 V，當測試輸入過壓保護試驗，設置為220×1.15= 253 V，當測試輸入欠壓保護試驗，設置為220×0.85= 187 V。

步驟二：BF609芯片及其外設 8，通過AD轉換電路 7采集并計算輸出的電壓值Vm（單位V），由于AD為24Bit的AD，采樣值要乘以一個比例并按浮點數保存為單位為V的浮點值。

步驟三：BF609芯片及其外設 8，計算差壓Ve=Vm-Vset。

步驟四：把差壓Ve乘以系數K。（本發(fā)明K取100），得到的16位有符號數deltaD=INT（Ve·K）。設數字同步跟蹤放大器的上一次數字值為Di-1，則本次設定值Di=Di-1+ deltaD；把Di通過SPORT1、2、3口輸出到數字同步跟跟蹤放大器上。

數字同步跟蹤放大器的數字值和Di關系如公式1所示。

Vs=（D/32768-1）Vin；

Vin為電壓互感器 501的二次輸出值，默認為 2.75 V，峰值為：2.75 V×1.414=3.89 V。

D為16Bit的無符號數值其值為0～65535。

當D使用有符號數表示時，剛好是大于32768的值時為負值。

當Ve為負值時候，應該補償為正值，代入公式1，進行補償。

K值為關鍵，K取值大，調整速度快，但是容易超調，降低輸出穩(wěn)定度。

K取值小，調節(jié)穩(wěn)定，但是調整速度慢。本發(fā)明取100，計算窗口時間為100 ms，假如差壓為最大值33 V，則33× 100=3300，輸出最大值為32768，大概需要10個循環(huán)就可以控制到接近設定值，10個循環(huán)的時間為100 ms×10=1 s，可以滿足調節(jié)速度要求。假如差壓很小，比如0.5 V，這可以在100ms內實現(xiàn)快速調節(jié)，保證源輸出的穩(wěn)定度，取K值為100，兼顧了快速調節(jié)和穩(wěn)定性。

正常輸出情況下，步驟二到步驟四會一直循環(huán)運行，開關功率放大器能夠實時補償電源的波形，輸出穩(wěn)定的電壓。電壓輸出的穩(wěn)定度依賴步驟二、到步驟四的運算時間和K值大小。測試電源的準確度依賴于AD轉換電路7和參考電壓 ADR441B的準確度。

步驟五：判斷是否有鍵盤輸入進行人工退出，回到步驟二，重復執(zhí)行，有人工退出，結束輸出。

3 充電樁測試電源裝置的工作原理

電壓互感器6a、6b、6c，把三相交流電壓信號縮小了原來的1/220倍后輸入到AD轉換電路7的三個通道上， BF609及其外設8控制AD轉換電路7以12.8KSPS的采樣率連續(xù)不斷的采集電壓波形值，計算電壓幅值，并與設定值比較，其差值通過SPORT123口輸出到數字同步跟蹤放大器5上，控制開關功率放大器4輸出和設定值一致。

4 結論

本文設計了一種基于數字調節(jié)增量補償的充電樁測試電源方法、裝置，可實現(xiàn)充電樁測試要求的測試電源。設計的裝置有相比于現(xiàn)有設備有以下優(yōu)點：

（1）該測試電源只補償增量部分（可正反方向），當增量最大在±15%的時候，開關功率放大器實際輸出功率只有滿量程功率輸出的大約15%，體積和重量和成本只有原先的 1/15左右，而對充電樁試驗使用的電源只需要在額定值的±15%范圍就可以滿足所有的測試項目，并不需要電源從0開始輸出到最大值。

（2）該裝置使用了高準確度的AD轉換電路和數字同步跟蹤放大器，可實現(xiàn)在電網電壓不穩(wěn)定的情況快速調節(jié)開關功率放大器的輸出，保證測試電源的準確穩(wěn)定輸出。

（3）該測試電源使用TI公司高性能的D類功率放大器（效率可到90%），由于功放的供電電壓大大減低，使得重量和成本更加優(yōu)化，一個開關功放模塊包括濾波電感和電容以及散熱器不足0.5公斤，該裝置三相電源需要 20×3=60個，功放的重量大約30公斤，相對于傳統(tǒng)的測試電源數百斤或上噸的重量大為減少，且低壓功放的成本非常低，D類功率放大器TPA3255的價格大約4美元一片，加上電容、電感、散熱器，一個10 A44 V的模塊的成本不足500元。整套裝置的成本不足1萬元，相對于原先的三相變頻測試電源價格更加低廉。