純電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

摘要：本文以某款純電動(dòng)汽車作為研究對(duì)象，根據(jù)整車參數(shù)需求對(duì)其充電系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了匹配設(shè)計(jì)，對(duì)APFC電路、半橋式逆變部分、高頻變壓器、吸收回路及濾波回路、保護(hù)電路、單片機(jī)控制等進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計(jì)，并對(duì)充電器CAN總線通訊協(xié)議定義，經(jīng)過不同充電階段不同充電模式下的反復(fù)測(cè)試，結(jié)果表明該充電器性能穩(wěn)定，達(dá)到了快速無損傷充電的目的，且整機(jī)的轉(zhuǎn)換效率在94%以上。

1 充電系統(tǒng)的方案

　　本文根據(jù)某款純電動(dòng)汽車參數(shù)需求，匹配定義的車載充電器的主要技術(shù)參數(shù)，見表1。

　　結(jié)合當(dāng)前電動(dòng)汽車電能供給的典型方式和充電電源的發(fā)展?fàn)顩r，充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示。整個(gè)電路采用了AC /DC-DC /DC 的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，首先是220V 的交流市電經(jīng)EMI濾波、PFC校正電路變?yōu)?90V 的直流，然后經(jīng)DC /DC 半橋變換及相應(yīng)的控制電路，保證輸出電流電壓滿足充電電池的需求。其中PFC 控制電路主要由MOSFET管、Boost升壓電感、控制芯片ICE2PCS01以及直流濾波電容組成。DC /DC變換采用半橋式拓?fù)?，主要由高頻變壓器、MOSFET管以及LC濾波電路組成?？刂撇糠滞ㄟ^對(duì)蓄電池端電壓、電流信號(hào)的采集反饋，由SG3525產(chǎn)生雙路PWM 波控制半橋拓?fù)渲蠱OSFET管的通斷時(shí)間來控制充電電流和電壓，其控制部分還包括對(duì)電流、電壓、溫度的采集監(jiān)測(cè)以及實(shí)時(shí)顯示。

2 APFC電路設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)選擇工作于連續(xù)調(diào)制模式下的平均電流型升壓式APFC 電路來實(shí)現(xiàn)。具體的電路設(shè)計(jì)如圖2所示，控制芯片選用ICE2PCS01由ICE2PCS01構(gòu)成，有源功率因數(shù)校正電路。

3 半橋式逆變部分設(shè)計(jì)

　　DC /DC變換是該充電電源的關(guān)鍵部分， 同時(shí)也是難點(diǎn)所在。整機(jī)性能的好壞、質(zhì)量?jī)?yōu)劣、成本高低在很大程度上取決于該逆變橋路。該部分如圖3所示，主要包括變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇、功率管選擇、變壓器設(shè)計(jì)、吸收回路設(shè)計(jì)及濾波回路設(shè)計(jì)等。

4 電路主變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇

　　在開關(guān)電源的各種變換拓?fù)渲校霕蜃儞Q以其輸出功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開關(guān)器件少、實(shí)現(xiàn)同等功率變換的成本較低且抗磁通不平衡能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為該充電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選。半橋電路由兩只數(shù)值相等、容量較大的高壓電容器組成一個(gè)分壓電路，通過控制一個(gè)橋臂上兩個(gè)開關(guān)管交替導(dǎo)通和截止，在變壓器原邊產(chǎn)生高壓開關(guān)脈沖，從而在副邊感應(yīng)出交變的方波，實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換。該電路拓?fù)涞囊粋€(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是阻斷圖3中電容C₃的連接使其具有抗磁通不平衡能力，有效防止磁偏。同時(shí)將變壓器初級(jí)側(cè)的漏感尖峰電壓鉗位于直流母線電壓，將漏感存儲(chǔ)的能量歸還到輸入母線，而不是消耗于電阻元件。

5 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

　　由220V 的交流輸入經(jīng)過前級(jí)的APFC 變換電路后，得到380V 輸出電壓，同時(shí)該輸出電壓也是后級(jí)DC-DC變換的輸入電壓。在變壓器的作用下，原邊電壓是190V，副邊輸出電壓是109V。

6 吸收回路及濾波回路的設(shè)計(jì)

　　為解決關(guān)斷時(shí)器件的過壓?jiǎn)栴}，在圖3 中由D₁、R₁、C₄組成RCD緩沖器，通過減緩Q₁漏源極電壓的上升速度使下降的電流波形同上升的電壓波形之間的重疊盡量小，以達(dá)到減小開關(guān)管損耗的目的。

　　同理由D₄、R₄、C₈對(duì)Q₂的關(guān)斷過程進(jìn)行保護(hù)。在輸出整流二極管之后采用LC 濾波電路減小輸出電流電壓紋波。濾波電感L₁的作用是使負(fù)載電流的波動(dòng)減小，濾波電容C₅的作用是使輸出電壓的紋波減小。當(dāng)負(fù)載突減時(shí)，濾波電容儲(chǔ)能;負(fù)載突增時(shí)，電容C₅上的儲(chǔ)能首先向負(fù)載補(bǔ)充能量，以減小輸出電壓的峰-峰值。

7 控制保護(hù)電路設(shè)計(jì)及功能

　　控制保護(hù)電路主要完成3個(gè)功能：(1)控制充電系統(tǒng)按照當(dāng)前的設(shè)定的輸出電壓電流值產(chǎn)生占空比可變的PWM波，對(duì)開關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)功率變換;(2)當(dāng)出現(xiàn)過壓、欠壓、過流、過溫等故障時(shí)，控制充電電源的主回路停止工作，從而將電源的損壞程度控制在最小范圍;(3)在充放電過程中，對(duì)相應(yīng)的電壓、電流、溫度等參數(shù)實(shí)時(shí)顯示。

8 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生

　　驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生過程如下：將電阻分壓獲取的輸出電壓信號(hào)以及電流霍爾傳感器采集的輸出電流信號(hào)送至SG3525的誤差放大器的反相輸入端，由其產(chǎn)生兩路PWM方波信號(hào)，6N137對(duì)該方波信號(hào)光耦隔離，并送至FAN7390進(jìn)行功率放大和波形轉(zhuǎn)換，以驅(qū)動(dòng)半橋變換器。

9 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

　　保護(hù)電路具有過壓、欠壓、過流、過溫等保護(hù)功能，在出現(xiàn)上述故障時(shí)，控制系統(tǒng)首先對(duì)故障的緊急程度進(jìn)行判斷，當(dāng)出現(xiàn)過欠壓或者過溫警示信號(hào)時(shí)，實(shí)行限制輸出功率保護(hù)方案;在出現(xiàn)過流、短路等故障時(shí)，控制主電路停止工作，保護(hù)充電電源免受損壞。要使系統(tǒng)正常工作，需要重新開機(jī)。

10 單片機(jī)控制設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的總體控制采用NEC的F0881單片機(jī)作為充電器的"智能"中心，對(duì)充電過程進(jìn)行控制。由于采用智能充電，電池每個(gè)階段所需的充電電壓和充電電流都不同， 則在充電時(shí)該單片機(jī)對(duì)電池端的電流電壓信號(hào)進(jìn)行采集，分析處理，模糊推理、模糊決策等，根據(jù)不同的狀態(tài)采用對(duì)應(yīng)的慢脈沖、快速充電方法以及保證在各充電階段之間的穩(wěn)定切換，對(duì)出現(xiàn)的各種故障和報(bào)警信號(hào)進(jìn)行處理，該部分還包括對(duì)電流、電壓和溫度的采集以及顯示等，具體控制原理見圖4。

11 充電器CAN總線通訊協(xié)議定義

　　充電器通過CAN總線節(jié)點(diǎn)與電池管理系統(tǒng)通信，獲取電池單體電壓值和電池溫度值。當(dāng)充電器監(jiān)測(cè)電池總電壓達(dá)到預(yù)定值，則自動(dòng)停止充電;當(dāng)充電器接收信號(hào)(電池單體電壓值和溫度值超過預(yù)定值)，將自動(dòng)停止充電。