純電動汽車充電系統設計與研究

摘要：本文以某款純電動汽車作為研究對象，根據整車參數需求對其充電系統參數進行了匹配設計，對APFC電路、半橋式逆變部分、高頻變壓器、吸收回路及濾波回路、保護電路、單片機控制等進行了開發設計，并對充電器CAN總線通訊協議定義，經過不同充電階段不同充電模式下的反復測試，結果表明該充電器性能穩定，達到了快速無損傷充電的目的，且整機的轉換效率在940A以上。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/274746.htm

關鍵詞：充電系統；參數匹配；純電動汽車；CAN總線DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.5.010

1 充電系統的方案

本文根據某款純電動汽車參數需求，匹配定義的車載充電器的主要技術參數，見表1。

結合當前電動汽車電能供給的典型方式和充電電源的發展狀況，充電系統的設計如圖1所示。整個電路采用了AC/DC-DC/DC的設計結構，首先是220V的交流市電經EMI濾波、PFC校正電路變為390V的直流，然后經DC/DC半橋變換及相應的控制電路，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變換采用半橋式拓撲，主要由高頻變壓器、MOSFET管以及LC濾波電路組成?？刂撇糠滞ㄟ^對蓄電池端電壓、電流信號的采集反饋，由SG3525產生雙路PWM波控制半橋拓撲中MOSFET管的通斷時間來控制充電電流和電壓，其控制部分還包括對電流、電壓、溫度的采集監測以及實時顯示。

2 APFC電路設計

設計選擇工作于連續調制模式下的平均電流型升壓式APFC電路來實現。具體的電路設計如圖2所示，控制芯片選用ICE2PCS01由ICE2PCS01構成，有源功率因數校正電路。

3 半橋式逆變部分設計

DC/DC變換是該充電電源的關鍵部分，同時也是難點所在。整機性能的好壞、質量優劣、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，主要包括變換器拓撲結構的選擇、功率管選擇、變壓器設計、吸收回路設計及濾波回路設計等。

4 電路主變換拓撲結構的選擇

在開關電源的各種變換拓撲中，半橋變換以其輸出功率大、結構簡單、開關器件少、實現同等功率變換的成本較低且抗磁通不平衡能力強等優點，成為該充電器結構設計的首選。半橋電路由兩只數值相等、容量較大的高壓電容器組成一個分壓電路，通過控制一個橋臂上兩個開關管交替導通和截止，在變壓器原邊產生高壓開關脈沖，從而在副邊感應出交變的方波，實現功率轉換。該電路拓撲的一個突出優點是阻斷圖3中電容C，的連接使其具有抗磁通不平衡能力，有效防止磁偏。同時將變壓器初級側的漏感尖峰電壓鉗位于直流母線電壓，將漏感存儲的能量歸還到輸入母線，而不是消耗于電阻元件。

5 高頻變壓器的設計

由220V的交流輸入經過前級的APFC變換電路后，得到380V輸出電壓，同時該輸出電壓也是后級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計

為解決關斷時器件的過壓問題，在圖3中由D1、R1、C4組成RCD緩沖器，通過減緩Ql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，以達到減小開關管損耗的目的。

同理由D4、R4、C8對Q2的關斷過程進行保護。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的作用是使負載電流的波動減小，濾波電容C5的作用是使輸出電壓的紋波減小。當負載突減時，濾波電容儲能；負載突增時，電容C5上的儲能首先向負載補充能量，以減小輸出電壓的峰一峰值。

7 控制保護電路設計及功能

控制保護電路主要完成3個功能：（1）控制充電系統按照當前的設定的輸出電壓電流值產生占空比可變的PWM波，對開關管進行驅動，實現功率變換；（2）當出現過壓、欠壓、過流、過溫等故障時，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，對相應的電壓、電流、溫度等參數實時顯示。

8 驅動信號的產生

驅動信號的產生過程如下：將電阻分壓獲取的輸出電壓信號以及電流霍爾傳感器采集的輸出電流信號送至SG3525的誤差放大器的反相輸入端，由其產生兩路PWM方波信號.6N137對該方波信號光耦隔離，并送至FAN7390進行功率放大和波形轉換，以驅動半橋變換器。

9 保護電路的設計

保護電路具有過壓、欠壓、過流、過溫等保護功能，在出現上述故障時，控制系統首先對故障的緊急程度進行判斷，當出現過欠壓或者過溫警示信號時，實行限制輸出功率保護方案；在出現過流、短路等故障時，控制主電路停止工作，保護充電電源免受損壞。要使系統正常工作，需要重新開機。

10 單片機控制設計

該系統的總體控制采用NEC的F0881單片機作為充電器的“智能”中心，對充電過程進行控制。由于采用智能充電，電池每個階段所需的充電電壓和充電電流都不同，則在充電時該單片機對電池端的電流電壓信號進行采集，分析處理，模糊推理、模糊決策等，根據不同的狀態采用對應的慢脈沖、快速充電方法以及保證在各充電階段之間的穩定切換，對出現的各種故障和報警信號進行處理，該部分還包括對電流、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總線通訊協議定義

充電器通過CAN總線節點與電池管理系統通信，獲取電池單體電壓值和電池溫度值。當充電器監測電池總電壓達到預定值，則自動停止充電；當充電器接收信號（電池單體電壓值和溫度值超過預定值），將自動停止充電。

圖5為充電器CAN網絡拓撲圖，充電器和電池管理系統都位于高速CAN線上，它們之間直接通訊，可靠性高，同時把所有信息按照CAN協議發到CAN總線上。

表2為29標識符的分配表：其中，優先級為3位，可以有8個優先級；R-般固定為O；DP現固定為O；8位的PF為報文的代碼；8位的PS為目標地址或組擴展；8位的SA為發送此報文的源地址。低速CAN總線頻率為20KbPS，網絡地址分配及充電器的報文見表3、4、5。

為驗證其實際運行效果，采用220V±20%的寬范圍交流電源作為輸入電源，并應用電動車用蓄電池帶載試驗，測得其PFC校正和半橋變換器原邊的電流電壓波形分別見圖6所示。

圖7為滿載時的功率因數校正波形，可以得出開關管在輸入電壓電流工頻過零點是完全處于截止狀態的，PFC電感處于電感電流連續的工作模式，這樣保證輸入電流很好地跟隨輸入電壓成正弦波，電路具有很高的功率因數。上圖為慢脈沖充電模式下變壓器原邊的電壓電流波形，可以看出電壓波形和電流波形相位一致性較好，開關管的波形與理論上分析的完全一致，在開關管關斷瞬間電壓尖峰較小，說明變壓器的漏感較小，功率轉換的損耗小，經過不同充電階段不同充電模式下的反復測試，結果表明該充電器性能穩定，達到了快速無損傷充電的目的，且整機的轉換效率在94%以上。

12 總結

本文根據整車參數需求對其充電系統參數進行了匹配設計，對APFC電路、半橋式逆變部分、高頻變壓器、吸收回路及濾波回路、保護電路、單片機控制等進行了開發設計，并對充電器CAN總線通訊協議定義，經過不同充電階段不同充電模式下的反復測試，結果表明該充電器性能穩定，達到了快速無損傷充電的目的，且整機的轉換效率在94%以上。