電動汽車車載充電機的研究及設計

張軍，楊瑞

（鄭州科技學院 電氣工程學院，河南 鄭州450064）

電動汽車車載充電機的研究及設計

張軍，楊瑞

（鄭州科技學院 電氣工程學院，河南 鄭州450064）

本系統闡述了一種應用于電動汽車的車載充電機系統，提出了充電機的整體設計方案，給出了充電機主控制單元的硬件電路和系統軟件設計方案，并論述其工作原理。該系統可通過CAN總線與BMS實現交互通信，根據電池實時狀態改變充電方式，能夠實現電動汽車充電的智能化管理。

電動汽車；車載充電機；CAN；模塊化

由于人類長時期對煤、石油、天然氣等天然資源的過度開采，使得能源短缺的問題日漸突顯，同時也導致環境和生態平衡遭到嚴重破壞。因此降低能耗和保護環境成為國家長期發展的重中之重，我國也提出了“節能減排微排”的號召。相比傳統汽車，電動汽車在低碳低噪環保節能等方面占有絕對優勢，成為各大汽車集團斥巨資研發的新興領域。電動汽車依靠動力電池進行能量補給，按照充電機位置不同分為車載充電和非車載充電。相對非車載充電機使用不便、繞道、電動汽車活動范圍受限等缺點，車載充電機可方便取得220 V交流市電供電，提高了電動汽車使用的便利性，因此，高效、低耗、可靠的車載充電設備已成為研究熱點。文中提供了一套車載充電機系統的設計方案，給出了充電機主控制單元的硬件電路結構、部分軟件設計方案并闡明其工作原理。

1 系統整體結構

本車載充電機系統由主控MCU、EMI、整流濾波、PFC、全橋逆變、高頻變壓、BMS、人機交互等部分構成。系統中BMS一方面可以檢測出電池組的實時狀態、出現異常情況時對電池組進行保護，另一方面則是可以根據電池組的實時狀態選擇合理充電方式給電池組充電。BMS與主控MCU之間通過CAN總線進行交互通信，BMS將電動汽車蓄電池組的各種數據 （如當前電量、所需充電電壓及充電電流等充電需求）經CAN總線發送給充電機系統，充電機系統則根據蓄電池組的實測狀態及所要達到的最終狀態作出相應分析和控制（如充電回路的輸出電壓和輸出電流等功率信息）并經CAN總線實時反饋給BMS，最終滿足蓄電池組的充電需求。系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 車載充電機系統總體結構框圖

2 系統硬件部分

車載充電機系統硬件電路設計主要包括充電機功率單元、主控單元、通信單元及BMS硬件設計等。

2.1 充電機功率單元硬件設計

開關電源部分是能量傳遞的核心單元，其可靠性和效率高低對車載充電機有著至關重要的影響。在本系統中，采用前級有源功率因數校正，后級采用全橋變換電路拓撲結構，滿足開關電源低諧波、高功率因數的要求。在開關電源硬件電路中，由交流市電220 V供電，經EMI抑制模塊，通過橋式整流電路后，為提高轉換效率及降低諧波影響在整流后加入基于Boost型拓撲的主動式功率因數校正器，整形輸入的電流，使電流與電壓同相，同時輸出穩定的直流電壓作為全橋逆變電路的輸入，主控MCU輸出的PWM信號控制MOS管的通斷，使直流電壓逆變為交流方波，再通過高頻變壓器進行隔離升壓，通過全橋整流后輸出的為直流脈沖電壓，經過濾波電路后，變為平滑的直流電壓。通過電壓傳感器、電流傳感器對輸出的充電電壓、電流等信號進行釆樣反饋，從而調節全橋移相角，由此控制電源的輸出。

需要說明的是由于車載充電機系統有多個功能模塊，各個模塊的需要使用的電源電壓不同，本系統通過輔助電源獲得多組隔離電源來滿足不同模塊的需求 （如15 V電源為BMS中電壓傳感器供電，5 V電源為CAN通信電路供電，3.3 V電源為單片機供電等）。

2.2 充電機主控單元硬件設計

本系統主控MCU芯片采用STM32F103RC作為核心控制器，這款控制芯片為ARM32位的CortexTM-M3 CPU，工作頻率可達到72 MHz，內置CAN2.0B接口，可在-40℃至+105℃的溫度范圍內工作，可通過軟件設置一系列省電模式滿足低功耗的應用要求，以保證汽車工業的需求。

本設計中STM32F103RC外接兩個晶振電路：一個頻率為8M，為芯片提供穩定的時鐘頻率，另一個頻率32.678 K的晶振為備用晶振源。JTAG接口為調試接口。采用M25P64 _VME6G作為外圍存儲芯片，可以把一些重要的數據保存于此芯片中。設計中指示燈電路用來顯示充電過程的各個狀態，以及出現的錯誤和報警功能。主控單元硬件電路如圖2所示。

圖2 主控單元硬件電路

2.3 通信單元硬件設計

充電機系統中通信主要集中在主控MCU與BMS之間的CAN總線通信。由于STM32F103RC芯片內置CAN2.0B接口，只需簡單擴展就可直接與BMS通信。

CAN模塊擴展接口電路的設計中采用3.3 V系列CAN收發器SN65HVD230。為增強CAN通訊的可靠性，總線兩端并接120Ω的終端匹配電阻，可有效減小電磁干擾。采用單通道高速光耦合器6N137進行信號隔離，其內部有一個850 nm波長AlGaAs LED和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速（典型為10MBd），5 mA的極小輸入電流，具體硬件電路如圖3所示。

圖3 通信單元硬件電路

2.4 BMS硬件設計

BMS電池管理系統檢測電池的電壓和溫度，對電池組的安全使用起著重要作用。只有通過BMS得到電池數據，充電系統才能夠可靠工作，進而達到提高電池的利用率，防止電池出現過充電和過放電，延長電池的使用壽命的目的。

BMS電池管理系統以單片機為核心結合外圍電路實現對蓄電池電源的管理、保護與控制。其工作原理為：通過電壓采集電路采集各個單體電池電壓、蓄電池組總電壓等，經差分放大，模擬開關，由單片機的內置模數轉換器進行A/D轉換，同時對溫度、流過蓄電池的電流進行采集且傳送至內置模數轉換器進行A/D轉換，然后由微控制器對采集的各種參數進行綜合分析處理，當檢測溫度異常時能夠通過溫度管理電路進行溫度調節，若測量的相鄰單體電池電壓壓差超過1%則通過電池均衡管理電路進行均衡控制。同時測量數據能夠通過液晶顯示器實時顯示，對蓄電池組及單體電池出現異常狀況時能夠及時發出聲光報警，同時可通過通信接口單元實現異常數據的上傳功能。

3 系統軟件部分

充電機系統硬件電路搭建好后，關鍵還需配合軟件程序的編寫和調試才能實現充電管理系統的各種功能。由于充電管理系統主控 MCU采用 STM32F103RC芯片，在 Keil uVision4環境下進行程序的編寫和調試。

3.1 系統主程序

系統上電后，首先對MCU、各中斷、CAN總線等進行系統初始化。通過按鍵設置系統運行所需參數并處理后與BMS進行通信，將電動汽車蓄電池組實時狀態（如最大電流、最大功率等）上傳給BMS，BMS據此做出處理，通知控制器產生所需的電壓、電流等。充電回路中電流和電壓傳感器檢測出電路的實時電壓電流值。MCU綜合采集數據，采用PID控制充電回路。充電過程中BMS、MCU，傳感器不斷地進行數據交換，及時根據當前狀態進行調整，使電流或電壓達到BMS要求的值，充電過程中如果出現異常，將會停止充電，系統主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統主程序流程圖

3.2 CAN通信子程序

CAN總線采用ISO/OSI參考模式中的三層，分別為應用層、數據鏈路層和物理層，基于CAN總線的通訊系統，其物理層、數據鏈路層協議在相關器件中可以實現，軟件設計中只需對應用層進行設置。BMS與充電管理系統的通信采用通信選擇擴展頓格式，對CAN2.0B的29位標識符作了進一步的定義，包含一個協議數據單元。其中數據單元由源地址、目的地址、幀類型、數據域、頁碼、保留位、優先級七部分組成。其中數據域由8個字節組成，將其分為4個部分，每個部分兩個字節，分別用于上位機向充電裝置控制單元發送下行數據及充電裝置控制單元向上位機發送的上行數據。圖5為CAN通信流程圖。

圖5 CAN通信流程圖

4 實驗應用

根據系統硬件及軟件設計搭建充電機測試裝置。對車載充電機的硬件電路和軟件系統進行測試，驗證了充電機與MCU的通訊、充電等功能，觀察并記錄充電過程中的充電電壓、電流，繪制充電過程中的充電電流曲線如圖6所示。從圖6可以看出充電過程為小電流初期充電、快速恒流充電、均衡恒壓充電和浮充電，在充電過程中，充電電流與電壓能較好跟蹤MCU的設定值，且充電電壓波動較小。

圖6 充電電流曲線

5 結束語

伴隨能源短缺及環境問題日益嚴重，人們對舒適、環保的出行方式也越來越重視，電動汽車得到了迅猛的發展，電動汽車充電模塊也取得了重大的突破。本系統依據模塊化思想，從硬件設計和軟件設計兩方面對車載充電機系統進行了介紹。該車載充電機增強了汽車的充電設備的通用性和靈活性，可有效的減少地面充電設備成本，隨著電動汽車產業的發展，車載充電機的應用將更加廣泛。

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The research and design on the vehicular charger of electric vehicles

ZHANG Jun，YANG Rui
（School of Electrical Engineering，Zhengzhou University of Science and Technology，Zhengzhou 450064，China）

This paper illustrates a vehicular charger system applied in the electric vehicles and proposes the whole design scheme.Besides，italso presents thehardware circuitof themain controlunitand the design of the software program aswellas the system's working principle.This vehicular charger system can achieve interactive communication through CAN bus and BMS.It can also change the way of charging based on the real-time state of battery and realize intellectualmanagement of charging in electric vehicles.

electric vehicles；vehicular charger；CAN；modularization

TN702

A

1674－6236（2016）20-0133-04

2016-03-08 稿件編號：201603096

2014年河南省科技攻關項目（142102210510）

張 軍（1982—），男，甘肅白銀人，碩士，講師。研究方向：電子與通信技術。