電動汽車智能充電系統的設計

龍 芬

（咸寧職業技術學院 工學院，湖北 咸寧 437100）

電動汽車智能充電系統的設計

龍 芬

（咸寧職業技術學院 工學院，湖北 咸寧 437100）

為有效解決電動汽車電池充電速度慢、充電不方便等問題，采用PFC功率因數校準技術、BMS智能充電算法及CAN總線通訊技術，設計一種利用家用交流電源對電動汽車進行精準充電的車載智能充電系統。測試結果表明，系統工作穩定，具有效率高、使用靈活、充電環境適應性強等特點。

電動汽車；智能充電系統；PFC；BMS；CAN

0 引 言

隨著經濟的快速發展，能源已成為制約經濟社會發展的重要因素，因而新能源開發已成為當今世界的熱門話題，相關技術也越來越受到重視。電動汽車作為現階段及今后相當長的一段時間內全球能源科技發展的大方向，已引起全社會的關注，并帶動相關產業的發展[1]。作為電動汽車最為核心的一個組成部分，電池科技及其充電技術成為亟待解決的技術難題。

電動汽車充電裝置總體上可分為非車載充電裝置和車載充電裝置。非車載充電裝置是一種地面充電機，一般功率較大，充電速度較快，但由于許多城市還沒有地面充電機，使得電動汽車的續航能力弱、充電不方便。傳統意義上的車載充電裝置只考慮把電充進電池，基本沒有考慮對電網影響的監控、電池的電特性及溫度監控、用戶對充電狀態的把握等[2]，其系統組成簡單，充電速度慢。為有效解決以上存在的問題，本文設計一種利用家用交流電源就可快速完成3.3kW電動汽車充電的車載充電系統。

1 總體方案

從使用者的角度出發，車載充電系統應具有如下特點：安全運行，能對車載充電系統實時監測及保護，保障安全；可靠性強；可實現快速無損的充電[3]。由此得出電動汽車智能充電系統的主要功能有：一是使用220V AC/16A家用電網作為電源，輸出功率可達3.3kW；二是充電器由電池管理BMS單元通過CAN接口控制；三是連接到充電器輸出端的電池可防止過流和過壓：在過電流情況下，充電器會將瞬時電流限制為充電器的最大電流；四是欠壓/過壓保護監視輸入電壓：如果電網電壓在處于欠壓或過壓情況下，則充電將停止，但當輸入電壓回到正常范圍且BMS發送充電命令和參數時，將自動恢復；五是充電器監測交流線路電流，限制充電電流，以防止超過16A；六是汽車運行時不允許充電，只有在車輛斷電時才允許充電操作。電動汽車智能充電系統如圖1所示。

圖1 電動汽車智能充電系統

家用交流電源通過濾波器、整流器、PFC功率因數校正電路，進行隔離轉換后，對鋰電池組進行充電，智能充電器的控制部分負責與電池管理系統BMS進行通訊。整個充電過程由電池管理系統實時監控，電池管理系統會根據電池充電情況通過CAN總線對電動汽車智能充電器發出充電或停充等命令。

2 電動汽車智能充電系統結構設計

2.1 充電器模塊

220V的家用交流電，經過濾波、整流之后，并不能直接對鋰電池進行充電。由于電動汽車充電的過程會產生諧波，對電網產生污染，為限制電動汽車充電產生的諧波進入電網的總諧波量，采用UCC28070設計一種PFC功率因數校正電路（見圖2）。

電池組整個充電模式分恒流和恒壓兩個階段進行。充電開始為恒流階段，由于電池的電動勢較低，即使電池的充電電壓不高，電池的充電電流也會很大，必須對充電電流加以限制，充電電流保持在限流值內[4]。隨著充電的延續，電池電壓不斷上升，當上升到最高充電電壓時，保持恒壓充電，進入恒壓階段。

2.2 電池狀態采集模塊

電池狀態信息主要包括電池的電壓、電流、溫度等，對電池的荷電狀態（SOC）進行估算及對電池的充電狀態進行監控都離不開這些信息[5]。采用JLD4U2P2型直流電壓傳感器，實時采集電池兩端電壓，其輸出處理電路如圖3所示。采用JLK-7型霍爾電流傳感器進行電流測量，電流傳感器能將采集到的電流數據轉換成0～5V電壓信號。溫度的測量采用DS18B20溫度傳感器，其測控范圍為-55℃～+125℃。當檢測多個電池溫度時，DS18B20能串聯使用，可同時完成多點溫度的同時采集，成本低、結構簡單，兩個DS18B20串聯電路如圖4所示。

圖2 PFC功率因數校正電路

圖3 電壓傳感器輸出處理電路

2.3 電池管理系統中央控制單元

電池管理系統中央控制單元采用Microchip公司開發的PIC18F66K80單片機完成BMS的各項功能。PIC18F66K80單片機具有超低功耗喚醒模式，自帶11通道的12位A/D轉換器、64KB的片上閃存程序存儲器、1 024字節的數據EEPROM，還具有CAN通訊接口、兩個增強型的可尋址USART串行接口模塊。通過傳感器將采集到的電池電壓、電流、溫度等數據送入PIC18F66K80，經過內部A/D轉換處理后，對SOC進行估算，并進行數據處理。

圖4 兩個DS18B20串聯電路

對SOC進行估算主要通過測量電池的電流及積分。然而，這種方法的缺點是時間長導致SOC漂移及缺乏參考點，因而SOC必須定期進行校準[5]。如當充電器確定電池已充滿電時，通過重置SOC為100%。對實時估算而言，通過傳感器獲得實時測量值和初始化的100% SOC，再采用如下公式進行估算：

其中，SOC(t)為實時充電狀態，SOCinit為初始充電狀態，i(t)為實時放電狀態，Cn為電池容量。

BMS發送命令和接收數據均通過CAN總線完成。PIC18F66K80自身帶有CAN控制器，不需要外接獨立的CAN控制器。選用TJA1040作為外部收發器，通過CAN收發器模塊電路（見圖5）完成數據的接收和發送。

圖5 CAN收發器模塊電路

2.4 系統軟件工作流程

電動汽車智能充電系統軟件工作流程如圖6所示。

當交流電源接入充電器時，充電器首先進行自檢，電源匹配通過，則硬件電路將輸出一個12V的直流輔助電源。軟件通過邏輯判斷，只有當硬件輸出12V的直流電源時，充電器才會通過硬件連接喚醒BMS，然后等待BMS的CAN總線信號，當通過CAN總線通訊網絡確定BMS被喚醒時，充電器發送“準備”信號給BMS，充電器此時的狀態為“準備”。BMS發送“使能”信號給充電器，充電器此時的狀態為“使能”，然后等待BMS發送充電命令和參數，充電器接收到充電命令和相關參數，充電器的內部繼電器打開，開始充電。

3 測 試

本文設計的電動汽車智能充電系統，經反復實驗與算法驗證，已應用于EVCMC3016充電系統中，通過使用Chroma 63204 E-Load充放電負載機進行反復測試，得到電子負載手動測試數據（見表1）；通過對鋰電池組進行測試，得到其充電曲線（見圖7）。

測試結果表明，電動汽車智能充電系統的輸入電壓范圍為176V/AC～264V/AC，輸出電壓為250/ DC～390V/DC，最大輸出電流可達13A，輸出功率達3.3kW，滿載效率超94%。通過在高低溫實驗室循環測試后，充電器在環境溫度為-40℃～65℃的情況下均可穩定工作，且具備根據BMS要求進行充電電壓、電流的控制功能，以及輸入過壓、欠壓，輸出過壓、欠壓，輸入過流、過載、過溫等保護功能。

4 結束語

電動汽車智能充電系統采用PFC功率因數校準技術、BMS智能充電算法對充電系統進行優化設計，通過CAN總線通訊網絡對充電過程進行控制和管理，精準控制充電。該系統主要應用于電動汽車車載充電器中，對目前許多需要專用充電樁才能完成的充電工作有很好的改善作用。在二次開發中，可建立遠程數據控制平臺，對充電系統的數據進行控制管理，實現數據庫的更新自動下載，上傳對電網的監控數據；用戶也可通過特定的APP或微信等進行監控和管理充電，隨時掌握充電狀態，從而形成一個智能充電物聯網絡。

圖6 電動汽車智能充電系統軟件工作流程

表1 電子負載手動測試數據

圖7 鋰電池組充電曲線

[1] 夏正鵬，汪興興，倪紅軍，等.電動汽車電池管理系統研究進展[J].電源技術，2012（7）：1052-1054.

[2] 符曉玲，商云龍，崔納新.電動汽車電池管理系統研究現狀及發展趨勢[J].電力電子技術，2011（12）：27-30.

[3] 包敏.電動汽車電池管理系統軟件設計[J].制造業自動化， 2010（12）：12-14.

[4] 馮勇，王輝，梁驍.純電動汽車電池管理系統研究與設計[J].測控技術，2010（9）：54-57.

[5] 韋琳.純電動汽車鋰離子電池管理系統的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，2015.

[責任編輯：吳志榮]

Design of Electric Vehicle Intelligent Charging System

LONG Fen
(School of Technology, Xianning Vocational Technical College, Xianning, 437100, China)

With slow charging speed and inconvenient charging of the electric vehicle battery, the PFC power factor calibration technology, BMS intelligent charging algorithm and CAN bus technology are applied to the design of electric vehicle intelligent charging system. The test results show that the system has the characteristics of high ef f ciency, fexible usage and strong adaptability of the charging environment.

Electric vehicle; Intelligent charging system; PFC; BMS; CAN

U469.72; TM 910.6

A

1671-4326 (2017) 02-0042-04

DO I: 10.13669/j.cnki.33-1276/z.2017.032

2016-12-28

咸寧職業技術學院院級課題（2016B012）

龍 芬（1984—），女，湖南祁東人，咸寧職業技術學院工學院講師，碩士.