一種小型車載充電機的研究

宋武強

（河南林業(yè)職業(yè)學(xué)院汽車與機電工程系，河南 洛陽 471000）

發(fā)展新能源汽車是解決能源危機和環(huán)境污染，推動我國汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)我國汽車產(chǎn)業(yè)由大到強，跨越式發(fā)展的重要途徑。電動汽車以其環(huán)保優(yōu)越與節(jié)能特性，成為各國研究與開發(fā)的熱點。那么電動汽車充電設(shè)備的研究即隨之不可或缺，電動汽車充電設(shè)備總體上可以分為非車載充電機和車載充電機。非車載充電機固定安裝，對多種電池進(jìn)行充電，功率、體積較大[1]；車載充電機則是安裝在電動汽車上，采用交流電或車載電源對蓄電池組進(jìn)行充電的裝置。由于車載充電機結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，且具有較強的針對性。因此，本文旨在設(shè)計一款小型化、輕量化、智能化且效率高、可靠性高的車載充電機。

根據(jù)項目要求，該車載充電機主要的設(shè)計指標(biāo)：額定輸入電壓及頻率為AC85V～AC265V，45～65HZ；功率因數(shù)≥0.9；滿載效率≥80%；機械沖擊及抗震等級應(yīng)符合SAEJ1378要求；防護(hù)等級為IP46；工作溫度及存儲溫度分別為-40℃～+55℃，-40℃～+100℃；通過 CAN 總線控制或通過使能線控制。

1 車載充電機整體設(shè)計方案

本文所研究的智能充電機是基于開關(guān)電源充電裝置工作原理基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計的[2-3]。車載充電機結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。

車載充電系統(tǒng)主要包括車載充電機和蓄電池兩部分。本系統(tǒng)中，從機以基本相同的模式進(jìn)行充電，但是從機受控于主機。圖中的虛線表示地的隔離。整體上看共有兩個接地，即變壓器原邊的220V地和變壓器副邊的電池負(fù)載地。兩側(cè)的信號傳輸通過光耦進(jìn)行隔離傳輸。對地的隔離設(shè)計有效的保證了充電過程中的人身安全。

圖1 車載充電機結(jié)構(gòu)框圖

前級到后級的工作過程如下：

1）220V交流電硬件邏輯電路判斷電網(wǎng)電壓正常后閉合繼電器。

2）接入的220V交流電經(jīng)整流橋及濾波電容整流濾波后，然后母線電壓采樣值與設(shè)定值進(jìn)行比較調(diào)節(jié)以后，再通過電壓脈寬調(diào)制芯片TL494驅(qū)動MOS開關(guān)管配合儲能電感、儲能二極管實現(xiàn)母線電壓的閉環(huán)升壓。

3）升壓后的母線電壓送往占空比可調(diào)節(jié)的逆變橋。逆變橋占空比調(diào)節(jié)的具體過程如下：負(fù)載電流采樣值與單片機設(shè)定的電流值比較后經(jīng)過PI環(huán)節(jié)，再經(jīng)過線性光耦隔離后送往電流脈寬調(diào)制芯片UC3846，UC3846輸出的信號經(jīng)調(diào)理放大后驅(qū)動逆變橋，從而實現(xiàn)硬件PID恒流調(diào)節(jié)。單片機設(shè)定的電流值與負(fù)載所需要的恒流、恒壓、溫度及外部調(diào)節(jié)旋鈕相關(guān)。

4）逆變橋輸出的交流電經(jīng)變壓器隔離變壓后，再整流濾波后送往電池負(fù)載進(jìn)行恒流、恒壓等工況的充電。

2 車載充電機硬件電部分

車載充電機系統(tǒng)硬件電路設(shè)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(shè)計等。

2.1 充電機功率單元硬件設(shè)計

開關(guān)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(guān)重要的影響[4]。在本系統(tǒng)中，采用前級有源功率因數(shù)校正，后級采用全橋變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足開關(guān)電源低諧波、高功率因數(shù)的要求。充電功能模塊由AC/DC變換器與DC/DC變換器共同組成。在開關(guān)電源硬件電路的各種變換拓?fù)渲校霕蜃儞Q以其輸出功率大、結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)器件少、實現(xiàn)同等功率變化的成本較低且抗磁通不平衡能力強等優(yōu)點[5]，因此，本設(shè)計采用半橋拓?fù)渥儞Q，由單相交流220V供電，經(jīng)EMI抑制模塊，通過橋式整流電路后，為提高轉(zhuǎn)換效率及降低諧波影響在整流后加入基于Boost型拓?fù)涞闹鲃邮焦β室驍?shù)校正器，整形輸入的電流，使電流和電壓同相，同時輸出穩(wěn)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?yōu)榻涣鞣讲?，再通過高頻變壓器進(jìn)行隔離升壓，最后由整流濾波回路將交流流電壓轉(zhuǎn)化成蓄電池組充電可以接受的高精度直流電壓，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(jìn)行采樣反饋，并通過PID實現(xiàn)恒壓限流和恒流限壓的二段式充電方式。

2.2 充電機主控單元硬件設(shè)計

本系統(tǒng)主控MCU芯片采用STM32FI03RC作為核心控制器，工作頻率可達(dá)到72MHZ，內(nèi)置CAN2.0B接口，可在-40℃～+105℃的溫度范圍內(nèi)工作，且可通過軟件設(shè)置一系列省電模式滿足低功耗的應(yīng)用要求，以保證汽車工業(yè)的要求[6]。

STM32FI03RC外接兩個晶振電路，一個電路為芯片提供穩(wěn)定的時鐘頻率，另一個為備用晶振源。其調(diào)試接口為JTAG，在電路中設(shè)計指示燈電路，用來顯示充電過程中的各個狀態(tài)以及出現(xiàn)的錯誤和報警功能。

2.3 通信單元硬件設(shè)計

本充電機系統(tǒng)中通信主要集中在主控與 BMS之間的CAN總線通信。只需簡單擴展 STM32FI03RC芯片內(nèi)置的CAN2.0B，就可實現(xiàn)與BMS通信。CAN模塊擴展電路的設(shè)計中采用3.3V系列的CAN收發(fā)器。為增強CAN通訊的可靠性，總線兩端并接120歐姆的終端匹配電阻，可有效減小電磁干擾。采用單通道高速光耦合器6N137進(jìn)行信號隔離，其內(nèi)部有一850nm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，輸出輸出隔離顯著。通信硬件電路如圖2所示。

圖2 通信單元硬件電路

2.4 BMS硬件設(shè)計

BMS電池管理系統(tǒng)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(shù)據(jù)，充電系統(tǒng)才能夠可靠工作，進(jìn)而達(dá)到提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)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(tǒng)以單片機為核心結(jié)合外圍電路實現(xiàn)對蓄電池電源的管理、保護(hù)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(jīng)差分放大，模擬開關(guān)，由單片機的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時對溫度以及流過蓄電池的電流進(jìn)行采集且傳送至內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后由微控制器對采集的各種參數(shù)進(jìn)行綜合分析處理，當(dāng)檢測溫度異常時能夠通過溫度管理電路進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，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(jìn)行均衡控制。同時測量數(shù)據(jù)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(xiàn)異常狀況時能夠及時發(fā)出聲光報警，同時可通過通信接口單元實現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的上傳功能。

3 結(jié)論

該車載充電機系統(tǒng)采用隔離開關(guān)以提高其充電的可靠性和效率，采用前級有源功率因數(shù)校正，后級采用全橋變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足開關(guān)電源低諧波、高功率因數(shù)的要求。為提高A/D轉(zhuǎn)換效率及降低諧波影響，在整流后加入基于Boost型拓?fù)涞闹鲃邮焦β室驍?shù)校正器，輸出穩(wěn)定的直流電壓作為全橋逆變電路的輸入，最后由整流濾波回路將交流流電壓轉(zhuǎn)化成蓄電池組充電可以接受的高精度直流電壓，并通過 PID整定，及CAN總線通信實現(xiàn)智能化充電管理。

該車載充電機增強了汽車充電設(shè)備的通用性和靈活性，有效的減少了地面充電設(shè)備成本。