電動汽車鋰電電源直流供電系統設計

董燕飛

摘 要： 對鋰電電源直流供電系統進行設計在提高電動汽車鋰電電源使用量方面具有重要意義。現有的供電系統主要通過增加穩壓控制器，提高系統的穩定性，卻忽略了各接口連接方式導致系統不穩定的問題。在此提出并設計了基于供電保護的電動汽車鋰電電源直流供電系統。在分析電動汽車鋰電電源直流供電存在問題的基礎上，設計了整體電動汽車鋰電電源直流供電系統模塊，并針對供電系統接口模塊進行了設計，同時添加了保護模塊，增加供電系統的穩定性，并給出部分系統軟件設計部分。實驗結果表明，采用改進供電系統時，其在電動汽車鋰電電源直流供電方面要優于傳統供電系統，系統穩定性較高，具有一定的優勢。

關鍵詞： 電動汽車； 鋰電電源； 直流供電； 供電保護； 接口連接； 系統設計

中圖分類號： TN86?34； TM911.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0144?04

Abstract： The design of the lithium battery DC power supply system has important significance in improving the lithium battery usage amount of electric vehicles. The existing power supply system improves its stability mainly by increasing voltage regulators， which ignores the problem of system instability caused by the connection mode of various interfaces. Therefore， a lithium battery DC power supply system based on power supply protection is proposed and designed for electric vehicles. On the basis of analyzing the problems existing in lithium battery DC power supply of electric vehicles， the whole modules of the lithium battery DC power supply system for electric vehicles are designed. Designs are conducted for the interface module of the power supply system. The protection module is added to increase the stability of the power supply system. The software design part of the system is partially given. The experimental results show that in comparison with the traditional power supply system， the improved power supply system is superior in lithium battery DC power supply of electric vehicles， and has a high stability， which has a certain advantages.

Keywords： electric vehicle； lithium battery； DC power supply； power supply protection； interface connection； system design

0 引 言

電動汽車分為混合動力汽車和純電動汽車，其是以電為動力或者以電為動力能源之一的汽車。與傳統汽車相比，電動汽車對環境的污染小、能量利用率高、不會產生任何有害物質，實現真正意義上的零排放[1]。因此，電動汽車更適合在城市中運行，因電帶油，可達到零排放和低噪音的目的，是處理能源及環境問題的關鍵方法。在推廣應用中，也對電動汽車的動力提出了更高的性能要求。電動汽車鋰電電源的使用最為常見，其供電系統是電動汽車行駛供應能量，是電動汽車的關鍵基礎系統，供電模式關鍵有交流供電及直流母線供電兩種模式[2]。其中，直流母線供電模式最為常見，且有一定的優勢，受到廣大學者及專家的關注。

傳統的電動汽車鋰電電源直流供電時，其主要采用并列蓄電池組方案，對直流供電系統進行設計及優化，忽略了電池型號及常規鉛酸蓄電池的直流電源壽命周期存在的干擾，存在供電系統供電不穩定，損傷鋰電池壽命的問題。本文提出并設計了基于供電保護的電動汽車鋰電電源直流供電系統。

1 整體結構設計

在設計電動汽車鋰電電源直流供電系統時，使用Atmega16L為主控制器，經過外圍電路的仿真專用智能芯片作用[3]，實現對鋰電池電源直流供電。系統包括實時采集電池動態信息，使單體電池實現自動均衡，充放電控制及其異常現象的保護電路等，整體功能圖見圖1。

從圖1中可看出，供電系統關鍵功能是達到數據采集、電池組均衡控制、保護電路、接口模塊設置等目的[4]，數據采集主要是對單體電池電壓、整組電池電壓、電流和系統溫度的收集，并經過收集到的數據計算剩下的電量；電池組均衡控制主要是針對單體電池產生過壓時，對過壓單體進行自動均衡[5]，預防單體電池過充；保護電路部分主要是針對電池組產生過充、過放、過流、過溫和突然短路問題時，經過中斷MOS管，防止電池的充放電。

1.1 系統接口模塊設計

電動汽車鋰電電源直流供電系統中心載有大量的設備，如硬盤、內存和存儲器等。這些設備單元之間的連接需要通過接口單元實現，接口單位示意圖如圖2所示。在供電系統中，接口單元將提供負載所需的電壓，與各模塊直接連接[6]，有利于避免供電系統的高峰值電流與低噪音容限的矛盾，最大限度地減少電壓下降或上升引起的損耗。

供電系統內含的多個運行模塊，隨著供電系統運行量的增加，各模塊消耗的功率越來越大，為了減少功率的損耗[7]，所以采用開關電容調節器作為接口單元，以此為供電系統接口模塊，將DC?DC輸出電壓轉換為供電系統所需電壓，如圖3所示。

1.2 供電系統主控板保護模塊設計

保護模塊主要是指當出現鋰電電源出現電壓、電流、溫度和短路等突發異常時，關掉充放電實時保護系統安全，其設計原理如圖4所示。

圖4a）中，虛線框里是選擇的保護電路主控管IRF3205，因其具備175 ℃運行溫度、高信道等級、先進的加工工藝及較低導通阻抗等優勢，且其導通電阻值是[8 mΩ]，電流是[110 A]，較為符合使用在大電流的場景[8]，適合電動汽車鋰電電源直流供電的需要。

從圖4a）可以看出，保護電路的整體原理是：整體保護電路串聯在鋰電電池組的回路里，經過及時監測電池組各項指標信息，當出現有異常信息時，經過CHG，DSG管制整體充放電回路，確保鋰電電源的運行安全性，延長鋰電電源直流供電系統的使用壽命。

圖4b）為真實電路的連接圖，DSG為放電控制端口，P是充電模塊負極端，B11為鋰電電池組負極端，CHG為充電控制的端口[9]，整體保護電路串聯在電池組負極端回路里，充放電MOSFET管使用的是IRF3205，適合鋰電電源直流供電系統保護電路設計要求。

2 軟件設計

電動汽車鋰電電源直流供電系統的軟件設計過程中，主程序是管理整個系統初始化、檢測、保護、常規事務管理等的主要軟件[10]。如圖5所示為供電系統的主程序，整體流程不停的反復，系統運行后首先進行自檢，倘若自檢未合格，那么持續進行自檢并報錯；加入自檢已通過，供電系統會進行初始化，然后獲取采樣數據，使用該保護檢測系統故障。

3 實驗結果分析

3.1 實驗參數設置

在實驗參數設置過程中主要以鋰電池參數和仿真實驗參數設置為主，如表1、表2所示。

3.2 實驗結果分析

為了驗證改進系統在電動汽車鋰電電源直流供電方面的有效性及可行性，以系統穩定性為指標，以采用傳統供電系統為對比進行實驗分析，結果如圖6所示。

由圖可知，采用傳統供電系統時，其在運行時間到5 s后開始出現波動，直到運行時間為10 s，其波動有所減緩，但未徹底消失，表明易受到外界干擾出現波動，穩定性較差；采用并聯智能電池組件供電系統時，其在3 s后就出現波動，且一直到10 s未出現波動趨于平穩的現象，穩定性較差；采用改進系統時，其在運行時間為5 s時亦出現了波動，但較傳統系統波動幅度較小，且之后隨即趨于穩定，表明對外界干擾防御較好，穩定性高，具有一定的優勢。

4 結 論

針對傳統供電系統一直存在供電穩定性差的問題，本文提出并設計了基于供電保護的電動汽車鋰電電源直流供電系統。實驗結果表明，相比傳統供電系統，改進系統對外界干擾防御較好，穩定性高，具有一定的優勢。

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