電動(dòng)汽車車載充電機(jī)的研究及設(shè)計(jì)

張軍，楊瑞

（鄭州科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州450064）

電動(dòng)汽車車載充電機(jī)的研究及設(shè)計(jì)

張軍，楊瑞

（鄭州科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州450064）

本系統(tǒng)闡述了一種應(yīng)用于電動(dòng)汽車的車載充電機(jī)系統(tǒng)，提出了充電機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案，給出了充電機(jī)主控制單元的硬件電路和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案，并論述其工作原理。該系統(tǒng)可通過CAN總線與BMS實(shí)現(xiàn)交互通信，根據(jù)電池實(shí)時(shí)狀態(tài)改變充電方式，能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車充電的智能化管理。

電動(dòng)汽車；車載充電機(jī)；CAN；模塊化

由于人類長時(shí)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(shí)也導(dǎo)致環(huán)境和生態(tài)平衡遭到嚴(yán)重破壞。因此降低能耗和保護(hù)環(huán)境成為國家長期發(fā)展的重中之重，我國也提出了“節(jié)能減排微排”的號召。相比傳統(tǒng)汽車，電動(dòng)汽車在低碳低噪環(huán)保節(jié)能等方面占有絕對優(yōu)勢，成為各大汽車集團(tuán)斥巨資研發(fā)的新興領(lǐng)域。電動(dòng)汽車依靠動(dòng)力電池進(jìn)行能量補(bǔ)給，按照充電機(jī)位置不同分為車載充電和非車載充電。相對非車載充電機(jī)使用不便、繞道、電動(dòng)汽車活動(dòng)范圍受限等缺點(diǎn)，車載充電機(jī)可方便取得220 V交流市電供電，提高了電動(dòng)汽車使用的便利性，因此，高效、低耗、可靠的車載充電設(shè)備已成為研究熱點(diǎn)。文中提供了一套車載充電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，給出了充電機(jī)主控制單元的硬件電路結(jié)構(gòu)、部分軟件設(shè)計(jì)方案并闡明其工作原理。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本車載充電機(jī)系統(tǒng)由主控MCU、EMI、整流濾波、PFC、全橋逆變、高頻變壓、BMS、人機(jī)交互等部分構(gòu)成。系統(tǒng)中BMS一方面可以檢測出電池組的實(shí)時(shí)狀態(tài)、出現(xiàn)異常情況時(shí)對電池組進(jìn)行保護(hù)，另一方面則是可以根據(jù)電池組的實(shí)時(shí)狀態(tài)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(jìn)行交互通信，BMS將電動(dòng)汽車蓄電池組的各種數(shù)據(jù) （如當(dāng)前電量、所需充電電壓及充電電流等充電需求）經(jīng)CAN總線發(fā)送給充電機(jī)系統(tǒng)，充電機(jī)系統(tǒng)則根據(jù)蓄電池組的實(shí)測狀態(tài)及所要達(dá)到的最終狀態(tài)作出相應(yīng)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(jīng)CAN總線實(shí)時(shí)反饋給BMS，最終滿足蓄電池組的充電需求。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 車載充電機(jī)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件部分

車載充電機(jī)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要包括充電機(jī)功率單元、主控單元、通信單元及BMS硬件設(shè)計(jì)等。

2.1 充電機(jī)功率單元硬件設(shè)計(jì)

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(jī)有著至關(guān)重要的影響。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。在開關(guān)電源硬件電路中，由交流市電220 V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?dòng)式功率因數(shù)校正器，整形輸入的電流，使電流與電壓同相，同時(shí)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，通過全橋整流后輸出的為直流脈沖電壓，經(jīng)過濾波電路后，變?yōu)槠交闹绷麟妷?。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)行釆樣反饋，從而調(diào)節(jié)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(jī)系統(tǒng)有多個(gè)功能模塊，各個(gè)模塊的需要使用的電源電壓不同，本系統(tǒng)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(jī)供電等）。

2.2 充電機(jī)主控單元硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)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(dá)到72 MHz，內(nèi)置CAN2.0B接口，可在-40℃至+105℃的溫度范圍內(nèi)工作，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)的需求。

本設(shè)計(jì)中STM32F103RC外接兩個(gè)晶振電路：一個(gè)頻率為8M，為芯片提供穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，另一個(gè)頻率32.678 K的晶振為備用晶振源。JTAG接口為調(diào)試接口。采用M25P64 _VME6G作為外圍存儲芯片，可以把一些重要的數(shù)據(jù)保存于此芯片中。設(shè)計(jì)中指示燈電路用來顯示充電過程的各個(gè)狀態(tài)，以及出現(xiàn)的錯(cuò)誤和報(bào)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(shè)計(jì)

充電機(jī)系統(tǒng)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(nèi)置CAN2.0B接口，只需簡單擴(kuò)展就可直接與BMS通信。

CAN模塊擴(kuò)展接口電路的設(shè)計(jì)中采用3.3 V系列CAN收發(fā)器SN65HVD230。為增強(qiáng)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(jìn)行信號隔離，其內(nèi)部有一個(gè)850 nm波長AlGaAs LED和一個(gè)集成檢測器組成，其檢測器由一個(gè)光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及一個(gè)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(bǔ)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(shè)計(jì)

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?cái)?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(jī)為核心結(jié)合外圍電路實(shí)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(gè)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(jī)的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)對溫度、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(shí)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(shí)測量數(shù)據(jù)能夠通過液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示，對蓄電池組及單體電池出現(xiàn)異常狀況時(shí)能夠及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)可通過通信接口單元實(shí)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的上傳功能。

3 系統(tǒng)軟件部分

充電機(jī)系統(tǒng)硬件電路搭建好后，關(guān)鍵還需配合軟件程序的編寫和調(diào)試才能實(shí)現(xiàn)充電管理系統(tǒng)的各種功能。由于充電管理系統(tǒng)主控 MCU采用 STM32F103RC芯片，在 Keil uVision4環(huán)境下進(jìn)行程序的編寫和調(diào)試。

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)上電后，首先對MCU、各中斷、CAN總線等進(jìn)行系統(tǒng)初始化。通過按鍵設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行所需參數(shù)并處理后與BMS進(jìn)行通信，將電動(dòng)汽車蓄電池組實(shí)時(shí)狀態(tài)（如最大電流、最大功率等）上傳給BMS，BMS據(jù)此做出處理，通知控制器產(chǎn)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(shí)時(shí)電壓電流值。MCU綜合采集數(shù)據(jù)，采用PID控制充電回路。充電過程中BMS、MCU，傳感器不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，及時(shí)根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使電流或電壓達(dá)到BMS要求的值，充電過程中如果出現(xiàn)異常，將會停止充電，系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)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(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，基于CAN總線的通訊系統(tǒng)，其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議在相關(guān)器件中可以實(shí)現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)中只需對應(yīng)用層進(jìn)行設(shè)置。BMS與充電管理系統(tǒng)的通信采用通信選擇擴(kuò)展頓格式，對CAN2.0B的29位標(biāo)識符作了進(jìn)一步的定義，包含一個(gè)協(xié)議數(shù)據(jù)單元。其中數(shù)據(jù)單元由源地址、目的地址、幀類型、數(shù)據(jù)域、頁碼、保留位、優(yōu)先級七部分組成。其中數(shù)據(jù)域由8個(gè)字節(jié)組成，將其分為4個(gè)部分，每個(gè)部分兩個(gè)字節(jié)，分別用于上位機(jī)向充電裝置控制單元發(fā)送下行數(shù)據(jù)及充電裝置控制單元向上位機(jī)發(fā)送的上行數(shù)據(jù)。圖5為CAN通信流程圖。

圖5 CAN通信流程圖

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

根據(jù)系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)搭建充電機(jī)測試裝置。對車載充電機(jī)的硬件電路和軟件系統(tǒng)進(jìn)行測試，驗(yàn)證了充電機(jī)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(shè)定值，且充電電壓波動(dòng)較小。

圖6 充電電流曲線

5 結(jié)束語

伴隨能源短缺及環(huán)境問題日益嚴(yán)重，人們對舒適、環(huán)保的出行方式也越來越重視，電動(dòng)汽車得到了迅猛的發(fā)展，電動(dòng)汽車充電模塊也取得了重大的突破。本系統(tǒng)依據(jù)模塊化思想，從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面對車載充電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。該車載充電機(jī)增強(qiáng)了汽車的充電設(shè)備的通用性和靈活性，可有效的減少地面充電設(shè)備成本，隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，車載充電機(jī)的應(yīng)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(guān)項(xiàng)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(shù)。