新能源汽車(chē)充電系統(tǒng)能量均衡與穩(wěn)定性研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）06-0019-02

Research on Energy Balance and Stability of Charging System for New Energy Vehicles*

Hu Liang，Lv jie（BeihaiVocational College，Beihai 536Ooo，China）

【Abstract】With the global energy transitionand the promotion of the \"dual carbon\"strategy，the optimizationof electricvehiclecharging technology has becomeoneof thecoreisues in thedevelopment of thenew energy vehicle industry.This paper proposesahardwarecontrolarchitecturebasedonavoltage divider circuit，multi-stagecomparator， and RSflip-floptoaddress thehighcomplexityand highcostof traditionalcharging systems thatrelyonmicrocontrolers and power managementchips.Theaim is toachieveenergybalanceandstabilityduring thecharging process.Through the dynamicthreshold adjustment mechanismand fault-tolerant design of bistable triggers，the system can complete multilevel voltage detectionand charging mode switching without software dependency，reducing hardware costsby more than （204號(hào) 50% .Experimental verification shows thatthe design meets the designrequirements in terms of voltage divisionaccuracy （20 （±1%） ，comparatorresponse time（lt;1ms），andanti-interference ability，providing technical support forthe popularization and safety improvement of charging infrastructure.

【Key words】 electric vehicle charging system；energy balance；distributed control

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作為電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，動(dòng)力電池的性能與壽命直接決定了整車(chē)的續(xù)航能力與可靠性。然而，電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）中充電控制電路的復(fù)雜性與成本問(wèn)題，始終是制約其大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)瓶頸之一。本研究提出一種基于純硬件電路的分布式控制方案，通過(guò)分壓電路生成多級(jí)基準(zhǔn)電壓，結(jié)合比較器與RS觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)閾值調(diào)節(jié)與狀態(tài)切換。該方案摒棄了對(duì)傳統(tǒng)微控制單元（MicrocontrollerUnit，MCU）依賴(lài)，以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)為核心目標(biāo)，同時(shí)通過(guò)冗余設(shè)計(jì)與抗干擾優(yōu)化提升系統(tǒng)可靠性。研究的意義在于： ① 降低充電樁制造成本，助力基礎(chǔ)設(shè)施普及； ② 通過(guò)多級(jí)電壓檢測(cè)與動(dòng)態(tài)控制策略提升充電安全性； ③ 適配多樣化電池模塊需求，增強(qiáng)通用性。

1.1 整體架構(gòu)

系統(tǒng)由分壓電路、比較電路、RS觸發(fā)器及開(kāi)關(guān)電路四部分組成。整流橋輸出經(jīng)分壓電路生成5.54V、5.25V、5.15V三級(jí)基準(zhǔn)信號(hào)，分別輸入至3個(gè)比較器的反相端；電池電壓信號(hào)接入比較器同相端。比較結(jié)果經(jīng)RS觸發(fā)器鎖存后驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路，控制充電電流模式。

1.2核心模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 分壓電路

將整流橋輸出的高壓直流（30V）分壓為三級(jí)低電壓基準(zhǔn)信號(hào)（5.54V、5.25V、5.15V），供比較電路使用。

1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由精密電阻R107、R108、R109、R110串聯(lián)構(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò)。

2）分壓節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)A（R107-R108）輸出 5.54V 用于過(guò)壓保護(hù)閾值（對(duì)應(yīng)第一比較器U2a）。節(jié)點(diǎn)B（R108-R109）輸出5.25V，用于大電流切換閥值（對(duì)應(yīng)第二比較器U2b）。節(jié)點(diǎn)C（R109-R110）輸出5.15V，用于涓流充電閾值（對(duì)應(yīng)第三比較器U2c）。

3）抗干擾設(shè)計(jì)。在分壓輸出端并聯(lián)濾波電容（C101＼～C103，容值 0.1μF ，抑制高頻噪聲。

1.2.2 比較電路

1）功能。實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓與基準(zhǔn)信號(hào)的差異，輸出高低電平觸發(fā)邏輯控制模塊。

2）核心元件。采用四路高速比較器（LM339，U2a～U2d） ，響應(yīng)時(shí)間 lt;1μs ，共模輸人范圍覆蓋OV至電源電壓。

1.2.3 RS觸發(fā)器

1）功能。鎖存比較器的輸出狀態(tài)，確保充電模式切換的確定性，避免誤動(dòng)作。

2）核心元件。采用施密特觸發(fā)器（74HC14，U3a＼～U3d）構(gòu)建雙穩(wěn)態(tài)RS觸發(fā)器，滯回電壓典型值0.5V。

1.2.4 開(kāi)關(guān)電路

采用NPN三極管Q101與場(chǎng)效應(yīng)管VT101構(gòu)建兩級(jí)開(kāi)關(guān)。Q101控制小電流通路（0.5A），VT101控制大電流通路（1.8A），兩者協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)多模式充電。

1）小電流通路（Q101）。NPN三極管2N，耐壓40V，最大集電極電流 0.8A 。電路配置，基極通過(guò)電阻R111（ 1kΩ ）接U3a輸出端（ Pin3 ）。集電極經(jīng)電阻R102（ 10Ω ）接電源輸出端（ +18V ）。發(fā)射極接電池正極，導(dǎo)通時(shí)提供 0.5A 電流

2）大電流通路（VT101）。N溝道MOSFETIRF540，導(dǎo)通電阻 44mΩ ，耐壓 100V 。電路配置，柵極通過(guò)電阻 R104（1kΩ） 接U3d輸出端 （Pin12） 。漏極經(jīng)電阻R103（5Ω）接電源輸出端 （+18V） 。源極接電池正極，導(dǎo)通時(shí)提供1.8A電流

3）涓流模式。僅Q101導(dǎo)通（0.5A）。

4）小電流模式。Q101持續(xù)導(dǎo)通，VT101間歇導(dǎo)通（總電流1.0A）。

5）大電流模式。VT101完全導(dǎo)通（疊加電流2.8A）。

2 試驗(yàn)與驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證電路功能，搭建仿真模型，模擬電池電壓從4.8V（深度放電）升至 5.5V （過(guò)壓）的充電過(guò)程。試驗(yàn)參數(shù)如下：輸入電壓，30VDC；電池等效模型，串聯(lián)RC電路 ^′R=0.1Ω，C=5000mF） ；負(fù)載特性，模擬電動(dòng)汽車(chē)電池模塊的典型充放電曲線。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

1）電壓檢測(cè)精度。分壓電路輸出的三級(jí)基準(zhǔn)信號(hào)分別為 5.54V 、5.25V、5.15V，實(shí)測(cè)誤差為 ±0.08V （±1.5%） ，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）模式切換響應(yīng)。當(dāng)電池電壓達(dá)到閥值時(shí)，模式切換延遲小于 10ms 。例如，電壓升至5.15V時(shí)，Q101在 9.2ms 內(nèi)導(dǎo)通，充電電流從0A躍升至 0.5A 。

3）效率分析。電路整體效率 η×100%=92% ，主要損耗來(lái)自分壓電阻（約 3% ）與三極管導(dǎo)通壓降（約5% ）。

4）過(guò)壓保護(hù)測(cè)試。當(dāng)電池電壓達(dá)到5.45V時(shí)，VT101在 5ms 內(nèi)截止，充電電流降至 0.5A ，有效避免過(guò)充風(fēng)險(xiǎn)。

3結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種基于分壓比較與RS觸發(fā)器的電動(dòng)汽車(chē)充電控制電路，通過(guò)硬件邏輯替代傳統(tǒng)MCU方案，成功解決了現(xiàn)有充電系統(tǒng)復(fù)雜度高、成本昂貴的問(wèn)題。研究結(jié)果表明，該電路能夠精準(zhǔn)檢測(cè)電池電壓，動(dòng)態(tài)切換涓流、小電流及大電流充電模式，并在過(guò)壓條件下實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)，充電效率達(dá) 92% ，性能指標(biāo)滿足實(shí)際應(yīng)用需求。其創(chuàng)新點(diǎn)在于利用分壓網(wǎng)絡(luò)生成多級(jí)基準(zhǔn)信號(hào)，結(jié)合施密特觸發(fā)器的滯回特性與RS觸發(fā)器的雙穩(wěn)態(tài)鎖存機(jī)制，構(gòu)建了高可靠性的無(wú)軟件控制架構(gòu)，顯著降低了硬件成本與開(kāi)發(fā)難度。

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（編輯楊凱麟）