纯电动汽车充电系统设计与研究

摘要：本文以某款纯电动汽车作为研究对象，根据整车参数需求对其充电系统参数进行了匹配设计，对APFC电路、半桥式逆变部分、高频变压器、吸收回路及滤波回路、保护电路、单片机控制等进行了开发设计，并对充电器CAN总线通讯协议定义，经过不同充电阶段不同充电模式下的反复测试，结果表明该充电器性能稳定，达到了快速无损伤充电的目的，且整机的转换效率在94%以上。

1 充电系统的方案

本文根据某款纯电动汽车参数需求，匹配定义的车载充电器的主要技术参数，见表1。

结合当前电动汽车电能供给的典型方式和充电电源的发展状况，充电系统的设计如图1所示。整个电路采用了AC /DC-DC /DC 的设计结构，首先是220V 的交流市电经EMI滤波、PFC校正电路变为390V 的直流，然后经DC /DC 半桥变换及相应的控制电路，保证输出电流电压满足充电电池的需求。其中PFC 控制电路主要由MOSFET管、Boost升压电感、控制芯片ICE2PCS01以及直流滤波电容组成。DC /DC变换采用半桥式拓扑，主要由高频变压器、MOSFET管以及LC滤波电路组成。控制部分通过对蓄电池端电压、电流信号的采集反馈，由SG3525产生双路PWM 波控制半桥拓扑中MOSFET管的通断时间来控制充电电流和电压，其控制部分还包括对电流、电压、温度的采集监测以及实时显示。

2 APFC电路设计

设计选择工作于连续调制模式下的平均电流型升压式APFC 电路来实现。具体的电路设计如图2所示，控制芯片选用ICE2PCS01由ICE2PCS01构成，有源功率因数校正电路。

3 半桥式逆变部分设计

DC /DC变换是该充电电源的关键部分， 同时也是难点所在。整机性能的好坏、质量优劣、成本高低在很大程度上取决于该逆变桥路。该部分如图3所示，主要包括变换器拓扑结构的选择、功率管选择、变压器设计、吸收回路设计及滤波回路设计等。

4 电路主变换拓扑结构的选择

在开关电源的各种变换拓扑中，半桥变换以其输出功率大、结构简单、开关器件少、实现同等功率变换的成本较低且抗磁通不平衡能力强等优点，成为该充电器结构设计的首选。半桥电路由两只数值相等、容量较大的高压电容器组成一个分压电路，通过控制一个桥臂上两个开关管交替导通和截止，在变压器原边产生高压开关脉冲，从而在副边感应出交变的方波，实现功率转换。该电路拓扑的一个突出优点是阻断图3中电容C₃的连接使其具有抗磁通不平衡能力，有效防止磁偏。同时将变压器初级侧的漏感尖峰电压钳位于直流母线电压，将漏感存储的能量归还到输入母线，而不是消耗于电阻元件。

5 高频变压器的设计

由220V 的交流输入经过前级的APFC 变换电路后，得到380V 输出电压，同时该输出电压也是后级DC-DC变换的输入电压。在变压器的作用下，原边电压是190V，副边输出电压是109V。

6 吸收回路及滤波回路的设计

为解决关断时器件的过压问题，在图3 中由D₁、R₁、C₄组成RCD缓冲器，通过减缓Q₁漏源极电压的上升速度使下降的电流波形同上升的电压波形之间的重叠尽量小，以达到减小开关管损耗的目的。

同理由D₄、R₄、C₈对Q₂的关断过程进行保护。在输出整流二极管之后采用LC 滤波电路减小输出电流电压纹波。滤波电感L₁的作用是使负载电流的波动减小，滤波电容C₅的作用是使输出电压的纹波减小。当负载突减时，滤波电容储能;负载突增时，电容C₅上的储能首先向负载补充能量，以减小输出电压的峰-峰值。

7 控制保护电路设计及功能

控制保护电路主要完成3个功能：(1)控制充电系统按照当前的设定的输出电压电流值产生占空比可变的PWM波，对开关管进行驱动，实现功率变换;(2)当出现过压、欠压、过流、过温等故障时，控制充电电源的主回路停止工作，从而将电源的损坏程度控制在最小范围;(3)在充放电过程中，对相应的电压、电流、温度等参数实时显示。

8 驱动信号的产生

驱动信号的产生过程如下：将电阻分压获取的输出电压信号以及电流霍尔传感器采集的输出电流信号送至SG3525的误差放大器的反相输入端，由其产生两路PWM方波信号，6N137对该方波信号光耦隔离，并送至FAN7390进行功率放大和波形转换，以驱动半桥变换器。

9 保护电路的设计

保护电路具有过压、欠压、过流、过温等保护功能，在出现上述故障时，控制系统首先对故障的紧急程度进行判断，当出现过欠压或者过温警示信号时，实行限制输出功率保护方案;在出现过流、短路等故障时，控制主电路停止工作，保护充电电源免受损坏。要使系统正常工作，需要重新开机。

10 单片机控制设计

该系统的总体控制采用NEC的F0881单片机作为充电器的"智能"中心，对充电过程进行控制。由于采用智能充电，电池每个阶段所需的充电电压和充电电流都不同， 则在充电时该单片机对电池端的电流电压信号进行采集，分析处理，模糊推理、模糊决策等，根据不同的状态采用对应的慢脉冲、快速充电方法以及保证在各充电阶段之间的稳定切换，对出现的各种故障和报警信号进行处理，该部分还包括对电流、电压和温度的采集以及显示等，具体控制原理见图4。

11 充电器CAN总线通讯协议定义

充电器通过CAN总线节点与电池管理系统通信，获取电池单体电压值和电池温度值。当充电器监测电池总电压达到预定值，则自动停止充电;当充电器接收信号(电池单体电压值和温度值超过预定值)，将自动停止充电。

图5为充电器CAN网络拓扑图，充电器和电池管理系统都位于高速CAN线上，它们之间直接通讯，可靠性高，同时把所有信息按照CAN协议发到CAN总线上。

表2为29标识符的分配表：其中，优先级为3位，可以有8个优先级;R一般固定为0;DP现固定为0;8位的PF为报文的代码;8位的PS为目标地址或组扩展;8位的SA为发送此报文的源地址。低速CAN总线频率为20KbPS，网络地址分配及充电器的报文见表3、4、5。

为验证其实际运行效果，采用220V±20% 的宽范围交流电源作为输入电源， 并应用电动车用蓄电池带载试验，测得其PFC校正和半桥变换器原边的电流电压波形分别见图6所示。

图7为满载时的功率因数校正波形，可以得出开关管在输入电压电流工频过零点是完全处于截止状态的，PFC 电感处于电感电流连续的工作模式，这样保证输入电流很好地跟随输入电压成正弦波，电路具有很高的功率因数。上图为慢脉冲充电模式下变压器原边的电压电流波形，可以看出电压波形和电流波形相位一致性较好，开关管的波形与理论上分析的完全一致，在开关管关断瞬间电压尖峰较小，说明变压器的漏感较小，功率转换的损耗小，经过不同充电阶段不同充电模式下的反复测试，结果表明该充电器性能稳定，达到了快速无损伤充电的目的，且整机的转换效率在94%以上。

12 总结

本文根据整车参数需求对其充电系统参数进行了匹配设计，对APFC电路、半桥式逆变部分、高频变压器、吸收回路及滤波回路、保护电路、单片机控制等进行了开发设计，并对充电器CAN总线通讯协议定义，经过不同充电阶段不同充电模式下的反复测试，结果表明该充电器性能稳定，达到了快速无损伤充电的目的，且整机的转换效率在94%以上。

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