电动汽车车载充电机设计与实现

ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ2013年第5期

电动汽车车载充电机设计与实现

瞿章豪徐正龙

（重庆邮电大学自动化学院，中国重庆400065）

【摘要】本文设计了一种适用于电动汽车充电的充电系统，为提高充电效率，提出一种针对电池的充电的超前补偿控制算法。文中详细介绍了系统硬件电路组成及算法实现过程。充电实验结果表明，硬件设计结构合理，同时该算法控制的充电过程可以达到更高的充电效率。

【关键词】电动汽车；车载充电机；超前补偿控制；变频控制技术

TheCharger'sDesignandImplementationBasedonElectricVehicle

QUZhang-haoXUZheng-long

(ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications，Chongqing，400065，China）

【Abstract】Thispaperdesignsabatterychargingsystemthat’ssuitableforelectricvehicle,inordertoimprovethechargingefficiency,thispaperputsforwardabatterychargingcontrolalgorithmbasedontheleadcompensation.Thispaperintroducesthehardwarecircuit’sstructureandthealgorithm’srealizationprocessofthesystem,indetail.TheChargingexperimentalresultsshowthatthealgorithmcontrolsthechargingprocesscanachievemorehigherchargingefficiency。

【Keywords】ElectricVehicle;Vehicle’scharger;Leadcompensationcontrol;Variablefrequencycontroltechnology

0引言

随着现代高新技术的发展和当今世界环境、能源两大难题的日益突出，电动汽车以优越的环保和节能特性，成为了汽车工业研究、开发和使用的热点。电动汽车的发展包括电动汽车以及能源供给系统的研究和开发，其中能源供给系统是指充电基础设施，供电、充电和电池系统及能源供给模式。充电系统为电动汽车运行提供能量补给,是电动汽车的重要基础支撑系统,也是电动汽车商业化、产业化过程中的重要环节。因此，电动汽车充电设施作为电动汽车产业链的重要组成部分,在电动汽车产业发展的同时还应该充分考虑充电设施的发展[1]。研究发现，电池充电过程对电池寿命影响很大，也就是说，大多数的蓄电池是“充坏”的。因此，开发出一种性能优良的充电系统对电池的寿命和电动汽车性能具有重大的作用。

1车载充电机硬件电路设计

车载充电机电路模块如图1所示。主要包括三个部分：功率单元、保护及控制单元、辅助管理单元，其中功率单元在控制单元的配合下是把市电转换成蓄电池充电需要的精电；控制模块通过电力电子开关器件控制功率单元的转换过程，通过闭环控制方式精确完成转换功能。辅助模块主要是为控制模块的电力电子器件提供低压供电及实现系统与外界的联系。此三个单元协同作用组成闭环控制系统。下面对此系统按照所分单元进行解析。

制器；为提高转换效率及降低谐波影响，在整流后加入基于BOOST拓扑的主动式（PowerFactorCorrectionPFC）功率因数校正器；车载充电器为高压输出，在此为提高系统抗电压应力能力，采用全桥DC/DC拓扑变换电路。为提高输出精度，滤波单元采用π型滤波方式。在控制器作用及其他单元配合下，各模块协同作用，把电网粗电转换成电池充电所需的精电。

1．2保护及控制单元设计解析

控制单元在辅助单元及检测反馈配合下，在此单元主控器内加入智能控制算法提高系统充电能量转换效率。主要包含原边检测及保护模块、过流检测及保护模块、过压/欠压监测及保护模块、DSP主控模块。保护及检测模块是由电阻组成的检测网络检测功率单元电压信号，通过LM317组成放大网络对检测到的信号放大，再通过光耦将此信号传递到控制端；由电流互感器TAK17-02组成的检测网络检测功率单元电流信号传到控制端。由DSP28335电路及脉冲变压器隔离驱动电路组成的控制器单元根据采集到的功率单元的电流和电压信息，对DC/DC全桥变换器模块作出相应的充电、保护控制，使充电器能够更加安全、高效、快速的为蓄电池充电，在完成控制能量转换的同时实现保护功能。

1．3辅助管理单元设计解析

辅助单元负责为整个系统本身提供运行能量及信息交付接口。辅助管理单元主要包括CAN通信模块、辅助电源模块、人机交互模块。CAN通信通过研究充电器与BMS之间通信技术，最终实现充电机与BMS之间的通信，从而实现实时监测电池特性根据电池特性，选择电池最优充电曲线充电，加快充电速度，减少充电等待时间。系统内部需要多种压值的供电电源，因此辅助电源需满足可同时提供多路输出电源，从调整性要求出发，本文辅助电源模块采用以UC38为主控芯片的（Flyback）反激拓扑电路，考虑对驱动电路提供驱动能量及成本、空间要求，此电路工作于CCM模式，同时以DSP28335供电输出回路为反馈控制端，以提高系统稳定性。电池在不同的使用周期，其充电接受功率改变，同时为满足系统升级需求，加入人机交互模块，从而加入人工智能提高系统适应性。

2

2.1

图1

车载充电机硬件电路模块图

车载充电机软件设计

Figure.1

ThehardwarecircuitmodulechartofElectricVehicle’scharger

1．1

功率单元设计解析

功率单元作为充电能量传递通道，主要包含EMI抑制模块、整流模块、PFC校正模块、滤波模块、全桥变换模块、直流输出模块。为防止电网与充电机之间的谐波相互影响，在电网与充电机之间加入由X电容、Y电容、共模电感组成的（Electro-MagneticInterferenceEMI）抑

常用充电控制方法问题分析

作为车载充电器中通用的控制方法，控制电路通常采用固定开关频率，改变脉冲宽度的方法。充电器总是工作在同样开关频率下，所需充电功率的大小靠调节脉冲宽度来实现。所需充电功率小，脉冲较窄，充电电流较小；所需充电功率大，脉冲较宽，充电电流较大[2]。在上述控制方法中，所需充电功率大的情况下，充电效率高，但所需充电功率小的情况下充电功率低。车载充电机的损耗主要有两类功率损耗：导通损耗和开关损耗。导通损耗主要由负载电流大小决定，而开关损耗与开关次数成正比，开关次数越少，开关损耗就越低。在所需充电功率小的情况下，用恒频控制方法，此时开关频率与所需充电功率大的频率相同，所以两种情况下的开关损耗相同,此为固定开关频率控制方法

作者简介：瞿章豪（1987—），男，硕士，从事电力电子器件、电动汽车充放电研究。徐正龙（19—），男，硕士，从事电力电子器件、电动汽车充放电研究。

133

2013年第5期ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ○机械与电子○科技信息

的不足。同时在设计电动汽车车载充电机系统时，为满足输出要求，在控制器处理速度、功率开关管与磁芯材料技术的下按照最大充电功率设计整个充电机系统。恒定频率按照满足最大输出功率设定。但是，车载电池的充电过程中充电功率是不断变化的如图2所示。

变中，系统会出现不稳定，最终导致整个充电系统品质降低，甚至毁坏。同时当出现扰动时，可能引起开关电源的频率剧烈变化，从而引起系统不稳定及EMI问题。2.3变频控制方法改进

电动车充电时，充电机控制模块中预设有多条电池组的最佳充电曲线，根据汽车实际配装的电池组的型号、数量等信息（BatteryManagementSystemBMS）电池管理系统反馈的电池组情况，选择一条合适的充电曲线如图2所示。在此基础上确定起始充电功率P0、最大充电功率P（n＋1）及截止充电功率Pmin。然后根据所选控制器处理速度与充电电池组特性确定一个合适的功率梯度步长ΔP。ΔP确定过程类似二分法原理，首先二分P0到Pmax段，观察整个充电过程是否稳定，然后四分P0到Pmax段，观察整个充电过程是否稳定。直到划分到2段系统出现不稳定，然后在2与2重复使用此方法，最终确定临界稳定点N。根据系统稳定性裕量要求在2～N之间选择一个合适的划分方法来确定ΔP。此方法的控制方式为：当系统为达到最大功率点Pmax之前，在2

n－1

n－1

n

n

图2充电功率变化示意图

Figure.2Chargingpowerchangeschematicdiagram

与2采用恒定频率控制，恒频的值为满足2所对应的输出功率

点Pn计算的频率值，同时检测输出功率，

当输出功率P0大于2所对应的输出功率点Pn时，变频到2

（n＋1）

nn

n

所对应的功率点P（n＋1）

n

计算的频率值；当系统运行超过最大功率点Pmax之后，在2

n－1

与2采用恒定频率控

n－1

制，恒频的值为满足2所对应的输出功率点P（n－1）计算的频率值，同时检测输出功率，当输出功率P0小于2所对应的输出功率点Pn时，变频到2所对应的功率点Pn计算的频率值。此控制方法的要点在与小范围恒频以满足处理器要求，提高系统稳定性；在大范围变频，减少开关次数，以降低系统开关损耗，增大转换效率。同时通当系统出现与预期跳变值相差很大的值是，则可方便的判定为扰动，因此运用此方法，不仅减小损耗，提高系统效率，提高了系统抗干扰能力。上述提到的超前校正变频控制实现流程如图3所示。

n

n

3结论

图3超前校正变频方法实现流程

Figure3.Theprocessoftheleadcorrectionfrequencyconversion

●

根据电动汽车电池充电过程中特有的功率变化规律，基于小范围恒频以满足处理器要求，提高系统稳定性；在大范围变频，减少开关次数，以降低系统开关损耗，增大转换效率理念。提出超前补偿的变频控制技术，频率超前于充电负载变化，为系统预留足够稳定时间，同时根据超前补偿额度，方便判断是否出现扰动，从而防止出现如频率随负载变化的滞后控制策略中出现的扰动引起频率出现大的改变，影响系统稳定性问题。同时在充电功率较小时，硬件配置满足降低开关频率来传输能量的要求。充电机的开关损耗与开关次数成正比，本方法在充电功率小时，开关次数少，开关损耗降低，效率提高，因此本方法最大程度利用了系统已有资源降低损耗提高充电转换效率。科【参考文献】

分析图2可知，其在最大充电功率点的时间只占整个充电时间很小的一部分。在未达到最大充电功率点时，开关频率与最大充电功率点的频率相同，开关损耗与最大充电功率点的损耗也相同，这样大大增加了整个充电过程中充电机的开关损耗。因此采用变频控制技术，在充电接受功率小时，减小开关频率，有利于降低开关损耗，提高系统效率。但是目前常用的变频控制技术[3]是频率随负载变化而变化。电池充电过程中，其接受功率不断变化。运用上述控制技术，开关电源的频率随负载的变化而变化，这种控制方法的特点为频率滞后于负载变化，如果充电系统的频率实时滞后于负载变化，系统频率实时处于跳

［1］鲁莽，周小兵，张维.国内外电动汽车充电设施发展状况研究[J].华中电力，

2010，5(3):30-31．

［2］张卫平.开关变换器的建模与控制[M].北京：中国电力出版社，2005．［3］姚锡禄.变频器控制技术与应用[M].福建：福建科技出版社，2005．

［责任编辑：王迎迎］

134