龍 芬

（咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工學(xué)院，湖北 咸寧 437100）

電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

龍 芬

（咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工學(xué)院，湖北 咸寧 437100）

為有效解決電動(dòng)汽車電池充電速度慢、充電不方便等問題，采用PFC功率因數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)、BMS智能充電算法及CAN總線通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)一種利用家用交流電源對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行精準(zhǔn)充電的車載智能充電系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有效率高、使用靈活、充電環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

電動(dòng)汽車；智能充電系統(tǒng)；PFC；BMS；CAN

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源已成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素，因而新能源開發(fā)已成為當(dāng)今世界的熱門話題，相關(guān)技術(shù)也越來(lái)越受到重視。電動(dòng)汽車作為現(xiàn)階段及今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)全球能源科技發(fā)展的大方向，已引起全社會(huì)的關(guān)注，并帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。作為電動(dòng)汽車最為核心的一個(gè)組成部分，電池科技及其充電技術(shù)成為亟待解決的技術(shù)難題。

電動(dòng)汽車充電裝置總體上可分為非車載充電裝置和車載充電裝置。非車載充電裝置是一種地面充電機(jī)，一般功率較大，充電速度較快，但由于許多城市還沒有地面充電機(jī)，使得電動(dòng)汽車的續(xù)航能力弱、充電不方便。傳統(tǒng)意義上的車載充電裝置只考慮把電充進(jìn)電池，基本沒有考慮對(duì)電網(wǎng)影響的監(jiān)控、電池的電特性及溫度監(jiān)控、用戶對(duì)充電狀態(tài)的把握等[2]，其系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，充電速度慢。為有效解決以上存在的問題，本文設(shè)計(jì)一種利用家用交流電源就可快速完成3.3kW電動(dòng)汽車充電的車載充電系統(tǒng)。

1 總體方案

從使用者的角度出發(fā)，車載充電系統(tǒng)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：安全運(yùn)行，能對(duì)車載充電系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及保護(hù)，保障安全；可靠性強(qiáng)；可實(shí)現(xiàn)快速無(wú)損的充電[3]。由此得出電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)的主要功能有：一是使用220V AC/16A家用電網(wǎng)作為電源，輸出功率可達(dá)3.3kW；二是充電器由電池管理BMS單元通過CAN接口控制；三是連接到充電器輸出端的電池可防止過流和過壓：在過電流情況下，充電器會(huì)將瞬時(shí)電流限制為充電器的最大電流；四是欠壓/過壓保護(hù)監(jiān)視輸入電壓：如果電網(wǎng)電壓在處于欠壓或過壓情況下，則充電將停止，但當(dāng)輸入電壓回到正常范圍且BMS發(fā)送充電命令和參數(shù)時(shí)，將自動(dòng)恢復(fù)；五是充電器監(jiān)測(cè)交流線路電流，限制充電電流，以防止超過16A；六是汽車運(yùn)行時(shí)不允許充電，只有在車輛斷電時(shí)才允許充電操作。電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)

家用交流電源通過濾波器、整流器、PFC功率因數(shù)校正電路，進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換后，對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電，智能充電器的控制部分負(fù)責(zé)與電池管理系統(tǒng)BMS進(jìn)行通訊。整個(gè)充電過程由電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，電池管理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)電池充電情況通過CAN總線對(duì)電動(dòng)汽車智能充電器發(fā)出充電或停充等命令。

2 電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 充電器模塊

220V的家用交流電，經(jīng)過濾波、整流之后，并不能直接對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。由于電動(dòng)汽車充電的過程會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，為限制電動(dòng)汽車充電產(chǎn)生的諧波進(jìn)入電網(wǎng)的總諧波量，采用UCC28070設(shè)計(jì)一種PFC功率因數(shù)校正電路（見圖2）。

電池組整個(gè)充電模式分恒流和恒壓兩個(gè)階段進(jìn)行。充電開始為恒流階段，由于電池的電動(dòng)勢(shì)較低，即使電池的充電電壓不高，電池的充電電流也會(huì)很大，必須對(duì)充電電流加以限制，充電電流保持在限流值內(nèi)[4]。隨著充電的延續(xù)，電池電壓不斷上升，當(dāng)上升到最高充電電壓時(shí)，保持恒壓充電，進(jìn)入恒壓階段。

2.2 電池狀態(tài)采集模塊

電池狀態(tài)信息主要包括電池的電壓、電流、溫度等，對(duì)電池的荷電狀態(tài)（SOC）進(jìn)行估算及對(duì)電池的充電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控都離不開這些信息[5]。采用JLD4U2P2型直流電壓傳感器，實(shí)時(shí)采集電池兩端電壓，其輸出處理電路如圖3所示。采用JLK-7型霍爾電流傳感器進(jìn)行電流測(cè)量，電流傳感器能將采集到的電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成0～5V電壓信號(hào)。溫度的測(cè)量采用DS18B20溫度傳感器，其測(cè)控范圍為-55℃～+125℃。當(dāng)檢測(cè)多個(gè)電池溫度時(shí)，DS18B20能串聯(lián)使用，可同時(shí)完成多點(diǎn)溫度的同時(shí)采集，成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兩個(gè)DS18B20串聯(lián)電路如圖4所示。

圖2 PFC功率因數(shù)校正電路

圖3 電壓傳感器輸出處理電路

2.3 電池管理系統(tǒng)中央控制單元

電池管理系統(tǒng)中央控制單元采用Microchip公司開發(fā)的PIC18F66K80單片機(jī)完成BMS的各項(xiàng)功能。PIC18F66K80單片機(jī)具有超低功耗喚醒模式，自帶11通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器、64KB的片上閃存程序存儲(chǔ)器、1 024字節(jié)的數(shù)據(jù)EEPROM，還具有CAN通訊接口、兩個(gè)增強(qiáng)型的可尋址USART串行接口模塊。通過傳感器將采集到的電池電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)送入PIC18F66K80，經(jīng)過內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換處理后，對(duì)SOC進(jìn)行估算，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖4 兩個(gè)DS18B20串聯(lián)電路

對(duì)SOC進(jìn)行估算主要通過測(cè)量電池的電流及積分。然而，這種方法的缺點(diǎn)是時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致SOC漂移及缺乏參考點(diǎn)，因而SOC必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)[5]。如當(dāng)充電器確定電池已充滿電時(shí)，通過重置SOC為100%。對(duì)實(shí)時(shí)估算而言，通過傳感器獲得實(shí)時(shí)測(cè)量值和初始化的100% SOC，再采用如下公式進(jìn)行估算：

其中，SOC(t)為實(shí)時(shí)充電狀態(tài)，SOCinit為初始充電狀態(tài)，i(t)為實(shí)時(shí)放電狀態(tài)，Cn為電池容量。

BMS發(fā)送命令和接收數(shù)據(jù)均通過CAN總線完成。PIC18F66K80自身帶有CAN控制器，不需要外接獨(dú)立的CAN控制器。選用TJA1040作為外部收發(fā)器，通過CAN收發(fā)器模塊電路（見圖5）完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

圖5 CAN收發(fā)器模塊電路

2.4 系統(tǒng)軟件工作流程

電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)軟件工作流程如圖6所示。

當(dāng)交流電源接入充電器時(shí)，充電器首先進(jìn)行自檢，電源匹配通過，則硬件電路將輸出一個(gè)12V的直流輔助電源。軟件通過邏輯判斷，只有當(dāng)硬件輸出12V的直流電源時(shí)，充電器才會(huì)通過硬件連接喚醒BMS，然后等待BMS的CAN總線信號(hào)，當(dāng)通過CAN總線通訊網(wǎng)絡(luò)確定BMS被喚醒時(shí)，充電器發(fā)送“準(zhǔn)備”信號(hào)給BMS，充電器此時(shí)的狀態(tài)為“準(zhǔn)備”。BMS發(fā)送“使能”信號(hào)給充電器，充電器此時(shí)的狀態(tài)為“使能”，然后等待BMS發(fā)送充電命令和參數(shù)，充電器接收到充電命令和相關(guān)參數(shù)，充電器的內(nèi)部繼電器打開，開始充電。

3 測(cè) 試

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)與算法驗(yàn)證，已應(yīng)用于EVCMC3016充電系統(tǒng)中，通過使用Chroma 63204 E-Load充放電負(fù)載機(jī)進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，得到電子負(fù)載手動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)（見表1）；通過對(duì)鋰電池組進(jìn)行測(cè)試，得到其充電曲線（見圖7）。

測(cè)試結(jié)果表明，電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)的輸入電壓范圍為176V/AC～264V/AC，輸出電壓為250/ DC～390V/DC，最大輸出電流可達(dá)13A，輸出功率達(dá)3.3kW，滿載效率超94%。通過在高低溫實(shí)驗(yàn)室循環(huán)測(cè)試后，充電器在環(huán)境溫度為-40℃～65℃的情況下均可穩(wěn)定工作，且具備根據(jù)BMS要求進(jìn)行充電電壓、電流的控制功能，以及輸入過壓、欠壓，輸出過壓、欠壓，輸入過流、過載、過溫等保護(hù)功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)采用PFC功率因數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)、BMS智能充電算法對(duì)充電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過CAN總線通訊網(wǎng)絡(luò)對(duì)充電過程進(jìn)行控制和管理，精準(zhǔn)控制充電。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車車載充電器中，對(duì)目前許多需要專用充電樁才能完成的充電工作有很好的改善作用。在二次開發(fā)中，可建立遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)控制平臺(tái)，對(duì)充電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的更新自動(dòng)下載，上傳對(duì)電網(wǎng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；用戶也可通過特定的APP或微信等進(jìn)行監(jiān)控和管理充電，隨時(shí)掌握充電狀態(tài)，從而形成一個(gè)智能充電物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

圖6 電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)軟件工作流程

表1 電子負(fù)載手動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7 鋰電池組充電曲線

[1] 夏正鵬，汪興興，倪紅軍，等.電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2012（7）：1052-1054.

[2] 符曉玲，商云龍，崔納新.電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].電力電子技術(shù)，2011（12）：27-30.

[3] 包敏.電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化， 2010（12）：12-14.

[4] 馮勇，王輝，梁驍.純電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2010（9）：54-57.

[5] 韋琳.純電動(dòng)汽車鋰離子電池管理系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，2015.

[責(zé)任編輯：吳志榮]

Design of Electric Vehicle Intelligent Charging System

LONG Fen
(School of Technology, Xianning Vocational Technical College, Xianning, 437100, China)

With slow charging speed and inconvenient charging of the electric vehicle battery, the PFC power factor calibration technology, BMS intelligent charging algorithm and CAN bus technology are applied to the design of electric vehicle intelligent charging system. The test results show that the system has the characteristics of high ef f ciency, fexible usage and strong adaptability of the charging environment.

Electric vehicle; Intelligent charging system; PFC; BMS; CAN

U469.72; TM 910.6

A

1671-4326 (2017) 02-0042-04

DO I: 10.13669/j.cnki.33-1276/z.2017.032

2016-12-28

咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題（2016B012）

龍 芬（1984—），女，湖南祁東人，咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院工學(xué)院講師，碩士.