一種小型車載充電機的研究

宋武強

（河南林業職業學院汽車與機電工程系，河南 洛陽 471000）

發展新能源汽車是解決能源危機和環境污染，推動我國汽車產業轉型升級，實現我國汽車產業由大到強，跨越式發展的重要途徑。電動汽車以其環保優越與節能特性，成為各國研究與開發的熱點。那么電動汽車充電設備的研究即隨之不可或缺，電動汽車充電設備總體上可以分為非車載充電機和車載充電機。非車載充電機固定安裝，對多種電池進行充電，功率、體積較大[1]；車載充電機則是安裝在電動汽車上，采用交流電或車載電源對蓄電池組進行充電的裝置。由于車載充電機結構簡單、控制方便，且具有較強的針對性。因此，本文旨在設計一款小型化、輕量化、智能化且效率高、可靠性高的車載充電機。

根據項目要求，該車載充電機主要的設計指標：額定輸入電壓及頻率為AC85V～AC265V，45～65HZ；功率因數≥0.9；滿載效率≥80%；機械沖擊及抗震等級應符合SAEJ1378要求；防護等級為IP46；工作溫度及存儲溫度分別為-40℃～+55℃，-40℃～+100℃；通過 CAN 總線控制或通過使能線控制。

1 車載充電機整體設計方案

本文所研究的智能充電機是基于開關電源充電裝置工作原理基礎上進行設計的[2-3]。車載充電機結構框圖如圖 1所示。

車載充電系統主要包括車載充電機和蓄電池兩部分。本系統中，從機以基本相同的模式進行充電，但是從機受控于主機。圖中的虛線表示地的隔離。整體上看共有兩個接地，即變壓器原邊的220V地和變壓器副邊的電池負載地。兩側的信號傳輸通過光耦進行隔離傳輸。對地的隔離設計有效的保證了充電過程中的人身安全。

圖1 車載充電機結構框圖

前級到后級的工作過程如下：

1）220V交流電硬件邏輯電路判斷電網電壓正常后閉合繼電器。

2）接入的220V交流電經整流橋及濾波電容整流濾波后，然后母線電壓采樣值與設定值進行比較調節以后，再通過電壓脈寬調制芯片TL494驅動MOS開關管配合儲能電感、儲能二極管實現母線電壓的閉環升壓。

3）升壓后的母線電壓送往占空比可調節的逆變橋。逆變橋占空比調節的具體過程如下：負載電流采樣值與單片機設定的電流值比較后經過PI環節，再經過線性光耦隔離后送往電流脈寬調制芯片UC3846，UC3846輸出的信號經調理放大后驅動逆變橋，從而實現硬件PID恒流調節。單片機設定的電流值與負載所需要的恒流、恒壓、溫度及外部調節旋鈕相關。

4）逆變橋輸出的交流電經變壓器隔離變壓后，再整流濾波后送往電池負載進行恒流、恒壓等工況的充電。

2 車載充電機硬件電部分

車載充電機系統硬件電路設計主要包括充電機功率單元、主控單元、通信單元及BMS硬件設計等。

2.1 充電機功率單元硬件設計

開關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有著至關重要的影響[4]。在本系統中，采用前級有源功率因數校正，后級采用全橋變換電路拓撲結構，滿足開關電源低諧波、高功率因數的要求。充電功能模塊由AC/DC變換器與DC/DC變換器共同組成。在開關電源硬件電路的各種變換拓撲中，半橋變換以其輸出功率大、結構簡單、開關器件少、實現同等功率變化的成本較低且抗磁通不平衡能力強等優點[5]，因此，本設計采用半橋拓撲變換，由單相交流220V供電，經EMI抑制模塊，通過橋式整流電路后，為提高轉換效率及降低諧波影響在整流后加入基于Boost型拓撲的主動式功率因數校正器，整形輸入的電流，使電流和電壓同相，同時輸出穩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，使直流電壓逆變為交流方波，再通過高頻變壓器進行隔離升壓，最后由整流濾波回路將交流流電壓轉化成蓄電池組充電可以接受的高精度直流電壓，通過電壓傳感器、電流傳感器對輸出的充電電壓、電流等信號進行采樣反饋，并通過PID實現恒壓限流和恒流限壓的二段式充電方式。

2.2 充電機主控單元硬件設計

本系統主控MCU芯片采用STM32FI03RC作為核心控制器，工作頻率可達到72MHZ，內置CAN2.0B接口，可在-40℃～+105℃的溫度范圍內工作，且可通過軟件設置一系列省電模式滿足低功耗的應用要求，以保證汽車工業的要求[6]。

STM32FI03RC外接兩個晶振電路，一個電路為芯片提供穩定的時鐘頻率，另一個為備用晶振源。其調試接口為JTAG，在電路中設計指示燈電路，用來顯示充電過程中的各個狀態以及出現的錯誤和報警功能。

2.3 通信單元硬件設計

本充電機系統中通信主要集中在主控與 BMS之間的CAN總線通信。只需簡單擴展 STM32FI03RC芯片內置的CAN2.0B，就可實現與BMS通信。CAN模塊擴展電路的設計中采用3.3V系列的CAN收發器。為增強CAN通訊的可靠性，總線兩端并接120歐姆的終端匹配電阻，可有效減小電磁干擾。采用單通道高速光耦合器6N137進行信號隔離，其內部有一850nm波長AlGaAs LED和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成，具有溫度、電流和電壓補償功能，輸出輸出隔離顯著。通信硬件電路如圖2所示。

圖2 通信單元硬件電路

2.4 BMS硬件設計

BMS電池管理系統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得到電池數據，充電系統才能夠可靠工作，進而達到提高電池的利用率，防止電池出現過充電和過放電，延長電池的使用壽命的目的。

BMS電池管理系統以單片機為核心結合外圍電路實現對蓄電池電源的管理、保護與控制。其工作原理為：通過電壓采集電路采集各個單體電池電壓、

蓄電池組總電壓等，經差分放大，模擬開關，由單片機的內置模數轉換器進行A/D轉換，同時對溫度以及流過蓄電池的電流進行采集且傳送至內置模數轉換器進行A/D轉換，然后由微控制器對采集的各種參數進行綜合分析處理，當檢測溫度異常時能夠通過溫度管理電路進行溫度調節，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行均衡控制。同時測量數據能夠通過液晶顯示器實時顯示，對蓄電池組及單體電池出現異常狀況時能夠及時發出聲光報警，同時可通過通信接口單元實現異常數據的上傳功能。

3 結論

該車載充電機系統采用隔離開關以提高其充電的可靠性和效率，采用前級有源功率因數校正，后級采用全橋變換電路拓撲結構，滿足開關電源低諧波、高功率因數的要求。為提高A/D轉換效率及降低諧波影響，在整流后加入基于Boost型拓撲的主動式功率因數校正器，輸出穩定的直流電壓作為全橋逆變電路的輸入，最后由整流濾波回路將交流流電壓轉化成蓄電池組充電可以接受的高精度直流電壓，并通過 PID整定，及CAN總線通信實現智能化充電管理。

該車載充電機增強了汽車充電設備的通用性和靈活性，有效的減少了地面充電設備成本。