新能源汽車充電系統能量均衡與穩定性研究

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：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 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系統設計

作為電動汽車的核心部件，動力電池的性能與壽命直接決定了整車的續航能力與可靠性。然而，電池管理系統（Battery Management System，BMS）中充電控制電路的復雜性與成本問題，始終是制約其大規模應用的技術瓶頸之一。本研究提出一種基于純硬件電路的分布式控制方案，通過分壓電路生成多級基準電壓，結合比較器與RS觸發器實現動態閾值調節與狀態切換。該方案摒棄了對傳統微控制單元（MicrocontrollerUnit，MCU）依賴，以簡化電路結構為核心目標，同時通過冗余設計與抗干擾優化提升系統可靠性。研究的意義在于： ① 降低充電樁制造成本，助力基礎設施普及； ② 通過多級電壓檢測與動態控制策略提升充電安全性； ③ 適配多樣化電池模塊需求，增強通用性。

1.1 整體架構

系統由分壓電路、比較電路、RS觸發器及開關電路四部分組成。整流橋輸出經分壓電路生成5.54V、5.25V、5.15V三級基準信號，分別輸入至3個比較器的反相端；電池電壓信號接入比較器同相端。比較結果經RS觸發器鎖存后驅動開關電路，控制充電電流模式。

1.2核心模塊設計

1.2.1 分壓電路

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

1）拓撲結構。由精密電阻R107、R108、R109、R110串聯構成分壓網絡。

2）分壓節點。節點A（R107-R108）輸出 5.54V 用于過壓保護閾值（對應第一比較器U2a）。節點B（R108-R109）輸出5.25V，用于大電流切換閥值（對應第二比較器U2b）。節點C（R109-R110）輸出5.15V，用于涓流充電閾值（對應第三比較器U2c）。

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

1.2.2 比較電路

1）功能。實時檢測電池電壓與基準信號的差異，輸出高低電平觸發邏輯控制模塊。

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

1.2.3 RS觸發器

1）功能。鎖存比較器的輸出狀態，確保充電模式切換的確定性，避免誤動作。

2）核心元件。采用施密特觸發器（74HC14，U3a＼～U3d）構建雙穩態RS觸發器，滯回電壓典型值0.5V。

1.2.4 開關電路

采用NPN三極管Q101與場效應管VT101構建兩級開關。Q101控制小電流通路（0.5A），VT101控制大電流通路（1.8A），兩者協同工作實現多模式充電。

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，基極通過電阻R111（ 1kΩ ）接U3a輸出端（ Pin3 ）。集電極經電阻R102（ 10Ω ）接電源輸出端（ +18V ）。發射極接電池正極，導通時提供 0.5A 電流

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

3）涓流模式。僅Q101導通（0.5A）。

4）小電流模式。Q101持續導通，VT101間歇導通（總電流1.0A）。

5）大電流模式。VT101完全導通（疊加電流2.8A）。

2 試驗與驗證

2.1 試驗方案

為驗證電路功能，搭建仿真模型，模擬電池電壓從4.8V（深度放電）升至 5.5V （過壓）的充電過程。試驗參數如下：輸入電壓，30VDC；電池等效模型，串聯RC電路 ^′R=0.1Ω，C=5000mF） ；負載特性，模擬電動汽車電池模塊的典型充放電曲線。

2.2 試驗結果

1）電壓檢測精度。分壓電路輸出的三級基準信號分別為 5.54V 、5.25V、5.15V，實測誤差為 ±0.08V （±1.5%） ，滿足設計要求。

2）模式切換響應。當電池電壓達到閥值時，模式切換延遲小于 10ms 。例如，電壓升至5.15V時，Q101在 9.2ms 內導通，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% ，主要損耗來自分壓電阻（約 3% ）與三極管導通壓降（約5% ）。

4）過壓保護測試。當電池電壓達到5.45V時，VT101在 5ms 內截止，充電電流降至 0.5A ，有效避免過充風險。

3結束語

本文設計并驗證了一種基于分壓比較與RS觸發器的電動汽車充電控制電路，通過硬件邏輯替代傳統MCU方案，成功解決了現有充電系統復雜度高、成本昂貴的問題。研究結果表明，該電路能夠精準檢測電池電壓，動態切換涓流、小電流及大電流充電模式，并在過壓條件下實現快速保護，充電效率達 92% ，性能指標滿足實際應用需求。其創新點在于利用分壓網絡生成多級基準信號，結合施密特觸發器的滯回特性與RS觸發器的雙穩態鎖存機制，構建了高可靠性的無軟件控制架構，顯著降低了硬件成本與開發難度。

參考文獻

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（編輯楊凱麟）