一种小型车载充电机的研究

宋武强

（河南林业职业学院汽车与机电工程系，河南 洛阳 471000）

发展新能源汽车是解决能源危机和环境污染，推动我国汽车产业转型升级，实现我国汽车产业由大到强，跨越式发展的重要途径。电动汽车以其环保优越与节能特性，成为各国研究与开发的热点。那么电动汽车充电设备的研究即随之不可或缺，电动汽车充电设备总体上可以分为非车载充电机和车载充电机。非车载充电机固定安装，对多种电池进行充电，功率、体积较大[1]；车载充电机则是安装在电动汽车上，采用交流电或车载电源对蓄电池组进行充电的装置。由于车载充电机结构简单、控制方便，且具有较强的针对性。因此，本文旨在设计一款小型化、轻量化、智能化且效率高、可靠性高的车载充电机。

根据项目要求，该车载充电机主要的设计指标：额定输入电压及频率为AC85V～AC265V，45～65HZ；功率因数≥0.9；满载效率≥80%；机械冲击及抗震等级应符合SAEJ1378要求；防护等级为IP46；工作温度及存储温度分别为-40℃～+55℃，-40℃～+100℃；通过 CAN 总线控制或通过使能线控制。

1 车载充电机整体设计方案

本文所研究的智能充电机是基于开关电源充电装置工作原理基础上进行设计的[2-3]。车载充电机结构框图如图 1所示。

车载充电系统主要包括车载充电机和蓄电池两部分。本系统中，从机以基本相同的模式进行充电，但是从机受控于主机。图中的虚线表示地的隔离。整体上看共有两个接地，即变压器原边的220V地和变压器副边的电池负载地。两侧的信号传输通过光耦进行隔离传输。对地的隔离设计有效的保证了充电过程中的人身安全。

图1 车载充电机结构框图

前级到后级的工作过程如下：

1）220V交流电硬件逻辑电路判断电网电压正常后闭合继电器。

2）接入的220V交流电经整流桥及滤波电容整流滤波后，然后母线电压采样值与设定值进行比较调节以后，再通过电压脉宽调制芯片TL494驱动MOS开关管配合储能电感、储能二极管实现母线电压的闭环升压。

3）升压后的母线电压送往占空比可调节的逆变桥。逆变桥占空比调节的具体过程如下：负载电流采样值与单片机设定的电流值比较后经过PI环节，再经过线性光耦隔离后送往电流脉宽调制芯片UC3846，UC3846输出的信号经调理放大后驱动逆变桥，从而实现硬件PID恒流调节。单片机设定的电流值与负载所需要的恒流、恒压、温度及外部调节旋钮相关。

4）逆变桥输出的交流电经变压器隔离变压后，再整流滤波后送往电池负载进行恒流、恒压等工况的充电。

2 车载充电机硬件电部分

车载充电机系统硬件电路设计主要包括充电机功率单元、主控单元、通信单元及BMS硬件设计等。

2.1 充电机功率单元硬件设计

开关电源部分是能量传递的核心单元，其可靠性和效率高低对车载充电机有着至关重要的影响[4]。在本系统中，采用前级有源功率因数校正，后级采用全桥变换电路拓扑结构，满足开关电源低谐波、高功率因数的要求。充电功能模块由AC/DC变换器与DC/DC变换器共同组成。在开关电源硬件电路的各种变换拓扑中，半桥变换以其输出功率大、结构简单、开关器件少、实现同等功率变化的成本较低且抗磁通不平衡能力强等优点[5]，因此，本设计采用半桥拓扑变换，由单相交流220V供电，经EMI抑制模块，通过桥式整流电路后，为提高转换效率及降低谐波影响在整流后加入基于Boost型拓扑的主动式功率因数校正器，整形输入的电流，使电流和电压同相，同时输出稳定的直流电压作为全桥逆变电路的输入，主控MCU输出的PWM信号控制MOS管的通断，使直流电压逆变为交流方波，再通过高频变压器进行隔离升压，最后由整流滤波回路将交流流电压转化成蓄电池组充电可以接受的高精度直流电压，通过电压传感器、电流传感器对输出的充电电压、电流等信号进行采样反馈，并通过PID实现恒压限流和恒流限压的二段式充电方式。

2.2 充电机主控单元硬件设计

本系统主控MCU芯片采用STM32FI03RC作为核心控制器，工作频率可达到72MHZ，内置CAN2.0B接口，可在-40℃～+105℃的温度范围内工作，且可通过软件设置一系列省电模式满足低功耗的应用要求，以保证汽车工业的要求[6]。

STM32FI03RC外接两个晶振电路，一个电路为芯片提供稳定的时钟频率，另一个为备用晶振源。其调试接口为JTAG，在电路中设计指示灯电路，用来显示充电过程中的各个状态以及出现的错误和报警功能。

2.3 通信单元硬件设计

本充电机系统中通信主要集中在主控与 BMS之间的CAN总线通信。只需简单扩展 STM32FI03RC芯片内置的CAN2.0B，就可实现与BMS通信。CAN模块扩展电路的设计中采用3.3V系列的CAN收发器。为增强CAN通讯的可靠性，总线两端并接120欧姆的终端匹配电阻，可有效减小电磁干扰。采用单通道高速光耦合器6N137进行信号隔离，其内部有一850nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成，具有温度、电流和电压补偿功能，输出输出隔离显著。通信硬件电路如图2所示。

图2 通信单元硬件电路

2.4 BMS硬件设计

BMS电池管理系统检测电池的电压和温度，对电池组的安全使用起着重要作用。只有通过 BMS得到电池数据，充电系统才能够可靠工作，进而达到提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命的目的。

BMS电池管理系统以单片机为核心结合外围电路实现对蓄电池电源的管理、保护与控制。其工作原理为：通过电压采集电路采集各个单体电池电压、

蓄电池组总电压等，经差分放大，模拟开关，由单片机的内置模数转换器进行A/D转换，同时对温度以及流过蓄电池的电流进行采集且传送至内置模数转换器进行A/D转换，然后由微控制器对采集的各种参数进行综合分析处理，当检测温度异常时能够通过温度管理电路进行温度调节，若测量的相邻单体电池电压压差超过 1%，则通过电池均衡管理电路进行均衡控制。同时测量数据能够通过液晶显示器实时显示，对蓄电池组及单体电池出现异常状况时能够及时发出声光报警，同时可通过通信接口单元实现异常数据的上传功能。

3 结论

该车载充电机系统采用隔离开关以提高其充电的可靠性和效率，采用前级有源功率因数校正，后级采用全桥变换电路拓扑结构，满足开关电源低谐波、高功率因数的要求。为提高A/D转换效率及降低谐波影响，在整流后加入基于Boost型拓扑的主动式功率因数校正器，输出稳定的直流电压作为全桥逆变电路的输入，最后由整流滤波回路将交流流电压转化成蓄电池组充电可以接受的高精度直流电压，并通过 PID整定，及CAN总线通信实现智能化充电管理。

该车载充电机增强了汽车充电设备的通用性和灵活性，有效的减少了地面充电设备成本。