電動(dòng)汽車(chē)鋰電電源直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董燕飛

摘 要： 對(duì)鋰電電源直流供電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)在提高電動(dòng)汽車(chē)鋰電電源使用量方面具有重要意義。現(xiàn)有的供電系統(tǒng)主要通過(guò)增加穩(wěn)壓控制器，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，卻忽略了各接口連接方式導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題。在此提出并設(shè)計(jì)了基于供電保護(hù)的電動(dòng)汽車(chē)鋰電電源直流供電系統(tǒng)。在分析電動(dòng)汽車(chē)鋰電電源直流供電存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了整體電動(dòng)汽車(chē)鋰電電源直流供電系統(tǒng)模塊，并針對(duì)供電系統(tǒng)接口模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)添加了保護(hù)模塊，增加供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并給出部分系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)供電系統(tǒng)時(shí)，其在電動(dòng)汽車(chē)鋰電電源直流供電方面要優(yōu)于傳統(tǒng)供電系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)汽車(chē)； 鋰電電源； 直流供電； 供電保護(hù)； 接口連接； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN86?34； TM911.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）16?0144?04

Abstract： The design of the lithium battery DC power supply system has important significance in improving the lithium battery usage amount of electric vehicles. The existing power supply system improves its stability mainly by increasing voltage regulators， which ignores the problem of system instability caused by the connection mode of various interfaces. Therefore， a lithium battery DC power supply system based on power supply protection is proposed and designed for electric vehicles. On the basis of analyzing the problems existing in lithium battery DC power supply of electric vehicles， the whole modules of the lithium battery DC power supply system for electric vehicles are designed. Designs are conducted for the interface module of the power supply system. The protection module is added to increase the stability of the power supply system. The software design part of the system is partially given. The experimental results show that in comparison with the traditional power supply system， the improved power supply system is superior in lithium battery DC power supply of electric vehicles， and has a high stability， which has a certain advantages.

Keywords： electric vehicle； lithium battery； DC power supply； power supply protection； interface connection； system design

0 引 言

電動(dòng)汽車(chē)分為混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)，其是以電為動(dòng)力或者以電為動(dòng)力能源之一的汽車(chē)。與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)環(huán)境的污染小、能量利用率高、不會(huì)產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的零排放[1]。因此，電動(dòng)汽車(chē)更適合在城市中運(yùn)行，因電帶油，可達(dá)到零排放和低噪音的目的，是處理能源及環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵方法。在推廣應(yīng)用中，也對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力提出了更高的性能要求。電動(dòng)汽車(chē)鋰電電源的使用最為常見(jiàn)，其供電系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)行駛供應(yīng)能量，是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵基礎(chǔ)系統(tǒng)，供電模式關(guān)鍵有交流供電及直流母線供電兩種模式[2]。其中，直流母線供電模式最為常見(jiàn)，且有一定的優(yōu)勢(shì)，受到廣大學(xué)者及專家的關(guān)注。

傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)鋰電電源直流供電時(shí)，其主要采用并列蓄電池組方案，對(duì)直流供電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化，忽略了電池型號(hào)及常規(guī)鉛酸蓄電池的直流電源壽命周期存在的干擾，存在供電系統(tǒng)供電不穩(wěn)定，損傷鋰電池壽命的問(wèn)題。本文提出并設(shè)計(jì)了基于供電保護(hù)的電動(dòng)汽車(chē)鋰電電源直流供電系統(tǒng)。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)鋰電電源直流供電系統(tǒng)時(shí)，使用Atmega16L為主控制器，經(jīng)過(guò)外圍電路的仿真專用智能芯片作用[3]，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池電源直流供電。系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)采集電池動(dòng)態(tài)信息，使單體電池實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均衡，充放電控制及其異?，F(xiàn)象的保護(hù)電路等，整體功能圖見(jiàn)圖1。

從圖1中可看出，供電系統(tǒng)關(guān)鍵功能是達(dá)到數(shù)據(jù)采集、電池組均衡控制、保護(hù)電路、接口模塊設(shè)置等目的[4]，數(shù)據(jù)采集主要是對(duì)單體電池電壓、整組電池電壓、電流和系統(tǒng)溫度的收集，并經(jīng)過(guò)收集到的數(shù)據(jù)計(jì)算剩下的電量；電池組均衡控制主要是針對(duì)單體電池產(chǎn)生過(guò)壓時(shí)，對(duì)過(guò)壓?jiǎn)误w進(jìn)行自動(dòng)均衡[5]，預(yù)防單體電池過(guò)充；保護(hù)電路部分主要是針對(duì)電池組產(chǎn)生過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、過(guò)溫和突然短路問(wèn)題時(shí)，經(jīng)過(guò)中斷MOS管，防止電池的充放電。

1.1 系統(tǒng)接口模塊設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車(chē)鋰電電源直流供電系統(tǒng)中心載有大量的設(shè)備，如硬盤(pán)、內(nèi)存和存儲(chǔ)器等。這些設(shè)備單元之間的連接需要通過(guò)接口單元實(shí)現(xiàn)，接口單位示意圖如圖2所示。在供電系統(tǒng)中，接口單元將提供負(fù)載所需的電壓，與各模塊直接連接[6]，有利于避免供電系統(tǒng)的高峰值電流與低噪音容限的矛盾，最大限度地減少電壓下降或上升引起的損耗。

供電系統(tǒng)內(nèi)含的多個(gè)運(yùn)行模塊，隨著供電系統(tǒng)運(yùn)行量的增加，各模塊消耗的功率越來(lái)越大，為了減少功率的損耗[7]，所以采用開(kāi)關(guān)電容調(diào)節(jié)器作為接口單元，以此為供電系統(tǒng)接口模塊，將DC?DC輸出電壓轉(zhuǎn)換為供電系統(tǒng)所需電壓，如圖3所示。

1.2 供電系統(tǒng)主控板保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

保護(hù)模塊主要是指當(dāng)出現(xiàn)鋰電電源出現(xiàn)電壓、電流、溫度和短路等突發(fā)異常時(shí)，關(guān)掉充放電實(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)安全，其設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4a）中，虛線框里是選擇的保護(hù)電路主控管IRF3205，因其具備175 ℃運(yùn)行溫度、高信道等級(jí)、先進(jìn)的加工工藝及較低導(dǎo)通阻抗等優(yōu)勢(shì)，且其導(dǎo)通電阻值是[8 mΩ]，電流是[110 A]，較為符合使用在大電流的場(chǎng)景[8]，適合電動(dòng)汽車(chē)鋰電電源直流供電的需要。

從圖4a）可以看出，保護(hù)電路的整體原理是：整體保護(hù)電路串聯(lián)在鋰電電池組的回路里，經(jīng)過(guò)及時(shí)監(jiān)測(cè)電池組各項(xiàng)指標(biāo)信息，當(dāng)出現(xiàn)有異常信息時(shí)，經(jīng)過(guò)CHG，DSG管制整體充放電回路，確保鋰電電源的運(yùn)行安全性，延長(zhǎng)鋰電電源直流供電系統(tǒng)的使用壽命。

圖4b）為真實(shí)電路的連接圖，DSG為放電控制端口，P是充電模塊負(fù)極端，B11為鋰電電池組負(fù)極端，CHG為充電控制的端口[9]，整體保護(hù)電路串聯(lián)在電池組負(fù)極端回路里，充放電MOSFET管使用的是IRF3205，適合鋰電電源直流供電系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)要求。

2 軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車(chē)鋰電電源直流供電系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，主程序是管理整個(gè)系統(tǒng)初始化、檢測(cè)、保護(hù)、常規(guī)事務(wù)管理等的主要軟件[10]。如圖5所示為供電系統(tǒng)的主程序，整體流程不停的反復(fù)，系統(tǒng)運(yùn)行后首先進(jìn)行自檢，倘若自檢未合格，那么持續(xù)進(jìn)行自檢并報(bào)錯(cuò)；加入自檢已通過(guò)，供電系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行初始化，然后獲取采樣數(shù)據(jù)，使用該保護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)故障。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

在實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置過(guò)程中主要以鋰電池參數(shù)和仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為主，如表1、表2所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)鋰電電源直流供電方面的有效性及可行性，以系統(tǒng)穩(wěn)定性為指標(biāo)，以采用傳統(tǒng)供電系統(tǒng)為對(duì)比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果如圖6所示。

由圖可知，采用傳統(tǒng)供電系統(tǒng)時(shí)，其在運(yùn)行時(shí)間到5 s后開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，直到運(yùn)行時(shí)間為10 s，其波動(dòng)有所減緩，但未徹底消失，表明易受到外界干擾出現(xiàn)波動(dòng)，穩(wěn)定性較差；采用并聯(lián)智能電池組件供電系統(tǒng)時(shí)，其在3 s后就出現(xiàn)波動(dòng)，且一直到10 s未出現(xiàn)波動(dòng)趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象，穩(wěn)定性較差；采用改進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，其在運(yùn)行時(shí)間為5 s時(shí)亦出現(xiàn)了波動(dòng)，但較傳統(tǒng)系統(tǒng)波動(dòng)幅度較小，且之后隨即趨于穩(wěn)定，表明對(duì)外界干擾防御較好，穩(wěn)定性高，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)供電系統(tǒng)一直存在供電穩(wěn)定性差的問(wèn)題，本文提出并設(shè)計(jì)了基于供電保護(hù)的電動(dòng)汽車(chē)鋰電電源直流供電系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)供電系統(tǒng)，改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)外界干擾防御較好，穩(wěn)定性高，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

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