董燕飛

摘 要： 對鋰電電源直流供電系統(tǒng)進行設(shè)計在提高電動汽車鋰電電源使用量方面具有重要意義?，F(xiàn)有的供電系統(tǒng)主要通過增加穩(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)定的問題。在此提出并設(shè)計了基于供電保護的電動汽車鋰電電源直流供電系統(tǒng)。在分析電動汽車鋰電電源直流供電存在問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計了整體電動汽車鋰電電源直流供電系統(tǒng)模塊，并針對供電系統(tǒng)接口模塊進行了設(shè)計，同時添加了保護模塊，增加供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并給出部分系統(tǒng)軟件設(shè)計部分。實驗結(jié)果表明，采用改進供電系統(tǒng)時，其在電動汽車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。

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

中圖分類號： TN86?34； TM911.3 文獻標識碼： A 文章編號： 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

電動汽車分為混合動力汽車和純電動汽車，其是以電為動力或者以電為動力能源之一的汽車。與傳統(tǒng)汽車相比，電動汽車對環(huán)境的污染小、能量利用率高、不會產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，實現(xiàn)真正意義上的零排放[1]。因此，電動汽車更適合在城市中運行，因電帶油，可達到零排放和低噪音的目的，是處理能源及環(huán)境問題的關(guān)鍵方法。在推廣應(yīng)用中，也對電動汽車的動力提出了更高的性能要求。電動汽車鋰電電源的使用最為常見，其供電系統(tǒng)是電動汽車行駛供應(yīng)能量，是電動汽車的關(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，且有一定的優(yōu)勢，受到廣大學(xué)者及專家的關(guān)注。

傳統(tǒng)的電動汽車鋰電電源直流供電時，其主要采用并列蓄電池組方案，對直流供電系統(tǒng)進行設(shè)計及優(yōu)化，忽略了電池型號及常規(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題。本文提出并設(shè)計了基于供電保護的電動汽車鋰電電源直流供電系統(tǒng)。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計電動汽車鋰電電源直流供電系統(tǒng)時，使用Atmega16L為主控制器，經(jīng)過外圍電路的仿真專用智能芯片作用[3]，實現(xiàn)對鋰電池電源直流供電。系統(tǒng)包括實時采集電池動態(tài)信息，使單體電池實現(xiàn)自動均衡，充放電控制及其異常現(xiàn)象的保護電路等，整體功能圖見圖1。

從圖1中可看出，供電系統(tǒng)關(guān)鍵功能是達到數(shù)據(jù)采集、電池組均衡控制、保護電路、接口模塊設(shè)置等目的[4]，數(shù)據(jù)采集主要是對單體電池電壓、整組電池電壓、電流和系統(tǒng)溫度的收集，并經(jīng)過收集到的數(shù)據(jù)計算剩下的電量；電池組均衡控制主要是針對單體電池產(chǎn)生過壓時，對過壓單體進行自動均衡[5]，預(yù)防單體電池過充；保護電路部分主要是針對電池組產(chǎn)生過充、過放、過流、過溫和突然短路問題時，經(jīng)過中斷MOS管，防止電池的充放電。

1.1 系統(tǒng)接口模塊設(shè)計

電動汽車鋰電電源直流供電系統(tǒng)中心載有大量的設(shè)備，如硬盤、內(nèi)存和存儲器等。這些設(shè)備單元之間的連接需要通過接口單元實現(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)含的多個運行模塊，隨著供電系統(tǒng)運行量的增加，各模塊消耗的功率越來越大，為了減少功率的損耗[7]，所以采用開關(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)主控板保護模塊設(shè)計

保護模塊主要是指當出現(xiàn)鋰電電源出現(xiàn)電壓、電流、溫度和短路等突發(fā)異常時，關(guān)掉充放電實時保護系統(tǒng)安全，其設(shè)計原理如圖4所示。

圖4a）中，虛線框里是選擇的保護電路主控管IRF3205，因其具備175 ℃運行溫度、高信道等級、先進的加工工藝及較低導(dǎo)通阻抗等優(yōu)勢，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景[8]，適合電動汽車鋰電電源直流供電的需要。

從圖4a）可以看出，保護電路的整體原理是：整體保護電路串聯(lián)在鋰電電池組的回路里，經(jīng)過及時監(jiān)測電池組各項指標信息，當出現(xiàn)有異常信息時，經(jīng)過CHG，DSG管制整體充放電回路，確保鋰電電源的運行安全性，延長鋰電電源直流供電系統(tǒng)的使用壽命。

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

2 軟件設(shè)計

電動汽車鋰電電源直流供電系統(tǒng)的軟件設(shè)計過程中，主程序是管理整個系統(tǒng)初始化、檢測、保護、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)運行后首先進行自檢，倘若自檢未合格，那么持續(xù)進行自檢并報錯；加入自檢已通過，供電系統(tǒng)會進行初始化，然后獲取采樣數(shù)據(jù)，使用該保護檢測系統(tǒng)故障。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 實驗參數(shù)設(shè)置

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

3.2 實驗結(jié)果分析

為了驗證改進系統(tǒng)在電動汽車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，以采用傳統(tǒng)供電系統(tǒng)為對比進行實驗分析，結(jié)果如圖6所示。

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

4 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)供電系統(tǒng)一直存在供電穩(wěn)定性差的問題，本文提出并設(shè)計了基于供電保護的電動汽車鋰電電源直流供電系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)供電系統(tǒng)，改進系統(tǒng)對外界干擾防御較好，穩(wěn)定性高，具有一定的優(yōu)勢。

參考文獻

[1] 張輝，李艷東，龍廣，等.一種電動汽車動力鋰電池組狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電源技術(shù)，2017，41（5）：711?713.

ZHANG Hui， LI Yandong， LONG Guang， et al. Design of state monitoring system for electric vehicle power lithium battery [J]. Chinese journal of power sources， 2017， 41（5）： 711?713.

[2] 羅玉濤，劉秀田，梁偉強，等.延長鋰離子電池壽命的電動汽車復(fù)合電源設(shè)計[J].華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，44（3）：51?59.

LUO Yutao， LIU Xiutian， LIANG Weiqiang， et al. Design of hybrid power system for prolonging lifespan of lithium?ion battery applied to electric vehicles [J]. Journal of South China University of Technology （Natural science edition）， 2016， 44（3）： 51?59.

[3] 史麗萍，柳狄，李明浩，等.基于并聯(lián)智能電池組件的分布式直流電源系統(tǒng)[J].電源技術(shù)，2017，41（4）：612?615.

SHI Liping， LIU Di， LI Minghao， et al. Distributed DC power system based on parallel intelligent battery components [J]. Chinese journal of power sources， 2017， 41（4）： 612?615.

[4] 李曉輝，張向文，侯少陽.電動汽車動力電池狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機工程與應(yīng)用，2017，53（21）：233?238.

LI Xiaohui， ZHANG Xiangwen， HOU Shaoyang. Design of remote monitoring system for electric vehicle power battery [J]. Computer engineering and applications， 2017， 53（21）： 233?238.

[5] 呂航，劉承志.電動汽車磷酸鐵鋰電池組均衡電路設(shè)計[J].電源學(xué)報，2016，14（1）：95?101.

L? Hang， LIU Chengzhi. Design on balancing circuits for LiFePO4 battery stacks in electric vehicles [J]. Journal of power supply， 2016， 14（1）： 95?101.

[6] 張輝，李艷東，李建軍，等.電動汽車動力鋰電池組電源管理系統(tǒng)設(shè)計[J].電源技術(shù)，2016，40（7）：1407?1411.

ZHANG Hui， LI Yandong， LI Jianjun， et al. Power management system design of lithium battery for electric vehicle [J]. Chinese journal of power sources， 2016， 40（7）： 1407?1411.

[7] 蔚蘭，岳燕，劉啟中，等.電動汽車蓄電池充放電裝置控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2009，43（9）：69?71.

WEI Lan， YUE Yan， LIU Qizhong， et al. Research on the DC traction power supply of the urban rail transit [J]. Power electronics， 2009， 43（9）： 69?71.

[8] 黃燕，李成勇.電動汽車鉛酸電池無損充電系統(tǒng)設(shè)計[J].電源技術(shù)，2016，40（11）：2177?2179.

HUANG Yan， LI Chengyong. Electric automobile lead?acid battery charge condition design [J]. Chinese journal of power sources， 2016， 40（11）： 2177?2179.

[9] 鄭悅，謝長君，黃亮，等.鋰電池與超級電容混合電動汽車系統(tǒng)在環(huán)綜合測試[J].中國機械工程，2016，27（6）：821?826.

ZHENG Yue， XIE Changjun， HUANG Liang， et al. Powertrain in loop test system of hybrid electric vehicles combined lithium battery and super capacitor [J]. China mechanical engineering， 2016， 27（6）： 821?826.

[10] 程廣明，胡海兵，邢巖.電動汽車鋰電池快速充電特性的研究[J].電力電子技術(shù)，2016，50（6）：88?90.

CHENG Guangming， HU Haibing， XING Yan. Research on fast charging characteristic of lithium?ion battery for electric vehicle [J]. Power electronics， 2016， 50（6）： 88?90.