基于BMS的电动汽车充电器设计

论文摘要

由于电动汽车在能源、环保等方面的巨大优势,取代传统燃油汽车已经成为必然趋势。动力电池作为电动汽车的关键部件,其性能和使用寿命直接关系到电动汽车的性能。一款高性能的动力电池充电器是保证电池性能、延长电池使用寿命的关键部件。本论文基于电动汽车电池管理系统（Battery Management System, BMS）的特点,设计了电动汽车动力电池充电器系统。该系统有如下优点：因为BMS含有电池组信息,所以充电器无需采集电池组信息,避免了电池组信息采样电路；能根据电池组状态及时调整充电器的输出电压或电流,达到较好的充电效果；在充电过程中,电池出现故障或者充电器出现故障时,可以立即对电池和充电器进行保护,提高了系统的可靠性和安全性；充电器可对不同类型电池进行充电,提升了充电器通用性。在此基础上,以铅酸动力电池为例,优化了传统动力电池的三段充电方式,并给出各个阶段的判断条件以及各个阶段充电过程实现。本文根据充电器设计指标和BMS系统的充电控制要求,完成了充电器设计。主要分为主电路设计和控制系统设计。电动汽车动力电池充电器主电路设计部分包括PFC电路设计和DC-DC电路设计。在PFC电路设计时,对电路拓扑和控制方法进行分析比较,选择了平均电流控制Boost型PFC电路,设计了主电路和控制电路参数,并对PFC控制电路参数进行优化设计。DC-DC电路设计主要从拓扑选择、电路参数选取、控制电路设计三个方面进行设计,重点介绍反馈补偿电路的设计过程；考虑功率开关管导通电阻、变压器损耗等实际因素,推导出DC-DC全桥变换器的小信号模型,并在频域分析的基础上设计电压补偿网路、电流补偿网络。最后,分别利用SIMPLIS和SABER仿真软件对所设计的PFC和DC-DC变换器进行了仿真验证。电动汽车动力电池充电器控制系统设计主要有采样电路设计、保护电路设计、MCU电路设计等,其中采样电路主要设计了输出电压电流采样电路、输入电压采样电路和温度采样电路,保护电路包括输入过欠压、输出过压、过流保护电路。该充电器控制系统具有功能齐全,安全可靠,成本较低等优点。本文在电动汽车动力电池充电器原理设计的基础上,完成了实验样机的制作,进行了实验研究,测试了充电器各主要模块的性能及整机性能,并对72V和60V铅酸电池组进行充电实验。实验结果表明,所设计的充电器能够满足设计指标要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 充电电源发展现状
• 1.3 常用动力电池及其充电方法
• 1.3.1 常用动力电池
• 1.3.2 铅酸蓄电池充电方法
• 1.3.3 镍氢电池充电方法
• 1.3.4 锂电池充电方法
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 基于电池管理系统（BMS）充电控制方法
• 2.1 电动汽车电池管理系统简介
• 2.2 基于BMS的充电控制方法
• 2.2.1 电池充电方法
• 2.2.2 基于BMS的充电控制策略实现
• 2.3 CAN通信
• 2.4 本章小结
• 第3章 充电器主回路设计
• 3.1 充电器总体方案设计
• 3.2 PFC电路设计
• 3.2.1 方案选择
• 3.2.2 主电路参数设计
• 3.2.3 控制电路参数设计
• 3.2.4 PFC控制电路优化设计
• 3.2.5 仿真验证
• 3.3 DC-DC主变换器设计
• 3.3.1 拓扑选择
• 3.3.2 主电路参数设计
• 3.3.3 PWM控制电路设计
• 3.3.4 反馈补偿设计
• 3.3.5 仿真验证
• 3.4 辅助源设计
• 3.4.1 拓扑选择
• 3.4.2 电路参数设计
• 3.4.3 仿真验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 充电器控制系统设计
• 4.1 采样电路设计
• 4.2 保护电路设计
• 4.3 MCU电路设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验分析
• 5.1 实验装置
• 5.2 各模块实验波形与数据
• 5.3 整机实验波形与数据
• 5.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文