电动汽车充电系统设计方案与实现.docx
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电动汽车充电系统设计方案与实现
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题目：
电动汽车车载光伏充电系统设计与实现
1.摘要<中英文）
针对电动汽车动力电池组长期不能完全充满而影响其使用寿命，设计了一种光伏电池车载充电装置，能够对动力电池组长时间小电流涓流充电以改善其充电状态，同时部分补
充电池组能量，延长电动汽车续航里程与使用寿命。
采用TMS320F2808DSP芯片作为控制核心、以BOOST升压变换器作为主电路的硬件设计方案，完成了主要元器件的选型和
参数整定，对设计参数进行了仿真验证和优化，并研制了样机。
制定了高性能算法与控制策略，既能完成光伏电池最大输出功率的跟踪，又能提高电池的充电效率，并基于
MATLAB平台完成了DSP嵌入式应用程序设计，生成代码。
配备了车载监控系统，实现
良好的人机交互功能。
实验结果表明：
该装置性能稳定，光伏电池最大输出功率跟踪速度快，稳态误差小，效率高，并具有防止电池组过充电保护，人性化的人机交互平台，有很强的实用性。
ABSTRACT：
Directingtowardsthephenomenonofthebatterypackofelectricvehiclescan
notbechargedcompletelyforlongtime,wedesignedakindofon-boardphotovoltaiccell
chargingdevice,itcantricklechargetoimprovethestateofchargeofthebatterypack,andatthesametimepartofthesupplementalbatterypackenergytoextendthemileageofelectricvehicle.ThispaperusesDSPTMS320F2808chipascontrollercoreandBoostconverterasthehardwaredesignschemeofthemaincircuit,alsocompletesthemaincomponentsoftheselectionandparametertuningonthedesignparameterssimulationandoptimization,andthedevelopment
ofaprototype.Developingahigh-performancealgorithmsandcontrolstrategies,itcannotonly
realizethemaximumoutputpowerpointtrackingofphotovoltaiccellsbutalsocouldimprovebatterychargingefficiency.Testresultsindicatethatthedeviceperformancewasstable,andhasgoodpracticality.Itcantrackthemaximumoutputpowerofphotovoltaiccellwitherrorlessthan2%,thetransformationefficiencyreached85%,thefluctuationrangeofoutputvoltageandcurrentwaslessthan5%.Thedevicecandetectbatterygroup′svoltageandchargecurrenttopreventbatteryoverchargeandhasover-currentprotection.
2.引言
随着社会的飞速发展，汽车在整个社会进步和经济发展中扮演着非常重要的角色，而汽车尾气的排放却已成为大气主要污染源，同时也由于世界石油资源的日趋紧张，都迫使当今社会向无污染和节能的方向发展，在此背景下，环保节能的电动汽车正成为其重要的解决手段和研究课题。
电动汽车具有无排放污染、噪声低、易于操纵、维修以及运行成本低等优点，并在环保和节能上具有不可比拟的优势，它是解决当今社会巨大能源消耗和环
境压力的有效途径，因此，电动汽车是21世纪汽车的发展方向。
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目前制约电动汽车发展的一大瓶颈便是与电池相关的问题：
快速充电很难将电池充满，一次性充电续驶里程短，受到循环寿命的限制等。
采用光伏电池对电动汽车动力电池补给充电，可长时间对电动汽车动力电池小电流充电，延长一次性充电的续驶里程和维护动力电池，延长其使用寿命，可见光伏电池充电装置发挥着重要的作用。
而且太阳能作为
一种“取之不尽、用之不竭”既节能又环保的新能源，必将成为21世纪人类可持续发展的必然追求。
为此，国家在“十一五”规划中提出了“节能、降耗、大力发展太阳能等清洁
能源”的战略性目标。
高效、低风险地进行产品设计及科学研究是每个科技工作者的愿望。
近年来
DSP的性
能飞速提高,应用范围不断扩大。
同时
激烈的市场竞争要求更低的产品开发成本。
急剧变化
的产品需求,多样、复杂的新产品结构及功能
使产品研发难度激增。
相应地
硬件平台的更
新换代较以往更快,产品的生命周期越来越短
对嵌入式DSP软件可移植性提出了更高的要
求。
总之,巨大的市场风险要求产品的方案设计、系统实现以及测试等工作并行运作
给传统
的DSP系统设计方案带来严重挑战。
在
MATLAB
软件平台上开发嵌入式
DSP应用程序可
以解决传统设计方案面临的困难。
MathWorks
公司推出的
MATLAB
软件,主要包含
MATLAB和Simulink两大部分,其中有多个工具箱
（Toolbox>和模块集（Blocksets>广泛应用
于技术计算、控制系统设计、信号处理和通信、图像处理、测试和测量等领域。
从概念到
实现,从理论科学研究到产品研发,MATLAB
的应用不仅极大地提高了工作效率
也给传统的
工作方式带来了变革。
结合MATLAB
软件中的嵌入式MATLAB（EmbeddedMATLAB>
、
Simulink、RTW（RTWEmbeddedCoder>、EmbeddedIDELink
和TargetSupportPackage以及
开发DSP应用程序的集成开发环境（如用于TI的CodeComposerStudio集成开发环境>构建
的DSP软件系统综合开发平台,采用基于模型的嵌入式应用软件设计理念,包括算法设计及
仿真、代码及工程生成、代码验证以及在线调试等在内的系统研发任务可以一气呵成,极其
便于DSP嵌入式软件开发。
3.系统方案
3.1系统总体结构
电动汽车光伏车载充电总成系统主要涉及以下几部分：
动力电池组、光伏电池、光伏
电池充电装置、车载仪表<车载操作系统）、CAN总线、USB-CAN适配器、电池管理系统。
系统框图如图1所示：
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图1电动汽车光伏车载充电总成系统
动力电池组由16节磷酸铁锂电池串联而成，其标称电压为3.2V，充电截止电压为
3.65V，放电截止电压为2.8V<电机控制器的欠压保护动作值），光伏电池充电装置的输出
电压范围为44.8V到58.4V之间。
单节电池分别配备了单节电池管理系统，能够监测电池
的电压、温度、荷电状态并通过CAN总线实现数据共享。
光伏电池模块：
根据车顶尺寸选用GSM75规格的两块光伏电池，其在1000W/m2强度
的太阳光照下：
开路电压为20.5V，短路电流为5.0A，额定功率为75W，额定工作电压为
16.5V，额定工作电流为4.5A。
将两块光伏电池串联使用，用升压直流变换器将光伏电池
输入的能量泵升到电池组电压。
由于在光伏电池额定工作时所需的升压比为1.8，在光照较
弱时升压比也不会超过3，故选择BOOST升压直流变换器作为主电路，其结构简单，转换
效率高
上网本，由于不支持CAN总线，所以使用了一个USB-CAN总线适配器。
上位机软件：
光伏充电监控系统。
该系统是基于LABVIEW平台开发的。
3.2磷酸铁锂动力电池组充电控制策略
探讨光伏系统中电池组的充电方法，根据电池容量的多少及电池端电压的大小，使充
电过程按照最大功率充电、恒压充电和浮充电三个阶段进行。
该充电控制策略综合了恒流充电快速、及时补偿磷酸铁锂动力电池电量、恒压充电能够控制过充电以及在浮充状态保
持电池100%电量的优点。
当单体电池电压最高值小于3.65V时<充电截止电压为3.65V），采用最大功率跟踪算
法对磷酸铁锂动力电池组充电。
当检测到最高单节电池电压达到3.65V之后，采用非最大
功率跟踪算法为避免系统在这两个模式下不断切换，导至系统震
荡，截止电压设置了一个迟滞环节。
充电控制策略流程图如图2所示。
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入口
测蓄电池两端电压
最高单节电池
Y
电压>=3.65V？
PI算法（恒压）
N
MPPT算法
返回
图2
充电控制策略流程图
CANH
120
CAN通信
120
CANL
CAN收发器
CAN收发器
CAN收发器
单节电池
单节电池
监控单元
管理系统
管理系统
主控制板
电池1
电池16
串口通信
上位机
CAN收发器
光伏电池
充电装置
图3CAN通讯系统
本流程中，对测量信号采样时，采用数字滤波，保证采样的准确性。
把中值滤波和平均值滤波结合起来，构成防脉冲干扰的平均值滤波，对缓变过程的脉冲干扰有良好的复合
滤波效果。
将充电电流信号的连续m（m>3>采样值进行排序，取其中位n个值的平均值作为t=kT时的滤波输出。
单节电池电压通过CAN通迅网络获取，每节电池中装有一个电池信息检测系统，将
检测到的电池电压等信息通过CAN总线发送到总控制器单元。
光伏电池充电装置通过
CAN总线向总控制器发送单节电池电压数据请求，再通过CAN总线接收单节电池电压，
CAN通讯系统如图3所示。
4.系统硬件设计
本系统设计并制作一个光伏电池充电装置，输出电压范围为40V-60V；能够跟踪光伏
电池最大输出功率，误差小于5%；变换器效率达到85%；能够输出稳定的电压和电流，
波动幅度小于5%；能够检测电池组的充电电压和电流，误差小于5%；具有防止电池组过
充电功能和过流保护。
系统工作原理图如图4所示。
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图4电动汽车用光伏车载充电工作原理图
硬件设计主要展开了以下研究：
1）变换器主电
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