电动汽车动力电池节能检测系统的硬件设计

张剑锋 叶文杰 胡正群 刘蒙 梁昊 朱小杰

(1.湖北出入境检验检疫局 湖北武汉 430050;2.武汉蓝电电子有限公司)

1 前言

在国家新能源产业政策的带动下，电动汽车的发展迎来巨大机遇。电动汽车的功率一般都要求在数十千瓦，因此必须有大功率的电池作为其动力，这样电池能否满足要求就成为电动汽车发展的一个技术关键。电池能否满足要求需要通过检测，为此，必须要有满足要求的电池检测系统。目前，国内在大功率电池检测系统的设计上多采用硬开关技术，放电时直接将电池能量以热的形式消耗掉，造成能源的巨大浪费，不符合节能减排的要求。本文介绍了一种电动汽车动力电池节能检测系统的硬件设计，采用有源功率因数校正的方法，提高功率因数。在电池放电检测过程中，逆变电路可以将直流逆变成交流电反馈到电网，实现电能的回馈，可为电池检测机构节省大量的能源。

2 硬件设计

2.1 系统总体设计

系统包括模块化功率因素校正电路、模块化开关状态充电电路、模块化DC－DC放电电路、模块化DC－AC放电反馈电网电路、温度辅助测量模块以及充放电安全保护模块等。本系统设计的硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

交流电网电压经功率因素校正模块转换为相对比较稳定的电压，再由恒流恒压充电电路对电池进行充电。电池充满电后由继电器切换至放电回路，放电回路先将电池电压经由DC－DC电路转换为一个相对稳定的高压直流电压(350V)，再经DC－AC电路将电能反馈回电网［1］。这个过程中，温度检测模块检测每个单体电池的温度，检测数据上传给PC机，由PC机根据用户设定进行相应的控制，比如任何一个单体电池温度超过60℃则强行中断充放电过程。充放电安全保护模块则用于在充放电过程中检测充放电的电流和电压，如果超出设定的保护值也将强行中断检测过程。

2.2 功率因素校正和逆变电路

对于大功率交流整流电路，国家规定必须进行功率因素校正。采用传统的无源功率因数校正方式，其功率因数只能达到0.7－0.8左右。因此，本系统采用有源功率因数校正(如图2所示)，即采用电感电流连续导通控制模式(CCM)的功率因数校正方式［2］。它是一种典型的CCM双环控制，外环为电压环，内环是电流环。先获得采样输出电压Vd与比例系数Kd的乘积，其乘积与给定电压值Vref相比较，其产生的误差信号再与采样电流一起输入到乘法器得到给定电流信号，通过电流调节得到S开关的控制信号。采用此种方式校正后，其效率可达0.99。

电池充电时，电网向电池输入能量;电池放电时，本电路可以实现直流逆变成三相交流电反馈到电网，使系统流入电网的电流接近正弦波，最终实现了单位功率因数和能量的“绿色回馈”。

图2 电感电流连续导通控制模式功率因数校正

2.3 充放电电路

采用前述的整流电路后，输出350V的直流电压到直流母带上，系统充电时需要将350V的直流经过DC－DC变换后才能使用［4］。DC－DC变换与恒流恒压电直接相关，其原理如图3所示。

图3 充放电电路

当对电池进行充电时，由直流母带上350V直流电向DC－DC充放电模块提供能量;当对电池进行放电时，电池能量反馈回直流母带，这样就可以实现电能的双向流动。本设计的实现是基于BUCK和BOOST变换器的基本结构。在本电路中，Q1、D2构成Buck变换器，由电源向电池供电，此时i为正;Q2、D1构成Boost变换器，由电池向电源反馈能量，此时i为负。为防止开关管发生直通现象，当电路工作在充电方式时，Q2始终处于关断状态;当电路工作在放电方式时，Q1始终处于关断状态。从图3中可以看出，当对电池进行恒流充电或恒流放电时，采样值isam与给定值iref做比较后进行数字PID调节，得到的输出调节PWM脉冲信号来控制Q1、Q2的关断，保障电流i值的恒定。

在系统工作时，主要在3种状态间切换:充电、放电、静置。充电和放电共用直流母带，因此必须要将这3种状态用开关来隔离，以保障系统的正常工作，也就是说充电和放电都有独立的开关和外电网相连。充电时只有充电开关连接外电网，放电时只有放电开关连接外电网，静置时充电开关和放电开关都与外电网断开。

在电池放电时，将直流转逆变成三相交流电输送到电网，要经过DC－AC变换。这个过程就是有源功率因数校正的逆过程，这里就不再赘述。

本系统工作过程中还设有过电流保护、过电压保护以及温度保护(当电池充放电时，温升过高，应强制停止充放电)环节;CPU选用 TI的TMS320F2812，实现校正电路的 PWM和充放电PWM的控制以及AD、DA的数据采集与控制，温度采集控制等。

3 结论

在已经开发出100V/100A的实验样机上实现了电动汽车动力电池的充放电，具有较高的电流电压精度，放电时能量能够较好的回馈到电网，实现了节能的目的，为能量回馈型动力电池检测设备的研制提供了借鉴。

［1］ 吴昇，王清灵，郭玉堂.基于可逆PWM整流器的蓄电池充放电装置［J］.电源技术，2010，34(10):1062 －1064.

［2］ 王术，郗晓田，游林儒.单周控制的锂动力电池化成能量回馈系统研究［J］.电力电子技术，2011，45(1):30－32.

［3］ 朱士海，吴卫民，钱照明.一种新型高性能功率因数校正整流电路［J］.电工电能新技术，2003，22(2):68－71.

［4］ 万仁俊.节能型二次锂电池充放电系统的研究与开发［D］.广州:华南理工大学，2010.