...效率可调式线性电源的直流供电系统
董燕飞
摘 要： 对锂电电源直流供电系统进行设计在提高电动汽车锂电电源使用量方面具有重要意义。现有的供电系统主要通过增加稳压控制器，提高系统的稳定性，却忽略了各接口连接方式导致系统不稳定的问题。在此提出并设计了基于供电保护的电动汽车锂电电源直流供电系统。在分析电动汽车锂电电源直流供电存在问题的基础上，设计了整体电动汽车锂电电源直流供电系统模块，并针对供电系统接口模块进行了设计，同时添加了保护模块，增加供电系统的稳定性，并给出部分系统软件设计部分。实验结果表明，采用改进供电系统时，其在电动汽车锂电电源直流供电方面要优于传统供电系统，系统稳定性较高，具有一定的优势。
关键词： 电动汽车； 锂电电源； 直流供电； 供电保护； 接口连接； 系统设计
中图分类号： TN86?34； TM911.3 文献标识码： A 文章编号： 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
電动汽车分为混合动力汽车和纯电动汽车，其是以电为动力或者以电为动力能源之一的汽车。与传统汽车相比，电动汽车对环境的污染小、能量利用率高、不会产生任何有害物质，实现真正意义上的零排放[1]。因此，电动汽车更适合在城市中运行，因电带油，可达到零排放和低噪音的目的，是处理能源及环境问题的关键方法。在推广应用中，也对电动汽车的动力提出了更高的性能要求。电动汽车锂电电源的使用最为常见，其供电系统是电动汽车行驶供应能量，是电动汽车的关键基础系统，供电模式关键有交流供电及直流母线供电两种模式[2]。其中，直流母线供电模式最为常见，且有一定的优势，受到广大学者及专家的关注。
传统的电动汽车锂电电源直流供电时，其主要采用并列蓄电池组方案，对直流供电系统进行设计及优化，忽略了电池型号及常规铅酸蓄电池的直流电源寿命周期存在的干扰，存在供电系统供电不稳定，损伤锂电池寿命的问题。本文提出并设计了基于供电保护的电动汽车锂电电源直流供电系统。
1 整体结构设计
在设计电动汽车锂电电源直流供电系统时，使用Atmega16L为主控制器，经过外围电路的仿真专用智能芯片作用[3]，实现对锂电池电源直流供电。系统包括实时采集电池动态信息，使单体电池实现自动均衡，充放电控制及其异常现象的保护电路等，整体功能图见图1。
从图1中可看出，供电系统关键功能是达到数据采集、电池组均衡控制、保护电路、接口模块设置等目的[4]，数据采集主要是对单体电池电压、整组电池电压、电流和系统温度的收集，并经过收集到的数据计算剩下的电量；电池组均衡控制主要是针对单体电池产生过压时，对过压单体进行自动均衡[5]，预防单体电池过充；保护电路部分主要是针对电池组产生过充、过放、过流、过温和突然短路问题时，经过中断MOS管，防止电池的充放电。
1.1 系统接口模块设计
电动汽车锂电电源直流供电系统中心载有大量的设备，如硬盘、内存和存储器等。这些设备单元之间的连接需要通过接口单元实现，接口单位示意图如图2所示。在供电系统中，接口单元将提供负载所需的电压，与各模块直接连接[6]，有利于避免供电系统的高峰值电流与低噪音容限的矛盾，最大限度地减少电压下降或上升引起的损耗。
供电系统内含的多个运行模块，随着供电系统运行量的增加，各模块消耗的功率越来越大，为了减少功率的损耗[7]，所以采用开关电容调节器作为接口单元，以此为供电系统接口模块，将DC?DC输出电压转换为供电系统所需电压，如图3所示。
1.2 供电系统主控板保护模块设计
保护模块主要是指当出现锂电电源出现电压、电流、温度和短路等突发异常时，关掉充放电实时保护系统安全，其设计原理如图4所示。
图4a）中，虚线框里是选择的保护电路主控管IRF3205，因其具备175 ℃运行温度、高信道等级、先进的加工工艺及较低导通阻抗等优势，且其导通电阻值是[8 mΩ]，电流是[110 A]，较为符合使用在大电流的场景[8]，适合电动汽车锂电电源直流供电的需要。
从图4a）可以看出，保护电路的整体原理是：整体保护电路串联在锂电电池组的回路里，经过及时监测电池组各项指标信息，当出现有异常信息时，经过CHG，DSG管制整体充放电回路，确保锂电电源的运行安全性，延长锂电电源直流供电系统的使用寿命。
图4b）为真实电路的连接图，DSG为放电控制端口，P是充电模块负极端，B11为锂电电池组负极端，CHG为充电控制的端口[9]，整体保护电路串联在电池组负极端回路里，充放电MOSFET管使用的是IRF3205，适合锂电电源直流供电系统保护电路设计要求。
2 软件设计
电动汽车锂电电源直流供电系统的软件设计过程中，主程序是管理整个系统初始化、检测、保护、常规事务管理等的主要软件[10]。如图5所示为供电系统的主程序，整体流程不停的反复，系统运行后首先进行自检，倘若自检未合格，那么持续进行自检并报错；加入自检已通过，供电系统会进行初始化，然后获取采样数据，使用该保护检测系统故障。
3 实验结果分析
3.1 实验参数设置
在实验参数设置过程中主要以锂电池参数和仿真实验参数设置为主，如表1、表2所示。
3.2 实验结果分析
为了验证改进系统在电动汽车锂电电源直流供电方面的有效性及可行性，以系统稳定性为指标，以采用传统供电系统为对比进行实验分析，结果如图6所示。
由图可知，采用传统供电系统时，其在运行时间到5 s后开始出现波动，直到运行时间为10 s，其波动有所减缓，但未彻底消失，表明易受到外界干扰出现波动，稳定性较差；采用并联智能电池组件供电系统时，其在3 s后就出现波动，且一直到10 s未出现波动趋于平稳的现象，稳定性较差；采用改进系统时，其在运行时间为5 s时亦出现了波动，但较传统系统波动幅度较小，且之后随即趋于稳定，表明对外界干扰防御较好，稳定性高，具有一定的优势。
4 结 论
针对传统供电系统一直存在供电稳定性差的问题，本文提出并设计了基于供电保护的电动汽车锂电电源直流供电系统。实验结果表明，相比传统供电系统，改进系统对外界干扰防御较好，稳定性高，具有一定的优势。
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