摘要
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TMS320F2808 DSP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电保护，人性化的人机交互平台，有很强的实用性。
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：

图1电动汽车光伏车载充电总成系统
光伏电池模块：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，控制容易。
光伏电池充电装置是本系统中最主要的部分，是一个高效率智能的DC/DC变换器，采用美国Texas Instruments公司的TMS320F2808数字信号处理器芯片，它是一款功能强大的32位定点DSP芯片，有高速的12位A/D转换器，强大的数字处理和事件管理能力，特别适用于有大批量数据处理的测控场合。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，又能使磷酸铁锂动力电池组的使用达到最佳状态。
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。

图3 CAN通讯系统
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。

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) 变换器主电路参数的设计与器件选型。根据太阳能电池的输出电压范围、最大功率点电压和电池组充电电压的要求，选取合适的开关器件和驱动控制电路参数，减少开关器件的开关损耗并使其温升小于50℃，从而提高变换器的运行效率。合理布局PCB，减小信号受到的电磁干扰，保证开关器件准确的开断使其稳定运行而不被烧坏，延长使用寿命。
2) 变换器输入、输出直流滤波。由于变换器的输入或输出电流是断续的脉冲电流，而光伏电池的输出电流为连续值，为了增加光伏电池的利用率，需设置输入滤波器；为了达到恒压充电的目标，在输出端也需设置滤波器。设计合适的滤波器使输入、输出电流波动幅度小于5%，同时使滤波电容和电感的功耗也尽量小。
3) 变换器输出电流、电压检测。变换器的输出电流、电压是判断电池组的剩余容量的标准。设计准确的检测电路，使检测值的误差小于5%，并用高精度的电压、电流表校正。
4.1 BOOST电路的改进基本的BOOST变换器由开关器件K1、储能电感L1、二极管D1、旁路电容C1及输出滤波电容C2组成，如图5所示。当开关器件导通，二极管反向截止，电源向储能电感L1充电，

图5 BOOST变换器电路结构
流过电感L1的电流增加，电容C2储存的能量向负载供电。当开关器件断开时，电感L1中储存的能量经二极管向负载供电，并同时向电容C2充电，电感L1中能量减少，其电流也减小。稳态时，若储能电感L1足够大，则输入电流Iin变化很小，可视为恒定值；若输出滤波电容C2足够大，则输出电压UO和输出电流IO的变化也很小，也可视为恒定值。
本设计中，负载为磷酸铁锂电池组，其内阻很小，只有几十毫欧。若直接将图3所示的BOOST变换器的负载电阻RL改为磷酸铁锂电池组，则输送到电池组中的电流，在Saber仿真软件中的仿真结果为图6中的点画线所示，其脉动幅值很大，滤波电容C2没有起到滤波的作用。

图6 BOOST电路改进前后输出电流的波形
从图6可知，变换器最终输出的充电电流不仅有很大的尖峰电流，而且还有反向放电的时刻，这对于电池组的使用寿命和输出电流的检测都是不利的。本文对其进行了简单的改进，在电池滤波电容C2的后面再串联一个电感值较小的平波电感L2，来滤除输出电流的尖峰。

图 7 改进后的BOOST变换电路
改进后的电路如图7所示，电阻RO为滤波电感L2和电池组的内阻之和，约为0.1Ω。经Saber软件仿真，改进后的充电电流如图6中的实线所示，其波动幅度较小，近似为直线。
4.2 主电路开关器件的参数设计及选型为了提高主电路的开关频率，减小滤波电感的体积，提高整体的效率，本文选择功率MOSFET作为主开关器件。变换器的最大输出功率Pmax为150W，最大输入电压Uinmax为40V，最大输出电压Uomax为60V，额定工作时输入电压为35V，留一定裕量取MOSFET的额定电压为100V，流过MOSFET的电流有效值为：
                 (4.1)
为了提高变换器的转换效率，降低MOSFET的功耗和利于其散热，使逆变器额定工作时MOSFET的功耗小于1W。由于MOSFET开通和关断速度快，设开关损耗等于导通损耗，则其导通电阻：
                      (4.2)
根据以上要求，本文选择了国际半导体公司的IRFB4110型的功率MOSFET，其额定运行电压为100V，导通电阻为4.5mΩ。