電動汽車智能充電機設(shè)計研究
摘要：面對電動汽車的快速發(fā)展，大功率動力電池智能充電機以及充電算法的研究顯得愈加重要。本文研制了智能充電機系統(tǒng)，開發(fā)了恒流、恒壓以及智能充電算法。試驗測試結(jié)果表明，充電機較好的實現(xiàn)了恒流限壓、恒壓限流、智能充電以及放電等功能。該智能充電機可以為電動汽車提供穩(wěn)定可靠的能量轉(zhuǎn)換，并將隨著電動汽車的廣泛使用不斷發(fā)展。?
關(guān)鍵詞：電動汽車 智能充電機 微機控制?

1 引言?

電動汽車是目前世界上唯一能達到零排放的機動車。由于環(huán)保的要求，加之新材料和新技術(shù)的發(fā)展，電動汽車進入了發(fā)展高潮。電動汽車作為綠色交通工具，將在21 世紀(jì)給人類社會帶來巨大的變化。順應(yīng)當(dāng)前國際科技發(fā)展的大趨勢，將電動汽車作為中國進入21 世紀(jì)汽車工業(yè)的切人點，不僅是實現(xiàn)中國汽車工業(yè)技術(shù)跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略抉擇，同時也是實現(xiàn)中國汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要選擇。?

目前我國電動汽車研究已取得階段性成果，已經(jīng)完成了電動轎車、電動中型客車和電動大型客車的開發(fā)工作。在我國大中城市都普遍存在著十分嚴(yán)重的交通問題和汽車尾氣排放污染問題，電動汽車是一種非常理想的中速和短途的日常公共交通工具，因此在我國有著得天獨厚的發(fā)展條件和廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)歐美和日本等先進國家的經(jīng)驗，在進行電動汽車的開發(fā)和制造的同時，必須開發(fā)電動汽車公共充電站和進行電動汽車示范工程建設(shè)，為電動汽車的推廣使用積累經(jīng)驗。在城市繁忙地段開辟電動汽車交通線，進行電動汽車的推廣示范是一項很有意義的工作，為了作好這項工作，就必須進行電動汽車充電機及其充電管理系統(tǒng)的開發(fā)。?

隨著電動汽車研究的深入，對于電動汽車用電池充電器有了一定的需求，因為這是一個比較新的應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)者主要集中在一些科研單位或大學(xué)中。國內(nèi)的生產(chǎn)單位主要是面向電瓶車、電動游覽車、蓄電池維護等應(yīng)用場合，因此充電機功率范圍有限。從上面的分析可以看出，研制電動汽車大功率智能充電機具有重要意義。?

2 充電機設(shè)計與研制?

2.1 智能充電機系統(tǒng)特點?

· 指示功能：?

狀態(tài)指示：包括電池電壓不足、正在充電、充電結(jié)束；?
故障指示：直流輸出側(cè)過電壓及欠電壓，溫度異常，主斷路器斷開。蓄電池溫度異常。?

· 記錄功能：?

交流輸入：對公用充電機記錄輸入的電力（kW?h），記錄一次充電值和日累計值。?
溫度：充電時電池溫度、充電機溫度、環(huán)境溫度。?
故障記錄：直流輸出側(cè)過電壓及欠電壓，電池或充電機溫度異常；?

· 自動計費功能：?

充電機預(yù)留IC 卡接口，開發(fā)IC 卡管理系統(tǒng)。對充電機可以采用IC 卡充電操作，充電機能自動計費，并顯示及打印計費結(jié)果或直接用IC 卡結(jié)算。?

· 監(jiān)測功能：?

充電過程中要監(jiān)測電池的溫度，不能超過最大允許值，否則會損害電池和減少電池的使用壽命。?

· 充電機預(yù)留CAN 總線接口和485 接口，一方面為了和車上設(shè)備通信，另一方面便于連接上位機，實現(xiàn)連接計算機觀察全程充電曲線和組網(wǎng)微機監(jiān)控。?

· 充電機具有斷電時保護數(shù)據(jù)；具有電流、電壓、時間等參數(shù)超出了操作人員所設(shè)定的范圍以及軟件故障提示等安全保護措施。?

· 具有完善的故障保護和報警功能。對輸入電源過壓、缺相，充電機過流、過熱，蓄電池短路、開路、極性接反、超溫等故障均有自動保護并發(fā)出聲光報警信號。?

2.2 充電機主電路設(shè)計?

經(jīng)分析認為，對于大功率（10kW 以上）充電機適合采用相控方式，控制方法成熟，性能穩(wěn)定可靠。圖1 為設(shè)計的智能充電機主電路。

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圖1 智能充電機主電路圖

與主電路相關(guān)的設(shè)計說明：?

1） 路形式采用全控整流電路，選用集成化控制模塊，具有集成度高、多相脈沖對稱性好、線性度高、相序自動識別，無須同步變壓器、軟啟動以及缺相保護等功能。?
2） 檢測蓄電池電壓、直流側(cè)電流的傳感器，選用LEM 模塊采集電壓和電流信號。?
3） 計了自檢用假負載，要求邏輯部分可以控制假負載的投入和斷開，保證充電機自檢。?
4） 溫度檢測采用AD590 型集成溫度傳感器，可以長距離傳輸信號。?

2.3 微機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)?

控制器可以分為主控單元和執(zhí)行單元，其中，執(zhí)行單元具有參數(shù)采集、輸出直流控制信號和放電控制信號、故障顯示等功能。主控單元具有電能計量、上位機通信、狀態(tài)和報警顯示、鍵盤掃描、液晶顯示控制以及向執(zhí)行單元傳送指令等功能。?

(1) 微機控制器硬件設(shè)計?

采用ATMEL 公司的89C52,該單片機片內(nèi)8K FLASH,片內(nèi)256 字節(jié)RAM,32 條可編程I/O 口線,3 個16 位定時器/計數(shù)器,8 級中斷源,有一個通用串行接口。外圍器件主要有SD2000D，內(nèi)置64Kbit NVSRAM，晶振、電池，時鐘。選用AD574 作為A/D 轉(zhuǎn)換器件，DAC0832 用作D/A 轉(zhuǎn)換。?

液晶顯示模塊：自帶顯示驅(qū)動電路，具有字符顯示功能。顯示設(shè)定參數(shù)時具有提示輸入?yún)?shù)范圍功能。?

預(yù)留CAN 總線接口電路，擬采用Philips82c200 CAN 總線控制器、82c250 CAN 總線收發(fā)器。

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圖2 微機控制硬件連接示意圖

單機控制系統(tǒng)與主電路接口信號主要有：固態(tài)繼電器驅(qū)動信號；控制模塊有對缺相、過流的檢測裝置；?

檢測蓄電池電壓、直流側(cè)電流的傳感器；控制模塊配置移相觸發(fā)電路；CAN總線通信接口。?

為使主電路安全可靠的工作，增加了“指令冗余”和“軟件陷阱”等軟件容錯功能。在硬件上采用MAX813 芯片組成系統(tǒng)監(jiān)控電路。?

在抗干擾設(shè)計方面，主要采用光耦和固態(tài)繼電器實現(xiàn)了輸入、輸出信號的隔離，對溫度等需要長距離傳輸?shù)男盘柌捎秒娏鳝h(huán)?？紤]到現(xiàn)場的空間輻射干擾，本系統(tǒng)采取了嚴(yán)格的屏蔽措施，所有的輸入、輸出信號一律采用屏蔽線，所有屏蔽線在機箱匯成一點接大地。?

(2) 微機控制器軟件設(shè)計?

該智能充電機具有恒壓限流、恒流限壓、智能充電、放電等控制模式。根據(jù)充電機需要具備的功能，確定軟件需要實現(xiàn)的功能，編制流程圖和代碼。?

· 恒壓限流充電模式?

采用恒壓限流充電方式，由于開始時蓄電池電壓低，若以大電流充電，有損電池壽命，因此可以先采取恒流充電方式，軟件設(shè)定初始充電電流，例如15A，在恒定電流充電方式下，充到輸出電壓達到設(shè)定的電池組端電壓值。然后，輸出電壓維持恒定不變，隨著充電進行，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流下降到程序設(shè)定的較小的數(shù)值時，例如2A，充電機維持這個設(shè)定的小電流進行恒定電流充電，即為涓流充電，以此實現(xiàn)無人值守。?

· 恒流自動充電?

采用恒流限壓方式，需要人工設(shè)定充電電流和限定電壓。充電機以恒定電流充電，電池組端電壓達到限定電壓時充電結(jié)束，可以無人值守。?

恒流限時實現(xiàn)方式為：人工設(shè)定分段恒流充電的電流和時間，程序設(shè)定電流轉(zhuǎn)換的時刻，自動轉(zhuǎn)接到下一步低檔充電電流，充電終止的判據(jù)為設(shè)定的總體時間。?

· 智能控制自動充電?

應(yīng)用du/dt 和di/dt 技術(shù)，動態(tài)跟蹤電池可接受的充電電流。充電系統(tǒng)由充電機和電池組成二元閉環(huán)回路，充電機根據(jù)電池的狀態(tài)確定充電工藝參數(shù)，充電電流自始自終在電池的可接受充電電流曲線附近。圖3 為充電接受特性曲線,超過這一曲線的任何充電電流,不僅不能提高充電速率,而且會增加析氣。du/dt 檢測就是在充電過程的后期，檢測蓄電池端電壓單位時間的變化量。對于鉛酸蓄電池，在充電后期du/dt 很小。愈是充電完全，du/dt 就愈小，只要確定了du/dt 值，充電深度就基本確定，以此來判斷終止條件。系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置，查找特定類型和容量的電池，對應(yīng)上相應(yīng)的電池充電特性曲線，圖4 為選擇智能控制選擇子程序路徑示意圖。

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圖3 充電接受特性曲線

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圖4 智能充電機程序執(zhí)行路徑框圖

3 智能充電機性能測試與試驗?

圖5 為實際測試得到的恒壓限流充電的充電曲線；圖6 為恒流限壓的充電曲線。

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圖5 恒壓限流方式充電曲線

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圖6 恒流限壓充電曲線

4 結(jié)論與展望?

智能充電機采用了較為先進的技術(shù)，例如大功率晶閘管相控自同步觸發(fā)模塊集成技術(shù)，IC 卡實現(xiàn)充電計費自動化，實現(xiàn)智能充電和放電等先進模式等。整個系統(tǒng)設(shè)計時，充分考慮了系統(tǒng)的安全性和可靠性，系統(tǒng)不但在硬件上采取了一系列的抗干擾措施，而且軟件也具有較好的容錯能力。由于采用了IC 卡和全漢字顯示技術(shù)，使系統(tǒng)具有較好的人機交互界面，使操作簡單。?

充電設(shè)備可分為常規(guī)充電機和快速充電機。本文重點研究開發(fā)了常規(guī)充電機樣機，主要目標(biāo)確保功能完善，性能可靠，并且為二次開發(fā)預(yù)留相應(yīng)的擴展接口。本文的研究開發(fā)中，核心在于各種充電算法的開發(fā)、智能充電控制算法、無人值守和自動計費的實現(xiàn)等。這些也是本智能充電機的特色和關(guān)鍵技術(shù)。后續(xù)開發(fā)包括多臺充電機組網(wǎng)監(jiān)控以及充電機同電動汽車上車輛能量管理單元通信。依據(jù)先進國家的經(jīng)驗，充電設(shè)備的開發(fā)如果結(jié)合電動汽車充電站的建設(shè)和電動汽車示范運行，將具有光明發(fā)展前景。