電動(dòng)汽車(chē)智能充電機(jī)設(shè)計(jì)研究
摘要：面對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展，大功率動(dòng)力電池智能充電機(jī)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(jī)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了恒流、恒壓以及智能充電算法。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，充電機(jī)較好的實(shí)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(jī)可以為電動(dòng)汽車(chē)提供穩(wěn)定可靠的能量轉(zhuǎn)換，并將隨著電動(dòng)汽車(chē)的廣泛使用不斷發(fā)展。?
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē) 智能充電機(jī) 微機(jī)控制?

1 引言?

電動(dòng)汽車(chē)是目前世界上唯一能達(dá)到零排放的機(jī)動(dòng)車(chē)。由于環(huán)保的要求，加之新材料和新技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入了發(fā)展高潮。電動(dòng)汽車(chē)作為綠色交通工具，將在21 世紀(jì)給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)巨大的變化。順應(yīng)當(dāng)前國(guó)際科技發(fā)展的大趨勢(shì)，將電動(dòng)汽車(chē)作為中國(guó)進(jìn)入21 世紀(jì)汽車(chē)工業(yè)的切人點(diǎn)，不僅是實(shí)現(xiàn)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)技術(shù)跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略抉擇，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要選擇。?

目前我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)研究已取得階段性成果，已經(jīng)完成了電動(dòng)轎車(chē)、電動(dòng)中型客車(chē)和電動(dòng)大型客車(chē)的開(kāi)發(fā)工作。在我國(guó)大中城市都普遍存在著十分嚴(yán)重的交通問(wèn)題和汽車(chē)尾氣排放污染問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)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(guó)有著得天獨(dú)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(jìn)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)和制造的同時(shí)，必須開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)公共充電站和進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)示范工程建設(shè)，為電動(dòng)汽車(chē)的推廣使用積累經(jīng)驗(yàn)。在城市繁忙地段開(kāi)辟電動(dòng)汽車(chē)交通線，進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)的推廣示范是一項(xiàng)很有意義的工作，為了作好這項(xiàng)工作，就必須進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)及其充電管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。?

隨著電動(dòng)汽車(chē)研究的深入，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)用電池充電器有了一定的需求，因?yàn)檫@是一個(gè)比較新的應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)者主要集中在一些科研單位或大學(xué)中。國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)單位主要是面向電瓶車(chē)、電動(dòng)游覽車(chē)、蓄電池維護(hù)等應(yīng)用場(chǎng)合，因此充電機(jī)功率范圍有限。從上面的分析可以看出，研制電動(dòng)汽車(chē)大功率智能充電機(jī)具有重要意義。?

2 充電機(jī)設(shè)計(jì)與研制?

2.1 智能充電機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)?

· 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(guò)電壓及欠電壓，溫度異常，主斷路器斷開(kāi)。蓄電池溫度異常。?

· 記錄功能：?

交流輸入：對(duì)公用充電機(jī)記錄輸入的電力（kW?h），記錄一次充電值和日累計(jì)值。?
溫度：充電時(shí)電池溫度、充電機(jī)溫度、環(huán)境溫度。?
故障記錄：直流輸出側(cè)過(guò)電壓及欠電壓，電池或充電機(jī)溫度異常；?

· 自動(dòng)計(jì)費(fèi)功能：?

充電機(jī)預(yù)留IC 卡接口，開(kāi)發(fā)IC 卡管理系統(tǒng)。對(duì)充電機(jī)可以采用IC 卡充電操作，充電機(jī)能自動(dòng)計(jì)費(fèi)，并顯示及打印計(jì)費(fèi)結(jié)果或直接用IC 卡結(jié)算。?

· 監(jiān)測(cè)功能：?

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

· 充電機(jī)預(yù)留CAN 總線接口和485 接口，一方面為了和車(chē)上設(shè)備通信，另一方面便于連接上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)連接計(jì)算機(jī)觀察全程充電曲線和組網(wǎng)微機(jī)監(jiān)控。?

· 充電機(jī)具有斷電時(shí)保護(hù)數(shù)據(jù)；具有電流、電壓、時(shí)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(hù)措施。?

· 具有完善的故障保護(hù)和報(bào)警功能。對(duì)輸入電源過(guò)壓、缺相，充電機(jī)過(guò)流、過(guò)熱，蓄電池短路、開(kāi)路、極性接反、超溫等故障均有自動(dòng)保護(hù)并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。?

2.2 充電機(jī)主電路設(shè)計(jì)?

經(jīng)分析認(rèn)為，對(duì)于大功率（10kW 以上）充電機(jī)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(jì)的智能充電機(jī)主電路。

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圖1 智能充電機(jī)主電路圖

與主電路相關(guān)的設(shè)計(jì)說(shuō)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(duì)稱(chēng)性好、線性度高、相序自動(dòng)識(shí)別，無(wú)須同步變壓器、軟啟動(dòng)以及缺相保護(hù)等功能。?
2） 檢測(cè)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(hào)。?
3） 計(jì)了自檢用假負(fù)載，要求邏輯部分可以控制假負(fù)載的投入和斷開(kāi)，保證充電機(jī)自檢。?
4） 溫度檢測(cè)采用AD590 型集成溫度傳感器，可以長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)。?

2.3 微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(hào)和放電控制信號(hào)、故障顯示等功能。主控單元具有電能計(jì)量、上位機(jī)通信、狀態(tài)和報(bào)警顯示、鍵盤(pán)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(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)?

采用ATMEL 公司的89C52,該單片機(jī)片內(nèi)8K FLASH,片內(nèi)256 字節(jié)RAM,32 條可編程I/O 口線,3 個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,8 級(jí)中斷源,有一個(gè)通用串行接口。外圍器件主要有SD2000D，內(nèi)置64Kbit NVSRAM，晶振、電池，時(shí)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(dòng)電路，具有字符顯示功能。顯示設(shè)定參數(shù)時(shí)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(jī)控制硬件連接示意圖

單機(jī)控制系統(tǒng)與主電路接口信號(hào)主要有：固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)；控制模塊有對(duì)缺相、過(guò)流的檢測(cè)裝置；?

檢測(cè)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(cuò)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(jì)方面，主要采用光耦和固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)了輸入、輸出信號(hào)的隔離，對(duì)溫度等需要長(zhǎng)距離傳輸?shù)男盘?hào)采用電流環(huán)?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)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(hào)一律采用屏蔽線，所有屏蔽線在機(jī)箱匯成一點(diǎn)接大地。?

(2) 微機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)?

該智能充電機(jī)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(jī)需要具備的功能，確定軟件需要實(shí)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(kāi)始時(shí)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(dá)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(jìn)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(shí)，例如2A，充電機(jī)維持這個(gè)設(shè)定的小電流進(jìn)行恒定電流充電，即為涓流充電，以此實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。?

· 恒流自動(dòng)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(jī)以恒定電流充電，電池組端電壓達(dá)到限定電壓時(shí)充電結(jié)束，可以無(wú)人值守。?

恒流限時(shí)實(shí)現(xiàn)方式為：人工設(shè)定分段恒流充電的電流和時(shí)間，程序設(shè)定電流轉(zhuǎn)換的時(shí)刻，自動(dòng)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(shí)間。?

· 智能控制自動(dòng)充電?

應(yīng)用du/dt 和di/dt 技術(shù)，動(dòng)態(tài)跟蹤電池可接受的充電電流。充電系統(tǒng)由充電機(jī)和電池組成二元閉環(huán)回路，充電機(jī)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(guò)這一曲線的任何充電電流,不僅不能提高充電速率,而且會(huì)增加析氣。du/dt 檢測(cè)就是在充電過(guò)程的后期，檢測(cè)蓄電池端電壓?jiǎn)挝粫r(shí)間的變化量。對(duì)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(lái)判斷終止條件。系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置，查找特定類(lèi)型和容量的電池，對(duì)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(jī)程序執(zhí)行路徑框圖

3 智能充電機(jī)性能測(cè)試與試驗(yàn)?

圖5 為實(shí)際測(cè)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(jī)采用了較為先進(jìn)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(shí)現(xiàn)充電計(jì)費(fèi)自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)智能充電和放電等先進(jìn)模式等。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(cuò)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(jī)交互界面，使操作簡(jiǎn)單。?

充電設(shè)備可分為常規(guī)充電機(jī)和快速充電機(jī)。本文重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)了常規(guī)充電機(jī)樣機(jī)，主要目標(biāo)確保功能完善，性能可靠，并且為二次開(kāi)發(fā)預(yù)留相應(yīng)的擴(kuò)展接口。本文的研究開(kāi)發(fā)中，核心在于各種充電算法的開(kāi)發(fā)、智能充電控制算法、無(wú)人值守和自動(dòng)計(jì)費(fèi)的實(shí)現(xiàn)等。這些也是本智能充電機(jī)的特色和關(guān)鍵技術(shù)。后續(xù)開(kāi)發(fā)包括多臺(tái)充電機(jī)組網(wǎng)監(jiān)控以及充電機(jī)同電動(dòng)汽車(chē)上車(chē)輛能量管理單元通信。依據(jù)先進(jìn)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，充電設(shè)備的開(kāi)發(fā)如果結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)充電站的建設(shè)和電動(dòng)汽車(chē)示范運(yùn)行，將具有光明發(fā)展前景。