電動汽車智能充電機(jī)設(shè)計(jì)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(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)，開發(fā)了恒流,、恒壓以及智能充電算法。試驗(yàn)測試結(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(jī) 微機(jī)控制?
1 引言?
電動汽車是目前世界上唯一能達(dá)到零排放的機(jī)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(jìn)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(jìn)入21 世紀(jì)汽車工業(yè)的切人點(diǎn),，不僅是實(shí)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(shí)也是實(shí)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(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)國家的經(jīng)驗(yàn),，在進(jìn)行電動汽車的開發(fā)和制造的同時(shí)，必須開發(fā)電動汽車公共充電站和進(jìn)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(yàn),。在城市繁忙地段開辟電動汽車交通線，進(jìn)行電動汽車的推廣示范是一項(xiàng)很有意義的工作,，為了作好這項(xiàng)工作,，就必須進(jìn)行電動汽車充電機(jī)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?yàn)檫@是一個(gè)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(hù)等應(yīng)用場合，因此充電機(jī)功率范圍有限,。從上面的分析可以看出,，研制電動汽車大功率智能充電機(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(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)過電壓及欠電壓,，電池或充電機(jī)溫度異常,；?
· 自動計(jì)費(fèi)功能：?
充電機(jī)預(yù)留IC 卡接口，開發(fā)IC 卡管理系統(tǒng),。對充電機(jī)可以采用IC 卡充電操作,，充電機(jī)能自動計(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(jī)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(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,。對輸入電源過壓、缺相,，充電機(jī)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(hù)并發(fā)出聲光報(bào)警信號。?
2.2 充電機(jī)主電路設(shè)計(jì)?
經(jīng)分析認(rèn)為,，對于大功率（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(hù)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(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，保證充電機(jī)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(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、輸出直流控制信號和放電控制信號,、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(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(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(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(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(shí)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(jī)程序執(zhí)行路徑框圖
3 智能充電機(jī)性能測試與試驗(yàn)?
圖5 為實(shí)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(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,，并且為二次開發(fā)預(yù)留相應(yīng)的擴(kuò)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(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)開發(fā)包括多臺充電機(jī)組網(wǎng)監(jiān)控以及充電機(jī)同電動汽車上車輛能量管理單元通信,。依據(jù)先進(jìn)國家的經(jīng)驗(yàn)，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(yùn)行,，將具有光明發(fā)展前景,。
