電動(dòng)汽車智能充電機(jī)設(shè)計(jì)研究

摘要：面對(duì)電動(dòng)汽車的快速發(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)汽車提供穩(wěn)定可靠的能量轉(zhuǎn)換，并將隨著電動(dòng)汽車的廣泛使用不斷發(fā)展。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 智能充電機(jī) 微機(jī)控制

1 引言

電動(dòng)汽車是目前世界上唯一能達(dá)到零排放的機(jī)動(dòng)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(dòng)汽車進(jìn)入了發(fā)展高潮。電動(dòng)汽車作為綠色交通工具，將在21 世紀(jì)給人類社會(huì)帶來巨大的變化。順應(yīng)當(dāng)前國(guó)際科技發(fā)展的大趨勢(shì)，將電動(dòng)汽車作為中國(guó)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(guó)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(guó)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要選擇。

目前我國(guó)電動(dòng)汽車研究已取得階段性成果，已經(jīng)完成了電動(dòng)轎車、電動(dòng)中型客車和電動(dòng)大型客車的開發(fā)工作。在我國(guó)大中城市都普遍存在著十分嚴(yán)重的交通問題和汽車尾氣排放污染問題，電動(dòng)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(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)汽車的開發(fā)和制造的同時(shí)，必須開發(fā)電動(dòng)汽車公共充電站和進(jìn)行電動(dòng)汽車示范工程建設(shè)，為電動(dòng)汽車的推廣使用積累經(jīng)驗(yàn)。在城市繁忙地段開辟電動(dòng)汽車交通線，進(jìn)行電動(dòng)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(dòng)汽車充電機(jī)及其充電管理系統(tǒng)的開發(fā)。

隨著電動(dòng)汽車研究的深入，對(duì)于電動(dòng)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(guó)內(nèi)的生產(chǎn)單位主要是面向電瓶車、電動(dòng)游覽車、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(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：

充電過程中要監(jiān)測(cè)電池的溫度，不能超過最大允許值，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(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。

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)稱性好、線性度高、相序自動(dòng)識(shí)別，無須同步變壓器、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，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