一款電動車充電器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了滿足電動汽車蓄電池快速無損傷充電的要求，設(shè)計(jì)了基于NEC單片機(jī)+SG3525的充電控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用慢脈沖快速充電方法，對動力蓄電池按給定的曲線進(jìn)行高效的快速脈沖充電。對單片機(jī)控制系統(tǒng)外圍電路和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。進(jìn)行了蓄電池充電實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，系統(tǒng)可以較好的實(shí)現(xiàn)對動力蓄電池的快速無損傷充電。

關(guān)鍵詞：NEC單片機(jī);充電器;控制系統(tǒng);快速充電;無損傷

進(jìn)入21世紀(jì)，環(huán)境和能源危機(jī)日益突出。電動汽車作清潔、高效和可持續(xù)發(fā)展的交通工具，成為當(dāng)今國際汽車行業(yè)發(fā)展的潮流和熱點(diǎn)。

目前，制約電動汽車推廣的主要因素之一是充電效果不好，同時(shí)充電控制方法的選擇不當(dāng)，使多數(shù)充電器與蓄電池不匹配。在這樣的背景下，本文結(jié)合某公司的增程型車載電動汽車充電器研發(fā)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一種基于NEC單片機(jī)的智能充電控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多級恒流與慢脈沖充電相結(jié)合的快速充電策略，使動力蓄電池工作在較理想的工況下，延長其使用壽命，提高充電效率。

1 充電方式設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的充電方法主要有以下幾種：恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、恒流限壓充電、階段充電等。這些方法控制簡單，實(shí)現(xiàn)容易，但是充電時(shí)間較長。國內(nèi)外也提出了多種快速充電方法，如變電流間歇，變電壓間歇，脈沖間歇等。在綜合了各種充電方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，文中采用一種雙穩(wěn)態(tài)非線性反饋機(jī)制的慢脈沖快速充電方法。這種方法能夠確保充電效率高，電池壽命不受損害。慢脈沖快速充電方法總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

慢脈沖快速充電過程分為A、B兩段，在A段以恒流慢脈沖充電，在B段以恒壓慢脈沖充電。所謂的慢脈沖就是指，在一個較大電流充電一段時(shí)間后總是緊隨著一個小電流的維持態(tài)充電，小電流的維持時(shí)間一般是一秒到幾十秒，不是毫秒級或者微秒級。采用這種充電模式既可以最大限度的縮短充電時(shí)間，同時(shí)又可以減少對電池的損害。

2 充電控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

完整的充電器系統(tǒng)由電源變換電路和充電控制系統(tǒng)組成，其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。電源變換電路設(shè)計(jì)采用兩級結(jié)構(gòu)：一級為APFC變換，將市電220 V變換成380 V直流電壓：二級為DC/DC變換，將380 V直流電壓變換成電池組需要的充電電壓，對于72 V的鉛酸電池，其充電電壓范圍為61～84.6 V。

充電控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)及其外圍電路、電壓電流采樣電路和PWM波產(chǎn)生電路?？刂齐娐分饕瓿?個功能：1)對充電器當(dāng)前的輸出電壓電流信號進(jìn)行精確實(shí)時(shí)采樣，并將采樣信號同時(shí)送至PWM產(chǎn)生器和單片機(jī)控制系統(tǒng);2)控制充電器按照當(dāng)前設(shè)定的輸出電壓電流值產(chǎn)生占空比可變的PWM波，對開關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)功率變換;3)在出現(xiàn)過溫，過壓、欠壓等需要慢保護(hù)的故障時(shí).通過關(guān)斷PWM輸出使得充電電源實(shí)現(xiàn)限功率輸出或者關(guān)斷主回路等措施，實(shí)現(xiàn)故障回避。

2.2 單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計(jì)

充電控制和監(jiān)控保護(hù)的控制器選擇了NEC汽車級微控制器NEC78F0881，該型單片機(jī)其具有指令少、速度快、體積小、輸入輸出直接驅(qū)動能力強(qiáng)等特點(diǎn)。芯片內(nèi)部主要由32 KB程序存儲器和1K B數(shù)據(jù)存儲器、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、異步串口、三線同步串口、CAN接口、上電復(fù)位電路、定時(shí)器、及看門狗電路等組成。單片機(jī)的外嗣電路主要包括AD采樣類型選擇電路和液晶顯示電路。

圖3為單片機(jī)最小系統(tǒng)和看門狗電路設(shè)計(jì)。選用單片機(jī)的P12.4、P4.0分別與X5043的SI、SO相連用于數(shù)據(jù)的寫入或者讀出，單片機(jī)的P12.3與SCK相連，可編程模擬時(shí)鐘信號。P4.13與/CS相連，用于片選。

圖4為AD轉(zhuǎn)換信號類型選擇電路。由于單片機(jī)外圍端口設(shè)計(jì)時(shí)只選擇了一個端口作為AD轉(zhuǎn)換端口，電路選擇CD4051芯片作為模擬選通開關(guān)，其輸出端與單片機(jī)的P8.7/ANI7相連。單片機(jī)控制選通模擬開關(guān)的8個通道，選擇對電壓、電流和溫度等信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

圖5為液晶顯示電路。設(shè)計(jì)中選用DM12864M漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊作為充電器控制面板的人機(jī)交互界面，采用單片機(jī)的3線串行通信接口CSI10與12864液晶進(jìn)行通信，P2.9、P3.0和P3.1端口分別與液晶顯示模塊的R/W、RS和E端口相連。

2.3 電壓電流采樣電路的設(shè)計(jì)

電壓電流采樣電路的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)采集蓄電池兩端的電壓和充電電流值，然后分別送入單片機(jī)和PWM波產(chǎn)生電路進(jìn)行分析和處理，以得到相應(yīng)的控制信號，控制主電路MOS管的通斷，從而改變充電電流、電壓的大小。具體電路圖6所示。

輸出電壓BAT+經(jīng)過分壓電阻分壓，在CD4051的模擬信號輸入通道0和通道3分別相應(yīng)的送入1.25 V的反饋電壓，根據(jù)單片機(jī)輸入的選通信號決定輸出電壓為恒壓84.5 V還是伏壓81 V。被選通的反饋信號經(jīng)過低通濾波同時(shí)送到硬件控制回路和單片機(jī)，為控制算法的分析、處理、實(shí)時(shí)保護(hù)顯示等功能提供依據(jù)。直流充電電流是通過霍爾電流傳感器采集的。霍爾電流傳感器副邊輸出電流經(jīng)過串聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)分別在CD4051模擬輸入的通道1、通道2、通道4、通道5、通道6、通道7上輸入1.25 V的反饋電壓，根據(jù)單片機(jī)的選通通道的不同，輸出對應(yīng)通道上的反饋信號，同時(shí)將其送到單片機(jī)的AD采樣口和硬件控制回路上。不同的通道選通對應(yīng)著不同大小的充電電流值，通過單片機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)慢脈沖快速充電。

2.4 PWM波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)

考慮到單片機(jī)控制器NEC0881的開銷比較大，PWM信號沒有通過MCU的捕獲比較單元實(shí)現(xiàn)，而是采用性能優(yōu)良的專用模塊SG3525A。電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

SG3525A的2腳是誤差放大器的同相輸入端，此處設(shè)定為1.25V的基準(zhǔn)電壓，1腳為反相輸入端，接CD4051的選通輸出電流或者電壓采樣信號，從而決定誤差放大器的輸出，并送至PWM反相輸入端，與同相輸入端鋸齒波電壓比較，產(chǎn)生與輸出電壓/電流相關(guān)的脈沖寬度可變的脈沖信號，并經(jīng)過脈沖分配雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、輸出電路從第11腳、第14腳產(chǎn)生雙脈沖。雙脈沖通過隔離驅(qū)動電路波進(jìn)行電氣隔離和放大，用以驅(qū)動功率MOS管實(shí)現(xiàn)功率變換，從而改變充電器的充電電壓和電流。SG3525A的8腳由單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉。10腳與硬件關(guān)閉PWM電路連接，在出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)閉PWM輸出，保護(hù)系統(tǒng)。

3 充電控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于慢脈沖快速充電的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。接通電源后，充電器在單片機(jī)的控制下進(jìn)行初始化，包括設(shè)定充電方式，檢查是否裝電池以及電池是否可以充電。滿足充電條件后，單片機(jī)控制繼電器給系統(tǒng)供電，系統(tǒng)待機(jī)等待充電啟/停操作開始充電。

充電過程主要包括以下幾個階段：恢復(fù)性充電、恒流慢脈沖充電、恒壓慢脈沖充電、涓流充電。

1)恢復(fù)性充電：在充電初期對蓄電池以5 A的電流充電，該階段實(shí)現(xiàn)激活蓄電池內(nèi)的反應(yīng)物質(zhì)，避免大電流充電對蓄電池造成損害恢復(fù)性，充電持續(xù)大約5分鐘;2)恒流慢脈沖充電：經(jīng)過試驗(yàn)，確定恒流慢脈沖快速充電階段以50 A電流和5 A電流交替恒流充電，其中3 min的50 A大電流，0.5 min的5 A小電流，本階段結(jié)束時(shí)電池將充至70%左右的電量;3)恒壓慢脈沖充電：以恒定的84.6 V電壓充電3 min，5 A的小電流充電0.5 min，交替進(jìn)行，本階段的結(jié)束的判定依據(jù)是蓄電池端電壓產(chǎn)生負(fù)增量或充電電流逐漸減小至5 A以下;4)涓流階段：最后階段的小電流充電過程，經(jīng)過定時(shí)控制后，充電過程結(jié)束。

充電流程中采用了如下的優(yōu)化設(shè)計(jì)：1)軟件抗干擾：A/D采集時(shí)，為了提高采集精度，除了采取一些硬件濾波措施外，程序中還采用了中值法、滑動平均值等方法進(jìn)行軟件濾波;2)線性插值：環(huán)境溫度和散熱器溫度的測量，采用了熱敏電阻傳感器，微處理器將采集得到的電壓值通過查表得到實(shí)際溫度值，在保證溫度值測量的精度要求下，采用了線性插值的方法，提高了軟件的處理速度，減小了ROM存儲空間。

4 充電實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了研究恒流慢脈沖充電充電模式下該鉛酸蓄電池組的充電狀況，進(jìn)行了恒流慢脈沖的充電實(shí)驗(yàn)，該充電模式下主要是驗(yàn)證充電器的快速充電功能。在恒流慢脈沖充電模式下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

恒流慢脈沖充電實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在2.5小時(shí)內(nèi)電池電量為90 Ah，達(dá)到電池額定容量的75%，同時(shí)在4小時(shí)內(nèi)電池電量為電池額定容量的95%，在該實(shí)驗(yàn)的整個充電過程中，充電效率為85%左右，溫升為18.5℃。在整個的慢脈沖充電的過程中，充電電源的變換效率曲線如圖9所示。

5 結(jié)束語

文中詳細(xì)闡述了車載電動汽車充電器控制系統(tǒng)的充電模式選擇及其軟硬件設(shè)計(jì)。采用多級恒流與慢脈沖充電相結(jié)合的快速充電策略，能夠?qū)崿F(xiàn)對鉛酸蓄電池快速無損傷充電的需求。該方法可以提高電動汽車的充電質(zhì)量和充電后行駛里程，提高電池使用壽命。隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，車載充電器的應(yīng)用將更加廣泛，市場也將不斷擴(kuò)大。