一款電動車充電器控制系統設計

摘要：為了滿足電動汽車蓄電池快速無損傷充電的要求，設計了基於NEC單片機+SG3525的充電控制系統。該控制系統採用慢脈衝快速充電方法，對動力蓄電池按給定的曲線進行高效的快速脈衝充電。對單片機控制系統外圍電路和軟體進行了設計。進行了蓄電池充電實驗，結果表明，系統可以較好的實現對動力蓄電池的快速無損傷充電。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/235745.htm

關鍵詞：NEC單片機;充電器;控制系統;快速充電;無損傷

進入21世紀，環境和能源危機日益突出。電動汽車作清潔、高效和可持續發展的交通工具，成為當今國際汽車行業發展的潮流和熱點。

目前，制約電動汽車推廣的主要因素之一是充電效果不好，同時充電控制方法的選擇不當，使多數充電器與蓄電池不匹配。在這樣的背景下，本文結合某公司的增程型車載電動汽車充電器研發項目，設計了一種基於NEC單片機的智能充電控制系統。該系統採用多級恆流與慢脈衝充電相結合的快速充電策略，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 充電方式設計

傳統的充電方法主要有以下幾種：恆流充電、恆壓充電、恆壓限流充電、恆流限壓充電、階段充電等。這些方法控制簡單，實現容易，但是充電時間較長。國內外也提出了多種快速充電方法，如變電流間歇，變電壓間歇，脈衝間歇等。在綜合了各種充電方法優缺點的基礎上，文中採用一種雙穩態非線性反饋機制的慢脈衝快速充電方法。這種方法能夠確保充電效率高，電池壽命不受損害。慢脈衝快速充電方法總體設計如圖1所示。

 

 

慢脈衝快速充電過程分為A、B兩段，在A段以恆流慢脈衝充電，在B段以恆壓慢脈衝充電。所謂的慢脈衝就是指，在一個較大電流充電一段時間後總是緊隨著一個小電流的維持態充電，小電流的維持時間一般是一秒到幾十秒，不是毫秒級或者微秒級。採用這種充電模式既可以最大限度的縮短充電時間，同時又可以減少對電池的損害。

2 充電控制系統的硬體設計

2.1 系統的總體結構設計

完整的充電器系統由電源變換電路和充電控制系統組成，其設計框圖如圖2所示。電源變換電路設計採用兩級結構：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，對於72 V的鉛酸電池，其充電電壓範圍為61～84.6 V。

 

 

充電控制系統的電路設計主要包括單片機及其外圍電路、電壓電流採樣電路和PWM波產生電路。控制電路主要完成3個功能：1)對充電器當前的輸出電壓電流信號進行精確實時採樣，並將採樣信號同時送至PWM產生器和單片機控制系統;2)控制充電器按照當前設定的輸出電壓電流值產生佔空比可變的PWM波，對開關管進行驅動，實現功率變換;3)在出現過溫，過壓、欠壓等需要慢保護的故障時.通過關斷PWM輸出使得充電電源實現限功率輸出或者關斷主迴路等措施，實現故障迴避。

2.2 單片機及其外圍電路設計

充電控制和監控保護的控制器選擇了NEC汽車級微控制器NEC78F0881，該型單片機其具有指令少、速度快、體積小、輸入輸出直接驅動能力強等特點。晶片內部主要由32 KB程序存儲器和1K B數據存儲器、8通道10位A/D轉換器、異步串口、三線同步串口、CAN接口、上電復位電路、定時器、及看門狗電路等組成。單片機的外嗣電路主要包括AD採樣類型選擇電路和液晶顯示電路。

圖3為單片機最小系統和看門狗電路設計。選用單片機的P12.4、P4.0分別與X5043的SI、SO相連用於數據的寫入或者讀出，單片機的P12.3與SCK相連，可編程模擬時鐘信號。P4.13與/CS相連，用於片選。

 

 

圖4為AD轉換信號類型選擇電路。由於單片機外圍埠設計時只選擇了一個埠作為AD轉換埠，電路選擇CD4051晶片作為模擬選通開關，其輸出端與單片機的P8.7/ANI7相連。單片機控制選通模擬開關的8個通道，選擇對電壓、電流和溫度等信號進行AD轉換。

 

 

圖5為液晶顯示電路。設計中選用DM12864M漢字圖形點陣液晶顯示模塊作為充電器控制面板的人機互動界面，採用單片機的3線串行通信接口CSI10與12864液晶進行通信，P2.9、P3.0和P3.1埠分別與液晶顯示模塊的R/W、RS和E埠相連。

 

 

2.3 電壓電流採樣電路的設計

電壓電流採樣電路的主要任務是實時採集蓄電池兩端的電壓和充電電流值，然後分別送入單片機和PWM波產生電路進行分析和處理，以得到相應的控制信號，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分別相應的送入1.25 V的反饋電壓，根據單片機輸入的選通信號決定輸出電壓為恆壓84.5 V還是伏壓81 V。被選通的反饋信號經過低通濾波同時送到硬體控制迴路和單片機，為控制算法的分析、處理、實時保護顯示等功能提供依據。直流充電電流是通過霍爾電流傳感器採集的。霍爾電流傳感器副邊輸出電流經過串聯電阻網絡分別在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，根據單片機的選通通道的不同，輸出對應通道上的反饋信號，同時將其送到單片機的AD採樣口和硬體控制迴路上。不同的通道選通對應著不同大小的充電電流值，通過單片機控制器實現慢脈衝快速充電。

2.4 PWM波產生電路的設計

考慮到單片機控制器NEC0881的開銷比較大，PWM信號沒有通過MCU的捕獲比較單元實現，而是採用性能優良的專用模塊SG3525A。電路設計如圖7所示。

 

 

SG3525A的2腳是誤差放大器的同相輸入端，此處設定為1.25V的基準電壓，1腳為反相輸入端，接CD4051的選通輸出電流或者電壓採樣信號，從而決定誤差放大器的輸出，並送至PWM反相輸入端，與同相輸入端鋸齒波電壓比較，產生與輸出電壓/電流相關的脈衝寬度可變的脈衝信號，並經過脈衝分配雙穩態觸發器、輸出電路從第11腳、第14腳產生雙脈衝。雙脈衝通過隔離驅動電路波進行電氣隔離和放大，用以驅動功率MOS管實現功率變換，從而改變充電器的充電電壓和電流。SG3525A的8腳由單片機控制，實現開啟和關閉。10腳與硬體關閉PWM電路連接，在出現故障時，關閉PWM輸出，保護系統。

3 充電控制系統的軟體設計

基於慢脈衝快速充電的控制系統軟體設計流程如圖8所示。接通電源後，充電器在單片機的控制下進行初始化，包括設定充電方式，檢查是否裝電池以及電池是否可以充電。滿足充電條件後，單片機控制繼電器給系統供電，系統待機等待充電啟/停操作開始充電。

充電過程主要包括以下幾個階段：恢復性充電、恆流慢脈衝充電、恆壓慢脈衝充電、涓流充電。

1)恢復性充電：在充電初期對蓄電池以5 A的電流充電，該階段實現激活蓄電池內的反應物質，避免大電流充電對蓄電池造成損害恢復性，充電持續大約5分鐘;2)恆流慢脈衝充電：經過試驗，確定恆流慢脈衝快速充電階段以50 A電流和5 A電流交替恆流充電，其中3 min的50 A大電流，0.5 min的5 A小電流，本階段結束時電池將充至70%左右的電量;3)恆壓慢脈衝充電：以恆定的84.6 V電壓充電3 min，5 A的小電流充電0.5 min，交替進行，本階段的結束的判定依據是蓄電池端電壓產生負增量或充電電流逐漸減小至5 A以下;4)涓流階段：最後階段的小電流充電過程，經過定時控制後，充電過程結束。

充電流程中採用了如下的優化設計：1)軟體抗幹擾：A/D採集時，為了提高採集精度，除了採取一些硬體濾波措施外，程序中還採用了中值法、滑動平均值等方法進行軟體濾波;2)線性插值：環境溫度和散熱器溫度的測量，採用了熱敏電阻傳感器，微處理器將採集得到的電壓值通過查表得到實際溫度值，在保證溫度值測量的精度要求下，採用了線性插值的方法，提高了軟體的處理速度，減小了ROM存儲空間。

4 充電實驗結果及分析

為了研究恆流慢脈衝充電充電模式下該鉛酸蓄電池組的充電狀況，進行了恆流慢脈衝的充電實驗，該充電模式下主要是驗證充電器的快速充電功能。在恆流慢脈衝充電模式下的實驗數據如表1所示。

 

 

恆流慢脈衝充電實驗結果表明：在2.5小時內電池電量為90 Ah，達到電池額定容量的75%，同時在4小時內電池電量為電池額定容量的95%，在該實驗的整個充電過程中，充電效率為85%左右，溫升為18.5℃。在整個的慢脈衝充電的過程中，充電電源的變換效率曲線如圖9所示。

 

 

5 結束語

文中詳細闡述了車載電動汽車充電器控制系統的充電模式選擇及其軟硬體設計。採用多級恆流與慢脈衝充電相結合的快速充電策略，能夠實現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量和充電後行駛裡程，提高電池使用壽命。隨著電動汽車產業的發展，車載充電器的應用將更加廣泛，市場也將不斷擴大。