基于單片機的電動汽車充電系統的開發應用

陳鵬

摘要：為滿足電動汽車充電系統對于蓄電池快速無損傷充電的需求，本文探究單片機的電動汽車充電系統的開發。NEC單片機在電動汽車充電系統開發中較為常見，該控制系統在實際應用中具有諸多優勢。對此，本文采用慢脈沖快速充電方式，對電動汽車充電系統進行開發，滿足電動汽車的動力蓄電池快速無損傷的充電要求，具有良好的應用效果。

關鍵詞：動力蓄電池;充電器;單片機;充電系統;開發

0? 引言

現階段，我國的能源供需問題日益突出，并已成為社會所廣泛關注的重點問題。人們的生活水平不斷提升，汽車這種代步工具的應用越來越頻繁。眾所周知，電動汽車是一種清潔、環保的交通工具，能夠在一定程度上解決能源問題。但由于電動汽車的行駛主要依靠電能，電動汽車的充電損傷問題成為制約電動汽車普及推廣的一項關鍵問題。基于此，本文以某公司單片機的電動汽車充電系統開發為例，探討基于NEC單片機的智能充電控制系統的快速充電策略，希望能夠為相關的技術人員提供理論幫助和指導建議。

1? 充電方式設計及充電系統的硬件設計

1.1 充電方式設計

當前，傳統的充電方式主要包括恒壓充電方式、恒流充電方式、階段充電方式等。這些充電方式在實際應用過程中具有操作簡便的優勢，但由于所需充電時間較長，需要耗費一定的時間資源。而針對電動汽車的充電問題，國內外的相關學者提出了諸多能夠實現快速充電的方法。例如：脈沖間歇充電法、變電流間歇充電法等等。某公司電動汽車充電方式的設計，主要綜合以上各類充電方法的優點。通過對一些充電缺點進行調整，能夠滿足電動汽車充電的實際需求。本文設計了一種實現快速、高效充電的慢脈沖快速充電系統。在應用時，可以確保電動汽車的蓄電池不受電流的損害，而且充電效率更高，所用時間更短。具體的設計思路如下：首先，整個充電過程分為1、2兩段。在充電時，1段主要以恒流慢脈沖的方式進行充電，2段則以恒壓慢脈沖的方式充電。在充電初始階段，采取大電流、小電流交替充電的維持狀態進行充電。在此過程中，小電流充電維持時間較短，大約為3～11秒。應用這種交替模式進行充電，能夠起到保護電路的作用。

1.2 充電控制系統的硬件設計

首先，充電控制系統的組成主要包括：充電控制系統、電源變換電路。在總體結構設計時，考慮到電動汽車充電的實際需求，選擇兩級結構電源變換電路。在設計時，為了更好的滿足實際充電的需求，將APFC變換電路設置為一級，采用380V直流電壓。DIC/DC變換電路為汽車充電電池組所需的充電電壓（可調）。鉛酸電池充電電壓范圍為59～78.9V。針對電動汽車充電控制系統的電路設計，主要涵蓋采樣電路、外圍電路、PWM波產生電路幾個部分。在對控制電路進行設計時，需要滿足充電過程中，控制電路對充電器輸出電壓電流信號的精準采樣功能。

除此之外，在進行控制充電器設計工作中，相關的技術人員需要按照原設定輸出電壓電流值。在運行過程中，由相關技術人員對充電器的開關管進行驅動。充電過程中，若出現電路過溫的問題，需要對PWM輸出進行管段，確保充電電源實現限功率輸出措施，從而避免電路過溫引發一些充電事故，實現了電路的故障回避功能，進而增加了電路安全性。在進行單片機設計時，選擇NEC監控保護的控制器。由于在實際應用中，該控制器能夠實現對快充電流的控制，具有速度快、安全性高、體積小等優勢。進行外圍電路設計時，選擇1KB數據存儲器、46KB程序存儲器、異步串口、A/D轉換器、定時器等元件。單片機的外圍電路選擇液晶顯示電路、AD電路。

1.3 電壓電流采樣電路的設計

針對電壓電流采樣電路的設計，其主要任務需實現對電動汽車蓄電池兩端充電電流數值、充電電壓數值的實時采集。采集完成后，需要將上述數據分別送入PWM波產生電路以及單片機中，對其進行處理。最終能夠得到電流的控制信號。借助電流的控制信號，能夠對電動汽車主電路MOS管進行控制，進而掌握MOS管的通斷，以便于隨時改變充電電壓、充電電流的實時狀態。輸出電壓BAT+經過分壓電阻分壓，借助模擬信號，輸入到各個通道中，實現相關的電壓反饋。此時，依照單片機運行過程中所輸入的選通信號，能夠對輸出電壓的情況進行確定，選擇輸出電壓為伏壓或者為恒壓。反饋信號經過低通濾波，傳送至單片機。在這一步驟中，經過硬件控制回路，能夠為單片機的控制算法提供相應的數值依據。借助霍爾電流傳感器，能夠對此時流經電路的直流充電電流進行采集。傳感器副邊輸出的電流流經串聯電阻網絡。電流流經模擬通道，此時能夠輸入1.7V的反饋電壓。經證明，由于單片機的選型不同，其選通通道也會存在一定的差異。這樣就會對最終的數據造成一定干擾，使得數據出現偏差。而后，傳輸反饋信號至硬件控制回路，可以實現對不同電流的收集與處理功能。最終通過單片機控制器，實現電動汽車系統的慢脈沖快速充電。

1.4 PWM波產生電路的設計

在對PWM波產生電路進行設計時，需要考慮到單片機控制器開銷較大的問題。若此時PWM信號進行傳輸，則需采用與之匹配的專業傳輸模塊（SC3525A模塊）。針對PWM波產生電路的設計工作，應由專業的電路設計人員進行總體電路的規劃。在這一步驟中，2腳是誤差放大器的同相輸入端。將輸出的電路接入選通，最終能夠決定誤差放大器的輸出數值。而將輸出電流傳送到PWM的反相輸入端。通過將輸出電流與反向輸入電流進行對比，根據鋸齒波電壓的比較數值，能夠得到電壓電流的脈沖信號。沖脈信號是存在變化的，經過脈沖分配雙穩態觸發器，實現電流輸出，將之傳送到10腳、15腳，從而生成雙脈沖。借助隔離驅動電路波，能夠對雙脈沖進行電氣隔離，并實現脈沖的放大功能。應用MOS管，可以實現這一階段的電流功率變換。將硬件關閉PWM電路于8腳進行連接，這樣就能夠實現故障產生時PWM的自動關閉，起到系統的保護作用。圖1為PWM波產生電路的設計。

2? 充電控制系統的軟件設計以及充電實驗

2.1 充電控制系統的軟件設計

針對單片機慢脈沖快速充電的控制系統軟件設計，具體思路如下：首先，考慮到充電控制的要求，操作人員在接通電源后，此時應由單片機控制充電器，對其進行充電前的初始化。單片機充電器的初始化設置主要包括：電池安裝是否到位，電池是否能夠正常進行充電。初始化完成后，滿足上述條件，由單片機控制，繼電器為電動汽車的系統進行供電。系統待機等待充電啟/停操作后正式開始充電。滿脈沖快速充電的控制系統在充電時，主要經歷以下幾個階段。首先，控制系統的恢復性充電階段。以小電流對蓄電池進行充電。其主要目的為在充電的初期階段，實現對蓄電池內部反應物質的激活。防止在后續充電過程中，對電動汽車蓄電池造成傷害。需要特別注意的是，此階段的充電需要持續3～5分鐘。而后，進入到恒流慢脈沖充電階段。在這一階段，首先應經過電流的測試試驗，最終根據試驗結果，選定采用60A電流和5A電流交替的恒流充電方式，向蓄電池進行供電。其中，5min的60A大電流;1min的5A小電流。完成這一階段的充電，電動汽車的蓄電池含電量已經能夠達到75%左右。而后進入到恒壓慢脈沖充電階段。恒壓慢脈沖充電階段主要以恒定電壓對蓄電池進行充電。本文采取恒定的60V電壓充電3min，并且同時以小電流1min的方式，對蓄電設備進行交替充電。這一充電階段的結束，需要根據電動汽車蓄電池端電壓是否存在負增量進行判斷。若此時電動汽車蓄電池端電壓存在負增量，則立刻結束充電，關掉相關的控制按鈕。接下來進入到涓流充電階段。涓流充電階段也是最后的一個階段。在此過程中，主要采用小電流，對蓄電池進行充電，直至達到規定的充電時間，整個基于單片機的電動汽車系統充電完畢。在上述的充電過程中，通過應用軟件抗干擾的方式，能夠有效解決充電過程中電磁干擾的問題。當A/D采集時，除了采取必要的硬件濾波措施，才可以應用滑動平均值法，對軟件進行濾波，從而有效的提高了采集精度，確保充電的高效率。與此同時，選擇此種充電方式，還有利于電動汽車蓄電池的散熱，避免由于長時間的充電，造成蓄電池內部溫度過高，從而容易引發不必要的充電事故。線性插值能夠對環境溫度展開測量，等于在無形中增加了電動汽車充電的安全性。而且，借助裝置中所配備的熱敏電阻傳感器，利用微處理器，能夠將充電過程中所采集到的相關電壓數值，能夠取得相關的實際溫度值。這樣一來，既能夠保證溫度值測量的精度要求，同時還能夠有效的減少存儲空間的占用。

2.2 充電試驗結果分析

上述主要基于單片機的電動汽車充電設計系統進行了論述。為進一步研究恒流慢脈沖充電充電模式，相關技術人員展開了充電試驗。該試驗主要模擬正常的恒流慢脈沖與多級恒流充電模式下，電動汽車的實際充電狀況以及蓄電池的使用情況。

經驗證，恒流慢脈沖充電模式恒流慢脈沖充電實驗結果顯示：應用上述充電系統設計方法，在充電2小時內，電動汽車的內電池電量可以達到95Ah，占電動汽車電池額定容量的80%。而后持續對其進行充電，當充電時間達到4.5小時后，內電池電量為電池額定容量的93%。由此可見，整個試驗過程中，應用單片機的電動汽車充電設計方法，電動汽車的充電效率可以達到80%，升溫幅度大約在12～16℃范圍內。

3? 結論

綜上所述，當前，我國電動汽車的應用范圍正在不斷擴大。電動汽車作為環保、科學、高效的代步工具，也已經逐步被人們所接納。為了更好的解決電動汽車的充電問題，本文主要論述了基于單片機的電動汽車充電設計系統的開發，并對其充電模式、軟硬件系統進行了總體的設計。經實驗證明：采用慢脈沖充電方式與多級恒流充電方式相結合，能夠有效提升充電的效率，確保電動汽車的快速充電安全。應用此種方法，能夠有效提高電動汽車蓄電池的使用壽命，而且充電耗時更短，充電過程中的無損功力更少。隨著我國電動汽車領域的不斷發展，基于單片機的車載充電器的應用將會越來越廣泛，市場前景廣闊。

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