一種電動(dòng)汽車車載高頻智能充電機(jī)的設(shè)計(jì)研究

孫華雨，郭三刺

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 新鄭 451191）

一種電動(dòng)汽車車載高頻智能充電機(jī)的設(shè)計(jì)研究

孫華雨，郭三刺

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 新鄭 451191）

采用單片機(jī)和充電集成電路進(jìn)行充電機(jī)的設(shè)計(jì)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一般的蓄電池進(jìn)行充電，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的過壓、溫度等保護(hù)功能，從而可以充分發(fā)揮蓄電池的性能，延長(zhǎng)電池的使用壽命，并避免簡(jiǎn)易充電器在充電時(shí)可能對(duì)電池造成損害的情況發(fā)生。

電動(dòng)汽車；車載；高頻；智能充電機(jī)

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)06-28-02

引言

面臨環(huán)境污染和能源的壓力，國(guó)內(nèi)外汽車廠商都十分重視研究開發(fā)電動(dòng)汽車，各國(guó)國(guó)家不惜投入巨資進(jìn)行研究開發(fā)，并制定了相關(guān)的政策推動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展。電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的重要配套工程，相關(guān)的研究與開發(fā)工作也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，其研究方向主要集中在智能化快速充電技術(shù)、電池充放電安全管理，提高充電機(jī)的效率和功率密度，實(shí)現(xiàn)充電機(jī)的小型化、提高功率因素、減小充電機(jī)對(duì)電網(wǎng)的污染等方面。未來充電裝置的發(fā)展趨勢(shì)為智能化、高效率、高功率密度、高功率因數(shù)、高可靠性、小型化、方便維護(hù)與安裝。

目前國(guó)內(nèi)使用較多的為車載式充電機(jī)，但是由于沒有遵從蓄電池內(nèi)部的物理和化學(xué)規(guī)律進(jìn)行合理的充電，大大降低了蓄電池的使用壽命，且硬件結(jié)構(gòu)上采用的多為可控硅控制，由于不是智能控制，其效果不是很理想，故障也很多[1]。

1、充電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)“電動(dòng)汽車車載高頻智能充電機(jī)”采用單片機(jī)為主要控制核心。主要包括AC/DC變換器、IGBT 功率模塊、高頻變壓器、整流濾波電路、單片機(jī)控制電路、脈沖調(diào)寬電路以及狀態(tài)顯示電路等。整個(gè)電路采用了AC/DC-DC/DC的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其中AC/DC變換采用全橋式拓?fù)洹？刂齐娐返目刂圃硎峭ㄟ^對(duì)主電路的逆變部分的PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)節(jié)，控制IGBT開關(guān)管導(dǎo)通、關(guān)閉的時(shí)間，以達(dá)到控制主電路輸出部分的電 壓、電流的大小, 其控制部分還包括對(duì)電流、電壓、溫度的采集監(jiān)測(cè)以及實(shí)時(shí)顯示。

2、充電機(jī)的主要電路設(shè)計(jì)

2.1 APFC電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇工作于連續(xù)調(diào)制模式下的平均電流型升壓式APFC電路來實(shí)現(xiàn)較為合適。由ICE2PCS01構(gòu)成的有源功率因數(shù)校正電路具體的電路設(shè)計(jì)下圖2所示。

2.2 充電控制電路的設(shè)計(jì)

充電控制電路采用C8051F040 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，該芯片是完全集成混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC ），具有與8051指令集完全兼容的CIP-51 內(nèi)核。它在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。這些外設(shè)或功能部件包括：ADC、可編程增益放大器、DAC、溫度傳感器、I2C 總線、UART、SPI、定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器、定時(shí)器陣列等。內(nèi)置64K 字節(jié)的 Flash程序存儲(chǔ)器和 256B的內(nèi)部RAM及4KB 位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的XRAM 。C8051F040 具有片內(nèi) JTAG 調(diào)試電路，通過 4 腳JTAG 接口并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的器件就可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。由于其具有多達(dá) 8路12 位ADC和8 路8 位ADC，能對(duì)來自端口PORTC的單端輸入電壓、電流進(jìn)行采樣。6 通道PWM，片內(nèi)可編程看門狗定時(shí)器，可大大簡(jiǎn)化單片機(jī)控制電路的外圍設(shè)計(jì)和保證了程序的安全運(yùn)行。ADC負(fù)責(zé)對(duì)充電時(shí)電壓，電流，I2C 負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集，PWM 輸出充電時(shí)電壓電流的基準(zhǔn)值到到比較電路，同時(shí)單片機(jī)控制開關(guān)電源控制模塊UCC3895。

2.3 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

● 電壓檢測(cè)電路：

電壓采樣電路由精密電阻和可調(diào)電阻構(gòu)成，該電路采用單片機(jī)內(nèi)部自帶12位AD轉(zhuǎn)換，減少了設(shè)計(jì)電路的復(fù)雜性，并提高了可靠性和精度，為了抵抗電氣干擾和高壓電擊，該電路采用高速隔離光藕PC81 7 隔離。

● 電流檢測(cè)電路：

一般進(jìn)行電流采集時(shí)在電路中串聯(lián)一個(gè)阻值很小的取樣電阻，把取樣電阻上的電壓輸入單片機(jī)轉(zhuǎn)換通道，進(jìn)行 A／D 轉(zhuǎn)換，再通過計(jì)算把電壓值轉(zhuǎn)換為電流值。但由于本方案中充電電流較大，使用電阻采樣會(huì)消耗點(diǎn)較多的功率，因此，本方案使用電流互感器進(jìn)行電流采樣。

● 溫度檢測(cè)電路：

溫度采樣采用溫度傳感器LM92。常溫下，測(cè)溫精度可達(dá)到正負(fù)0.33 度，并可與用戶設(shè)置的溫度點(diǎn)進(jìn)行比較。通過I2C 總線接口可對(duì)該傳感器的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作。其編程容易，使用方便，在高精度溫度測(cè)量及控溫過程中得到廣泛應(yīng)用。

2.4 狀態(tài)液晶顯示模塊電路

選用LCD1286A 點(diǎn)陣液晶顯示屏作為狀態(tài)顯示。液晶顯示模塊電路可直接與單片機(jī)C8051F040 的I/O 口的P5和P3連接，.P5 作為數(shù)據(jù)口(D0～D7)；P3.0、P3.1、P3.2、P3.3、P3.4和P3.5連接液晶模塊的6 條信號(hào)線LCDD/I，LCDR/W，LCDE，LCDCS1，LCDCS2和LCDRST 控制液晶的讀/ 寫操作。在充電的每個(gè)階段均有狀態(tài)顯示，如：電池處于正在充電狀態(tài)、電池因溫度過高進(jìn)入溫控狀態(tài)、電池快充結(jié)束充電狀態(tài)等。

2.5 軟件設(shè)計(jì)

本充電機(jī)采用模塊式結(jié)構(gòu)，主要由初始化程序、充電方式設(shè)置模塊、預(yù)處理模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、D／A轉(zhuǎn)換模塊、定時(shí)模塊和顯示模塊等部分組成。其中，充電方式設(shè)置模塊用于設(shè)置電池類型和充電方式；A／D轉(zhuǎn)換模塊用于檢測(cè)電池的電壓和溫度，以確定是否終止充電過程；系統(tǒng)程序的流程圖如圖3所示[2]。

3、結(jié)論

本產(chǎn)品采用多種算法，可根據(jù)電池類型選用相應(yīng)的充電曲線，對(duì)鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池等常用電池進(jìn)行充電，滿足多種類型電動(dòng)汽車的應(yīng)用，適用范圍廣。將不同電池類型的充電曲線數(shù)據(jù)及算法輸入充電機(jī)控制芯片，通過軟件程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種電池類型的自動(dòng)選擇，智能充電，無需手動(dòng)調(diào)節(jié)，并且能實(shí)現(xiàn)多種保護(hù)功能，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。

[1] 陳清泉,孫逢春等.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù).北京理工大學(xué)出版社.

[2] 王曉明.電動(dòng)汽車智能充電機(jī)設(shè)計(jì)研究.中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)2003學(xué)術(shù)年會(huì).

Design and research for an electric motor vehicle high-frequency smart charger

Sun Huayu, Guo Sanci
( Henan mechanical and electrical vocational college, Henan Xinzheng 451191 )

Single chip and microcomputer integrated circuit are used for the design of the charger, it does not only can make the general battery recharged, but also can realize the corresponding over voltage, temperature and so on, which are protection function, which succeed in fulfilling the performance of the battery, and prolong the service life of the battery, and so it is avoided when simple chargers may cause damage to the battery.

Electric cars; vehicle-mounted; high frequency; smart charger

U463.6

A

1671-7988(2015)06-28-02

孫華雨，河南扶溝人，碩士研究生。