電動汽車智能充電的設(shè)計

文/蘇向上　趙亮

近年來，隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展正面臨著很大困境，提倡新能源的開發(fā)與利用已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的唯一出路。這也使新能源的相關(guān)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，電動汽車便是以新能源技術(shù)作為核心而研發(fā)出的產(chǎn)物。不過，由于電動汽車的續(xù)航能力較差，這也使充電問題成為電動汽車發(fā)展過程中面臨的一大難題。研發(fā)一種能夠?qū)﹄妱悠囘M(jìn)行精準(zhǔn)、高效、安全的智能充電系統(tǒng)，對于提高電動汽車?yán)m(xù)航能力、保障自然生態(tài)環(huán)境、緩解能源枯竭形勢有著十分重要的意義。

1　電動汽車智能充電的研究

1.1　電動汽車智能充電裝置

電動汽車在充電過程中，其核心在于充電裝置，充電裝置大置可分為兩類，分別是車載充電裝置與非車載充電裝置，車載充電裝置易于攜帶、結(jié)構(gòu)簡單，但該類充電裝置只重視如何將電充進(jìn)鋰電池當(dāng)中，而在電網(wǎng)影響、溫度監(jiān)控以及電池特性等方面則沒有進(jìn)行全面的考慮，這也使其在充電速度上較慢，并且極易給電網(wǎng)造成污染和危害。非車載充電裝置則屬于一種地面充電樁，這種充電裝置的功率往往較大，在充電速度上也比較快，不過現(xiàn)階段在許多城市中還尚未得到應(yīng)用，并且該類充電裝置的續(xù)航能力較差，在充電上也較為不便，這也使其仍舊需要很長一段時間的發(fā)展與完善。

1.2　電動汽車智能充電的要求

對于電動汽車來說，要想實現(xiàn)電動汽車的精準(zhǔn)、快速充電，就必須要滿足以下要求：

（1）充電系統(tǒng)的安全性必須要有保障，在充電過程中確保其不會對電網(wǎng)及周邊人或物造成危害；

（2）智能充電系統(tǒng)應(yīng)具備快速充電的特點，以此提高電動汽車的續(xù)航能力；

（3）智能充電系統(tǒng)應(yīng)具備實時監(jiān)測與保護(hù)功能，其能夠?qū)﹄妱悠囍械碾姵仉娏?、安全狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的采集與監(jiān)控，并避免在充電過程中因過流或過壓等原因而造成充電系統(tǒng)損壞；

（4）智能充電系統(tǒng)應(yīng)便于攜帶，以利于電動汽車能夠隨時隨地的進(jìn)行充電，提高電動汽車充電的便捷性。

2　電動汽車智能充電系統(tǒng)設(shè)計

為了使智能充電系統(tǒng)能夠滿足上述使用要求，本文設(shè)計了一種智能充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備較高的安全性、快速性與便捷性，能夠?qū)﹄妱悠囍械碾姵貭顟B(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)、快速的充電，并且其還能在充電過程中防止過流或過壓對系統(tǒng)造成破壞。

2.1　總體方案的設(shè)計

由220VAC/16A的家用電網(wǎng)充當(dāng)電動汽車智能充電系統(tǒng)的主電源，其輸出功率為3.3kW，其對電動汽車電池BMS單元的控制是通過CAN接口來實現(xiàn)的，在充電過程中，當(dāng)遇到瞬時電流過大狀況時，系統(tǒng)會自動將瞬時電流限制成其自身能夠承受的最大電流值，而當(dāng)遇到過壓或欠壓狀況時，系統(tǒng)則會停止充電，待電壓恢復(fù)正常后會重新進(jìn)行充電。該系統(tǒng)能夠?qū)涣骶€路中的電流進(jìn)行實時監(jiān)測，并對充電的電流進(jìn)行限制，以預(yù)防瞬時電流超出其最大值16A。當(dāng)電動汽車在運行過程中，嚴(yán)禁利用智能充電系統(tǒng)進(jìn)行充電，只有在電動汽車完全停止后，系統(tǒng)才會允許駕駛員進(jìn)行充電操作。該系統(tǒng)的電源利用PFC功率因數(shù)校正電路、濾波器及整流器來對交流電實施隔離轉(zhuǎn)換，以此實現(xiàn)對電動汽車鋰電池的快速充電，同時通過通訊電路和電池中的BMS單元進(jìn)行通訊。在充電過程中，系統(tǒng)會對其進(jìn)行實時監(jiān)控，并通過CAN總線來下達(dá)充電、中斷等控制命令。

2.2　智能充電模塊設(shè)計

為了避免系統(tǒng)在充電時發(fā)出大量諧波而造成電網(wǎng)污染，因此需要對其總諧波量進(jìn)行限制，通過UCC28070來對PFC功率因數(shù)校正電路進(jìn)行設(shè)計可以有效解決這一問題。在恒流階段中，系統(tǒng)會對充電電流進(jìn)行限制，以此確保輸入電壓能夠平穩(wěn)過渡到恒壓階段。

2.3　電池數(shù)據(jù)采集模塊

電動汽車智能充電系統(tǒng)能夠?qū)﹄姵刂械碾娏鳌㈦妷杭皽囟鹊葼顟B(tài)信息進(jìn)行實時采集與監(jiān)測，在該系統(tǒng)中設(shè)置有JLD4U2P2型電壓傳感器、JLK-7型電流傳感器、DS18B20型溫度傳感器，通過這些傳感器的利用來實現(xiàn)電池電壓、電流及溫度的數(shù)據(jù)測量與監(jiān)測，其中，溫度傳感器可進(jìn)行多個串聯(lián)設(shè)置，以此確保其能夠?qū)﹄妱悠囍械亩鄠€電池溫度進(jìn)行同時采集，其不僅成本較低，而且構(gòu)造也較為簡單，能夠在不同的環(huán)境下實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時采集與監(jiān)測功能。

2.4　電池管理控制設(shè)計

圖1：智能充電系統(tǒng)的智能充電曲線示意圖

電動汽車智能充電系統(tǒng)中的電池管理控制單元主要是利用PIC18F66K80單片機來實現(xiàn)其控制功能的，它能夠?qū)﹄姵刂蠦MS單元的全部功能進(jìn)行控制。為了節(jié)省系統(tǒng)的能量消耗，PIC18F66K80單片機的工作模式采用了喚醒模式。在單片機中還擴展有12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，該轉(zhuǎn)換模塊自帶有11個轉(zhuǎn)換通道。此外，單片機中還設(shè)置有相應(yīng)的CAN通訊接口、64KB閃存存儲器、1024字節(jié)EEPROM以及能夠進(jìn)行尋址的兩個USART串行接口。該系統(tǒng)利用傳感器來對電池中的電壓、溫度及電流等信息進(jìn)行采集，并發(fā)送給PIC18F66K80單片機，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，來對電池的SOC狀態(tài)進(jìn)行估算，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于SOC估算的時間較長會造成漂移問題，影響SOC估算結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此需要對SOC進(jìn)行定期的檢準(zhǔn)。BMS控制單元所下達(dá)的數(shù)據(jù)接收等命令是利用CAN總線來實現(xiàn)的，在單片機中設(shè)置有CAN控制器，并利用TJA1040外部收發(fā)器與CAN控制器中的收發(fā)模塊電路來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)通訊功能。

2.5　智能充電系統(tǒng)的具體流程分析

如圖1所示為智能充電系統(tǒng)的智能充電曲線示意圖。

從圖1中可知該系統(tǒng)的輸入電壓在176V/AC至264V/AC之間，其輸出電壓則可達(dá)到250V/DC至390V/DC，輸出功率為3.3kW，其最高電流輸出為13A，由此表明該系統(tǒng)的運行穩(wěn)定。電動汽車智能充電系統(tǒng)的具體流程是：當(dāng)智能充電系統(tǒng)與交流電源連接時，系統(tǒng)會對自身狀態(tài)進(jìn)行自檢，在自檢通過后，系統(tǒng)會對交流電源進(jìn)行匹配。這時系統(tǒng)中的硬件電路會輸出單獨的12V直流電作為交流電源中的輔助電源，而系統(tǒng)軟件則會進(jìn)行邏輯分析，并對輸出的輔助電源進(jìn)行檢測，只有在檢測到輔助電源后，系統(tǒng)才會利用硬件連接來激活BMS單元，待BMS激活后，BMS單元會將CAN總線信號發(fā)送給系統(tǒng)，由系統(tǒng)對CAN總線信號進(jìn)行檢測，以此確認(rèn)BMS單元是否被喚醒，在確認(rèn)以后，系統(tǒng)會將準(zhǔn)備信號發(fā)送給BMS單元，此時的系統(tǒng)便處于準(zhǔn)備狀態(tài)。然后BMS單元在收到準(zhǔn)備信號后，會將使能信號傳輸?shù)较到y(tǒng)當(dāng)中，這時系統(tǒng)便會從準(zhǔn)備狀態(tài)過渡到使能狀態(tài)。當(dāng)BMS單元中的各類傳感器對電池的溫度、電流及電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后，這時BMS會根據(jù)電池的實際狀態(tài)發(fā)送相應(yīng)的充電命令，并將這些采集的數(shù)據(jù)一并發(fā)送給系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)在接收到充電命令及數(shù)據(jù)以后，其內(nèi)部PLC單片機便會控制繼電器開啟，同時將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示屏中，駕駛員能夠通過顯示屏直觀的了解到電動汽車中的電池充電情況，從而實現(xiàn)電動汽車的智能充電。

3　結(jié)語

本文通過對電動汽車現(xiàn)有充電裝置的類型、優(yōu)缺點及其應(yīng)用要求進(jìn)行充分的分析，進(jìn)而提出一種能夠?qū)﹄妱悠囘M(jìn)行精準(zhǔn)、快速、安全充電的智能充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的充電效率快、安全系數(shù)高，并且能夠有效避免諧波對電網(wǎng)的污染，極大程度的提高了電動汽車的續(xù)航能力，有效解決了電動汽車充電難、耗能高、污染大等問題，這也使該系統(tǒng)具備了廣闊的發(fā)展空間與極高的應(yīng)用潛力。