非車載式電動汽車充電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的研究

李進波 劉晨

【摘 要】在非車載式電動汽車設(shè)備的開發(fā)設(shè)計過程中，主電路采用高頻開關(guān)技術(shù)，依托以單片機為核心的控制電路，利用串口和CAN總線實現(xiàn)充電設(shè)備與電動汽車電源管理系統(tǒng)的通信，從而快捷和準確地獲得電動汽車動力電池充電電壓、充電電流、充電時間、電量、溫度等狀態(tài)信息，并對相關(guān)的數(shù)據(jù)送入單片機進行分析和處理。通過控制程序和故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)良好的人機界面互動，有效地實現(xiàn)蓄電池的智能、快速、綠色和安全充電。

【關(guān)鍵詞】電動汽車;充電設(shè)備;單片機;監(jiān)控

【中圖分類號】U469.72 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）03-0079-03

0 引言

隨著環(huán)境污染問題日益突出，電動汽車作為減少化石燃料利用的有效手段得到了全社會越來越多的關(guān)注。電動汽車具有節(jié)能、高效、低排放等優(yōu)勢，關(guān)于電動汽車重中之重的動力電池和充電技術(shù)受到政府和汽車廠家的廣泛重視，并已取得了顯著的成果。常見的各類蓄電池充電方法主要包括恒定電流式、恒定電壓式、恒壓恒流式、脈沖電流式及智能充電等多種方法。

智能充電是目前電動汽車動力電池技術(shù)中一種先進的充電方法，也是未來充電技術(shù)發(fā)展的方向。在整個電池充電過程中，充電設(shè)備的監(jiān)控和通信單元根據(jù)電動汽車電池管理系統(tǒng)（簡稱BMS）傳來的電池實時信息參數(shù)進行監(jiān)控，并利用這些信息參數(shù)（如電流、電壓、溫升、單體電池一致性、時間、容量等），對當前電池的最大允許充電電流進行估算，不斷調(diào)整和適應，形成比較理想的充電曲線。本文主要研究STC98C52在非車載式電動汽車充電設(shè)備中的運用。

1 充電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的要求

電動汽車充電設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)是指監(jiān)控電池在充電過程中的參數(shù)和充電設(shè)備的運行信息，保證電動汽車充電設(shè)施的可靠性、安全性、高效性及自動化水平。

電動汽車的蓄電池在充放電過程中，通過充電設(shè)備的CAN總線，將車輛BMS和充電設(shè)備STC98C52單片機聯(lián)系起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;BMS將電池參數(shù)實時地傳送到充電設(shè)備，STC98C52根據(jù)BMS提供的信息參數(shù)改變自己的充電曲線，防止電池過度充電，保護電池。

2 充電設(shè)備設(shè)計

2.1 智能充電設(shè)備的工作原理

電動汽車充電設(shè)備在簡化后，本質(zhì)就是LLC諧振變換器和DC-DC轉(zhuǎn)換器，而充電控制系統(tǒng)是以單片機STC89C52為核心控制器，它管理著整個充電設(shè)備的操作流程，而EEPROM用于存放各種類型蓄電池的充電參數(shù)，以及在不加電的情況下保存電池各相關(guān)參數(shù)的設(shè)定值和保護值。監(jiān)視和控制系統(tǒng)接收控制指令并發(fā)送到充電設(shè)備的脈寬調(diào)制逆變電路，通過調(diào)節(jié)IGBT開關(guān)管的導通和關(guān)閉時間來控制輸出電壓、電流的大小。電動汽車充電設(shè)備的原理圖如圖1所示。

2.2 信息參數(shù)的采集（電壓、電流、溫度）

電池的信息參數(shù)的采集是充電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能之一。采集的對象是實時的充電電壓、充電電流、溫度、SOC、SOD等信息，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器以數(shù)字量的形式存入存儲器，STC89C52再對其進行分析、運算和處理。

（1）電壓信息。在實際的設(shè)計過程中，充電電壓要考慮到采集的電池信息參數(shù)既有幅度和有效值的差距，又有極性的不同，需對輸入電壓信號預處理，再通過氧化膜精密電阻進行比例衰減，經(jīng)RC濾波，再送A/D轉(zhuǎn)換器測量。

（2）電流信息。對于電流信息參數(shù)的采集，采用適合于大電流檢測的霍爾傳感器。霍爾傳感器靈敏度高、線性度和穩(wěn)定性好，通過磁電轉(zhuǎn)換，使得信號測量回路和執(zhí)行主回路之間隔離。充電電流通過霍爾傳感器和電阻按比例大小變換成電壓信號，再輸入到A/D端口。

（3）溫度信息。溫度信息包括充電設(shè)備和電池兩個方面。蓄電池在充電過程中溫升會有一些變化，溫度過高影響充電效率，利用從BMS獲得的電池溫度，實時地調(diào)整充電電流，防止過充和欠充。充電設(shè)備的溫度測量一般選用單線數(shù)字溫度傳感器，一旦檢測到溫度超標，將降低輸出電流，直至關(guān)閉輸出。

2.3 串口電路和CAN總線設(shè)計

充電設(shè)備中串行和CAN總線通信電路的功能是實現(xiàn)STC89C52與電池管理系統(tǒng)BMS之間、STC89C52與主控計算機（需要時）之間的通信，從而把電池信息參數(shù)傳到STC89C52，使其能夠?qū)崟r地確定合適的充電策略?？紤]信號傳輸質(zhì)量和抗干擾，充電設(shè)備與車輛BMS之間采用RS485接口。對于功率超過20 kW的充電設(shè)備，各功率模塊單元采用并聯(lián)的方式，具備容錯性，根據(jù)充電電流的大小，由RS485實時地接通和關(guān)閉擴展模塊。

例如聯(lián)網(wǎng)、建充電站時，便攜式充電機或充電樁與站用主控計算機之間通過CAN總線進行數(shù)據(jù)通信。在充電設(shè)備設(shè)計時，可以預留CAN總線接口。

2.4 充電設(shè)備監(jiān)控

智能式的電動汽車充電設(shè)備的特點在于其監(jiān)控系統(tǒng)以單片機STC89C52為核心介質(zhì)，在Linux操作系統(tǒng)上開發(fā)出應用程序;STC89C52完成對充電設(shè)備實時狀態(tài)的監(jiān)測、分析、運算，并進行處理、顯示、通信等任務。需要開發(fā)、編寫的監(jiān)控軟件有主程序（主程序流程圖如圖2所示）、顯示子程序、常規(guī)充電子程序、維護充電子程序等，并配合充電設(shè)備，可以實現(xiàn)如下主要功能。

（1）具備自動充滿電的能力。充電設(shè)備依據(jù)采集的車輛電池信息參數(shù)能動態(tài)調(diào)節(jié)輸出的充電電壓、充電電壓幅值，執(zhí)行相應的動作，自動完成充電過程。

（2）具備手動充電控制的人機交互功能。在充電前和充電過程中，由設(shè)備操作者通過液晶觸摸屏設(shè)置或改變充電參數(shù)，充電設(shè)備根據(jù)設(shè)定的參數(shù)予以執(zhí)行，完成充電過程;操作者可隨時關(guān)閉設(shè)備。

（3）具備CAN與BMS高速通信功能。自動判斷充電槍是否正確連接;采集整組和單體電池充電前和充電過程中的實時數(shù)據(jù)、故障告警信息。

2.5 充電設(shè)備安全性設(shè)計

在設(shè)計過程中，應充分考慮充電設(shè)備的可靠性、維修性、安全性、環(huán)境適應性，以及動力電池的安全性，同時考慮電子設(shè)備電磁兼容性。安全方面采取的主要硬件和軟件措施包括緊急停止充電按鈕，人工確認啟動充電，交流輸入過電壓保護，交流輸入欠電壓和缺相保護，交流輸入過電流保護，直流輸出過電流保護，以及單體電池電壓限制等多項保護和告警提示功能。

特例，充電過程中當啟動急停開關(guān)或發(fā)生故障時，充電設(shè)備須在50 ms內(nèi)將電流值降至5 A或100 ms內(nèi)斷開直流輸出接觸器，且充電槍輸出接口電壓在1 s內(nèi)下降至60 V以下，確保人身安全。

2.6 人機界面

在研發(fā)策劃時，要充分考慮方便用戶使用需求，通過軟件實現(xiàn)良好的人機界面。界面上可以顯示充電設(shè)備生產(chǎn)廠家，或顯示使用的充電站名稱，以及主要信息參數(shù)。人機互動界面主要包括歡迎界面、BMS握手界面、重新連接電纜界面、正在充電界面、故障顯示界面、充電結(jié)束界面等。

例如，“正在充電”界面如圖3所示。如果與BMS握手正常，就會進入正在充電界面，顯示SOC、電壓、電流和剩余的充電時間等信息。

3 充電設(shè)備測試

為測試應用了STC89C52監(jiān)控單元和半橋LLC諧振變換器的電動客車充電設(shè)備的充電能力和控制水平，將開發(fā)的便攜式充電機樣機連接電動汽車蓄電池組，通過預先設(shè)定的控制程序進行充電和模擬故障的控制測試，測試結(jié)果顯示充電設(shè)備發(fā)揮出優(yōu)秀的觸摸式軟開關(guān)能力，輸出的充電電壓、電流，實時的蓄電池電量，以及保護功能達到預期的目的。

4 結(jié)語

本項目的研究解決了電動汽車動力電池在快速、安全、可靠和智能充電方面存在的問題，提供了新的問題解決思路，對于該類產(chǎn)品的競爭力和生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展有一定的指導意義。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]