电动汽车智能充电机设计研究

电动汽车智能充电机设计研究

潘雪兵

广州南方电力集团科技发展有限公司广东广州510000

摘要：研究电动汽车智能充电机能够有效地缩短电动汽车的充电时间，提高充电效率，并保证电池的安全使用，对促进电动汽车的发展具有十分重要的意义。本文结合实例，详细介绍了电动汽车智能充电机的电路设计，并提出了充电机的充电控制策略，为有关需要提供参考借鉴。

关键词：电动汽车；充电机；电路设计；控制策略

随着石油资源的日趋紧张及环境污染问题的加剧，电动汽车以其节能环保，所需能源可再生，无尾气排放等优势得到了快速的发展，并有效地解决了化石燃料汽车的燃油及废气排放等问题。但是作为电动汽车动力源泉的电池制约着电动汽车的发展，如何优化电动汽车充电机的设计及充电控制，保证电池的使用安全及使用寿命是当前的一个重要课题。基于此，笔者进行了相关介绍。

1充电机电路设计

充电机是充电系统的重要组成部分，在充电过程中动力蓄电池单体电压、温度和电流不超过允许值。本设计使用的PIC16F873A为Microchip公司PIC16F87XA系列增强型Flash单片机，再编程功能可实现充电控制策略的定制。单片机根据蓄电池的充电特性和电压电流采集处理电路反馈的信号控制UC3846N，然后UC3846N输出不同占空比的PWM波控制功率管的通断，自动调节输出电压和电流，实现智能充电。该充电机控制系统具有温控过热保护功能，能够实时监控充电过程。本设计是适用于中小型电动汽车的小型化、便携式车载充电机，要达到充电快、效率高、维护方便的预期。充电机工作原理为：220V的市电经输入全桥整流滤波成310V的直流电，然后直流电经高频逆变器后成为脉宽可调的高频交流电，再经高频变压器耦合到副边，最后经输出整流滤波电路得到电压可调且纹波较小的直流电，接入蓄电池。

1.1总体设计

（1）充电机主电路设计

充电站主电路设计框图如图1所示，首先从电网上获取三相交流电，经过三相电压型PWM整流器整流以后变成直流，再将直流通过DC/DC变换转化为蓄电池充电所需要的电压值，从而对蓄电池进行充电。

2）充电方式

本文根据马斯提出的蓄电池最佳充电曲线结合各种充电方法的优缺点，选择合适的充电方式。在蓄电池充电初期电压较低，可接受的充电电流较大，选择电流较大的恒流（一般为1C，这里C是指电池容量，例如12Ah容量的电池用12A放电则放电率就是1C）充电保证在较短的时间内获得大量的电量。当电压达到设定值以后改为带放电的脉冲充电（充电电流一般为1～3C，放电电流一般为2～5C），当电池电量接近充满时，改为低恒压充电，以弥补由于蓄电池自放电而减少的电量。结合采用恒流、脉冲、低恒压3种方式对蓄电池进行充电，可有效减少充电时间，提高充电效率。充电曲线图如图2所示。

1.2蓄电池剩余电量检测方法

目前已有的剩余电量（SOC）检测方法中放电实验法只适用于电池检修;开路电压法需要较长的静置时间；内阻法精度很难提高；安时法存在累积误差；卡尔曼滤波对噪声有很好的抑制作用。因此本文采用安时法和卡尔曼滤波法结合估算蓄电池SOC可以减少误差，实现最优估算。安时法是最常用的SOC估算方法，已知充电初始电池剩余电量为SOC0，那么当前状态的剩余电量为：

（1）

式中：Cn———电池额定容量;

i（t）———电池瞬时电流;

η———库伦效率系数．

卡尔曼滤波算法结构流程图如图3所示．

SOC为系统状态的分量．对式（1）进行零阶保持采样离散化后得到系统状态方程：

式（2）中zk为k时刻电池的SOC，结合电池的模型预测估计蓄电池电压如下：

式中：yk———电池负载电压;

ik———电池负载电流;

Ｒ———电池内阻；

k0，k1，k2，k3，k4———电池模型的模型系数．

结合式（2）和式（3）用卡尔曼滤波法可直接递推估算出蓄电池SOC。

1.3停充控制方法

在蓄电池快速充电过程中，当电池充满电后，如果仍然继续充电，电池的温度将迅速上升，同时端电压会有所下降，因此为了保证电池既能充足电又不过充电，本文采用温度控制和电压负增量控制相结合的综合控制方法控制蓄电池停充，可简单表述如下：

式中：T———电池温度;

Tmax———电池充满电量时电池的最大温度;

Δu/Δt———电压增量．

2系统软件设计

如上文所述，系统的充电控制由TMS320F2812芯片实现，对充电电压、充电电流、蓄电池的端电压和温度等进行采样分析和处理，通过处理过的电流电压温度等信号，判断应用何种充电方式，实时调整电路开关IGBT的占空比，控制充电电流大小与时间。控制流程如图4所示。

3实验结果

根据上述通用型电动汽车充电机结构，在Matlab/Simulink中对其进行仿真，设定电池额定电压为12V，电池额定容量为27Ah，初始剩余电量为零，开始时使用27A恒流对其充电，当电池电压达到设定值13.4V（这里电压设定值为经验值），转化为正脉冲为54A的脉冲充电。充电蓄电池剩余电量随时间变化以及电池电压随时间变化曲线如图5所示．

4结语

综上所述，电动汽车电池的充电过程对电池的影响巨大，关系到电动汽车的使用寿命。因此，要对电动汽车智能充电机展开研究，对电动汽车智能充电机的电路设计及充电控制进行分析，选择合理的设计方案进行设计，并采取科学的策略对充电机的充电过程进行有效地控制，从而在保证电动汽车电池充电效率的同时，保障电池的使用安全及使用寿命，促进电动汽车的健康发展。

参考文献：

[1]文滨.电动汽车充电的智能控制策略及系统集成设计研究[D].湖南大学.2013

[2]邓宏伟.电动汽车车载充电机的研究与电路设计[D].华南理工大学.2013