电动汽车智能充电桩的设计

电动汽车智能充电桩的设计

王丽,孙俭

许继电气股份有限公司  河南许昌  461000

摘要：随着传统燃油汽车的增多，不可再生资源被大量消耗，而汽车尾气的大量产生，更是导致环境污染问题日益突出。为解决环境污染与能源紧张问题，全面控制机动车的数量、发展新能源汽车、摆脱对燃油的依赖、解决环境问题迫在眉睫。因此，电动汽车和智能充电桩的研究被世界所重视。因此本文设计了一种新型的智能充电桩，采用分段式的充电方法，大大节省了充电时间、提高了充电效率。经过试验验证，本文所设计的智能充电桩能够明显提升充电速度，提高了储能电池的使用寿命，对于电动汽车充电技术具有重要意义。

关键词：电动汽车；智能充电桩；快速充电

0引言

汽车作为常用交通工具，为人们出行提供了便利，但是，燃油汽车的增多，石油大量消耗，我国石油资源逐渐减少，若不加以控制，石油资源将最终枯竭。并且，燃油汽车排放尾气对人类环境带来严重污染。面对环境和能源带来的双重压力，国家越发重视燃油汽车的控制问题，并将绿色出行作为未来交通发展的重要准则。当前，电动汽车已经出现，却难以普及，因为，充电系统作为后勤保障，并不能实现快速充电，且缺乏安全保障。如何构建安全、低成本、便捷、高效的智能充电桩，对电动汽车的普及与长效发展具有重要意义。

1电动汽车智能充电装置的研究

1.1电动汽车智能充电装置

在电动汽车充能中，充电装置作为核心，主要分为两类，分别是：车载充电装置、非车载充电装置，前者结构简单，易于携带，该类装置重视的是如何将电能充入锂电池，并不考虑对电网的影响、电池特性与温度监控等，导致该类装置充电缓慢，还容易为电网带来污染与危害。后者属于地面充电桩，结构较为复杂，功率较大，充电速度较快，但是，在诸多城市中，并未得到普及。并且，非车载装置续航能力不足，充电便利性欠缺，仍然需要专业人员发展并完善。

1.2电动汽车智能充电要求

电动汽车发展中，为实现精准且快速的充电，应满足如下4点要求：①应保障充电系统的安全性，在充电中保障充电桩不会危害周围电网与人员安全。②应保障充电系统拥有快速充电能力，提高电动汽车续航能力，满足人们出行需求，以此推动电动汽车的发展。③智能充电设备必须拥有实时监测和保护能力，以此对电动汽车电池电量、所处安全状态等实施采集和监控，避免充电时出现过流、过压情况，损坏充电系统。④智能充电装置应具备24h运行能力，使电动汽车能够随时补充电能，增强电动汽车充能便利性。

2智能充电桩实现方案

根据智能充电桩的应用，并且结合智能充电桩各组成部分所能实现的功能，可以将智能充电桩划分为三个主要部分，即控制系统、人机交互系统、安全保护系统，具体的结构如图1所示。为了保证充电桩在对电动汽车的充电过程中保证设备与人员安全，设计了紧急停机单元和电气防护单元组成的安全保护系统，将实时采集到的充电电流、充电电压、动力电池温度等参数传送给TMS320LF2407进行运算，诊断充电桩当前的运行状态是否正常；紧急停机单元的功能是当充电桩运行中突发故障的情况下，触发保护设备动作，实现充电桩断电而保护设备安全，电气防护单元的目的是预防充电桩中可能出现的短路和漏电流现象带来的不良影响。

图1智能充电桩模块化结构

3快速充电策略

本文提出一种分段式充电策略实现对智能充电桩的充电控制。一共将充电阶段分为四个阶段，即预充电阶段、分段恒流充电阶段、正负脉冲充电阶段、恒电压充电阶段。

1）预充电阶段：这个阶段动力电池的SOC一般情况下不超过10%，其作用是保护电池。首先要检测动力电池的端电压，如果小于2.55V则说明动力电池处于过放电状态，需要进行小电流预充电，在进行快速充电之前进行小电流充电是十分必要的。在动力电池过放电状态时对其进行快速充电会造成动力电池的损伤。

2）分段恒流充电阶段：这个阶段要短时间内最大限度对电池进行无损充电，首先检测动力电池的端电压是否处于2.55V到3V之间，这个阶段动力电池的极化现象不明显，不需要进行去极化操作。将这个阶段细分为七个小阶段，使之与动力电池的可接受电流变化规律相匹配。这个阶段的最佳充电电流为：

其中，Q=C×SOC，C为动力电池总容量。这个阶段可以根据动力电池的当前容量确定充电电流的大小，从而使得充电电流接近动力电池的可接受电流，减少动力电池的极化现象，提高充电速度。3）正负脉冲充电阶段：这个阶段动力电池极化现象严重，采用正脉冲充电的同时，还需要加入去极化负脉冲。首先要检测动力电池的端电压值是否处于3V到3.3V之间。这个阶段动力电池的端电压已经接近3.3V，不适合进行大电流充电，况且之前阶段由于大电流充电造成动力电池的极化现象比较严重。如果

要缩短充电时间可以在采用正脉冲充电的同时，在正脉冲结束后加入一个短暂停歇和一个负脉冲，负脉冲的持续时间与动力电池的极化程度相关。根据动态等效模型可以得到电压电流方程为：

4）恒电压充电阶段：这个阶段对动力电池进行恒电压充电，直到动力电池端电压达到3.4V为止，这个电压是动力电池可以长时间维持的最高电压。

4智能充电桩硬件核心部分

4.1微处理器

微处理器单元选择TI公司的TMS320LF2407芯片，该芯片已经在大功率充电系统中取得了较为广泛的应用。其主要特点为：采用3.3V供电，控制器功耗低；指令周期短，执行速度快，控制效果好；片内FLASH为32KB；外部存储空间、程序存储空间、数据存储空间等均可扩展；具有两个事件管理器；10bit的模数转换器，转换速度可达500ns；具备CAN接口、SPI接口、SCI接口；基于锁相环原理的时钟发生器；可独立编程的通用GPIO引脚。

4.2充电单元电路

充电单元作为智能充电桩的核心，决定了智能充电桩的性能，采用开关电源进行充电单元电路的设计，该电路主要由三部分构成，即三相桥式整流电路、全桥功率变换电路、放电去极化电路。充电单元电路原理如图2所示。

图2充电单元电路原理

1）三相桥式整流电路：其功能是将输入的三相工频交流电（380V/50Hz）进行整流，输出直流电，实现交流电到直流电的变换。

2）全桥功率变换电路：通过4个IGBT将前级电路输出的直流电转化为高频脉冲交流电，再经过高频变压器降压，输出充电电路所需的高频脉冲交流电，再经过整流得到最终的直流电压。直流电压的大小由IGBT的通断时间和高频变压器的匝数比共同决定，实现了直流电到交流电，再到直流电的变换，直流电输出可控。

3）放电去极化电路：由DSP控制IGBT，从而可以对动力电池进行指定电流放电，从而抑制充电过程中产生的极化现象，更好地实现对电动汽车动力电池的充电。

5功能测试

为了证明基于分段式快速充电策略对于电动汽车动力电池的充电效果，得到其充电总时长为3400s，充电结束时的动力电池容量为99.99%，试验数据如表1所示。

表1基于分段式快速充电策略试验数据

将基于分段式充电与四段式充电和脉冲式充电的试验数据进行比较如表2所示。

表2三种试验数据对比

从表2中数据可以明显看出，三种充电方法中，充电效果最佳的是基于分段式快速充电策略。基于分段式快速充电策略能够很好地实现对电动汽车动力电池的充电控制，所耗时间最短，动力电池端电压最高。

6结束语

在汽车工业飞速发展的今天，由于汽车尾气排放造成的环境污染问题逐步加剧。总而言之，在电动汽车推广普及过程中，充电桩作为其发展的基石，想要发展电动汽车，控制燃油汽车数量，降低汽车尾气污染与石油能源消耗，应不断完善充电桩设计，解决电动汽车充电问题。对此，在充电桩设计中，应全面考虑环境因素、车主需求以及电动汽车电池寿命等情况，提高充电桩的智能化水平，推动电动汽车的发展壮大，提高我国生态效益。

参考文献

[1]张晓军，谢辉迪，许剑锐，等.基于STM32的智能充电桩嵌入式控制系统设计[J].电子测量技术，2017，10（11）：21-23.

[2]李丽颖，张金花，佘勃，等.基于STM32F103C8T6单片机的电动车智能充电桩计费系统设计[J].南方农机，2020，9（7）：11-13.