非車載式電動(dòng)汽車充電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的研究

隨著環(huán)境污染問題日益突出，電動(dòng)汽車作為減少化石燃料利用的有效手段得到了全社會(huì)越來越多的關(guān)注。電動(dòng)汽車具有節(jié)能、高效、低排放等優(yōu)勢，關(guān)于電動(dòng)汽車重中之重的動(dòng)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、脈沖電流式以及智能充電等多種方法。

智能充電是目前電動(dòng)汽車動(dòng)力電池技術(shù)先進(jìn)的充電方法，是發(fā)展方向。在整個(gè)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(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)（簡稱：BMS）傳來的電池實(shí)時(shí)信息參數(shù)進(jìn)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(shí)間、容量等），對當(dāng)前電池的最大允許充電電流進(jìn)行估算，不斷調(diào)整和適應(yīng)，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(dòng)汽車充電設(shè)備中的運(yùn)用。

1  充電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的要求

電動(dòng)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(yùn)行信息，保證電動(dòng)汽車充電設(shè)施的可靠性、安全性、高效性和自動(dòng)化水平。

電動(dòng)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(jī)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；BMS將電池參數(shù)實(shí)時(shí)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(hù)電池。

2  充電設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1  智能充電設(shè)備的工作原理

電動(dòng)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(jī)STC89C52為核心控制器，管理著整個(gè)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)，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(hù)值。監(jiān)視和控制系統(tǒng)接受控制指令并發(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(dǎo)通和關(guān)閉時(shí)間，來控制輸出電壓、電流的大小。電動(dòng)汽車充電設(shè)備的原理框圖見圖1。

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(shí)時(shí)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(chǔ)器，STC89C52再對其進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理。

圖1 非車載式電動(dòng)汽車充電設(shè)備的原理框圖

① 電壓信息。在實(shí)際的設(shè)計(jì)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，需對輸入電壓信號提前預(yù)處理，再通過氧化膜精密電阻進(jìn)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)備和電池兩方面。蓄電池在充電過程中溫升會(huì)有點(diǎn)變化，溫度過高影響充電效率，利用從BMS獲得的電池溫度，實(shí)時(shí)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(biāo)，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(jì)

充電設(shè)備中串行和CAN總線通信電路的功能是實(shí)現(xiàn)STC89C52與電池管理系統(tǒng)BMS之間，STC89C52與主控計(jì)算機(jī)（需要時(shí)）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(shí)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20KW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(cuò)性，根據(jù)充電電流的大小，由RS485實(shí)時(shí)地接通和關(guān)閉擴(kuò)展模塊。

如聯(lián)網(wǎng)、建充電站時(shí)，便攜式充電機(jī)或充電樁與站用主控計(jì)算機(jī)之間通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在充電設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，可以預(yù)留CAN總線接口。

2.4  充電設(shè)備監(jiān)控

智能式的電動(dòng)汽車充電設(shè)備的特點(diǎn)在于其監(jiān)控系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52為核心介質(zhì)，在Linux操作系統(tǒng)上開發(fā)出應(yīng)用程序；STC89C52完成對充電設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)測、分析、運(yùn)算，并進(jìn)行處理、顯示、通信等任務(wù)。需要開發(fā)、編寫的監(jiān)控軟件有主程序（主程序流程圖見圖2）、顯示子程序、常規(guī)充電子程序、維護(hù)充電子程序等，配合充電設(shè)備以能夠?qū)崿F(xiàn)如下主要功能：

① 具備自動(dòng)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出的充電電壓、充電電壓幅值，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，自動(dòng)完成充電過程；

② 具備手動(dòng)充電控制的人機(jī)交互功能。在充電前、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(shí)關(guān)閉設(shè)備。

③ 具備CAN與BMS高速通信功能。自動(dòng)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、故障告警信息。

圖2  充電設(shè)備監(jiān)控主程序流程圖

2.5  充電設(shè)備安全性設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮充電設(shè)備的可靠性、維修性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性，以及動(dòng)力電池的安全性，同時(shí)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(rèn)啟動(dòng)充電，交流輸入過電壓保護(hù)，交流輸入欠電壓和缺相保護(hù)，交流輸入過電流保護(hù)，直流輸出過電流保護(hù)，單體電池電壓限制等多項(xiàng)保護(hù)和告警提示功能。

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

2.6  人機(jī)界面

在研發(fā)策劃時(shí)，充分考慮方便用戶使用需求，通過軟件實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)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，主要信息參數(shù)。人機(jī)互動(dòng)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。

如，“正在充電”界面見圖3。如果與BMS握手正常，就會(huì)進(jìn)入正在充電界面，顯示SOC、電壓、電流和剩余的充電時(shí)間等信息。

圖3 充電狀態(tài)顯示界面

3  充電設(shè)備測試

為測試應(yīng)用了STC89C52監(jiān)控單元和半橋LLC諧振變換器的電動(dòng)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(jī)樣機(jī)連接電動(dòng)汽車蓄電池組，通過預(yù)先設(shè)定的控制程序進(jìn)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)揮出有效的觸摸式軟開關(guān)能力，輸出的充電電壓、電流，實(shí)時(shí)的蓄電池電量，以及保護(hù)功能達(dá)到預(yù)期的目的。

4  結(jié)語

本項(xiàng)目的研究解決電動(dòng)汽車動(dòng)力電池在快速、安全、可靠和智能充電方面存在的問題，提供了新思路和理論依據(jù)，對于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池需求的該類產(chǎn)品的競爭力和企業(yè)的發(fā)展都有重大指導(dǎo)意義。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://www.12-baidu.cn/w/kj/21223.html