非車載式電動汽車充電設備監控系統的研究

隨著環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注。電動汽車具有節能、高效、低排放等優勢，關于電動汽車重中之重的動力電池和充電技術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汽車動力電池技術先進的充電方法，是發展方向。在整個電池充電過程中，充電設備的監控和通信單元根據電動汽車電池管理系統（簡稱：BMS）傳來的電池實時信息參數進行監控，并利用這些信息參數（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備中的運用。

1  充電設備監控系統的要求

電動汽車充電設備的監控系統是指監控電池在充電過程中的參數和充電設備的運行信息，保證電動汽車充電設施的可靠性、安全性、高效性和自動化水平。

電動汽車的蓄電池在充放電過程中，通過充電設備的CAN總線，將車輛BMS和充電設備STC98C52單片機聯系起來，實現數據共享；BMS將電池參數實時地傳送到充電設備，STC98C52根據BMS提供的信息參數改變自己的充電曲線，防止電池過度充電，保護電池。

2  充電設備設計

2.1  智能充電設備的工作原理

電動汽車充電設備在簡化后本質就是LLC諧振變換器和DC-DC轉換器，而充電控制系統是以單片機STC89C52為核心控制器，管理著整個充電設備的操作流程，而EEPROM用于存放各種類型蓄電池的充電參數，及在不加電的情況下保存電池各相關參數的設定值和保護值。監視和控制系統接受控制指令并發送到充電設備的脈寬調制逆變電路，通過調節IGBT開關管的導通和關閉時間，來控制輸出電壓、電流的大小。電動汽車充電設備的原理框圖見圖1。

2.2  信息參數的采集（電壓、電流、溫度）

電池的信息參數的采集是充電設備監控系統的主要功能之一。采集的對象是實時的充電電壓、充電電流、溫度、SOC、SOD等信息，經過A/D轉換器以數字量的形式存入存儲器，STC89C52再對其進行分析、運算和處理。

圖1 非車載式電動汽車充電設備的原理框圖

① 電壓信息。在實際的設計過程中，充電電壓要考慮到采集的電池信息參數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處理，再通過氧化膜精密電阻進行比例衰減，經RC濾波,再送A/D轉換器測量。

② 電流信息。對于電流信息參數的采集，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、線性度和穩定性好，通過磁電轉換，使得信號測量回路和執行主回路之間隔離。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備和電池兩方面。蓄電池在充電過程中溫升會有點變化，溫度過高影響充電效率，利用從BMS獲得的電池溫度，實時地調整充電電流，防止過充和欠充。充電設備的溫度測量一般選用單線數字溫度傳感器，一旦檢測到溫度超標，將降低輸出電流，直至關閉輸出。

2.3  串口電路和CAN總線設計

充電設備中串行和CAN總線通信電路的功能是實現STC89C52與電池管理系統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傳到STC89C52，使其能夠實時地確定合適的充電策略。考慮信號傳輸質量和抗干擾，充電設備與車輛BMS之間采用RS485接口。對于功率超過20KW的充電設備，各功率模塊單元采用并聯的方式，具備容錯性，根據充電電流的大小，由RS485實時地接通和關閉擴展模塊。

如聯網、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總線進行數據通信。在充電設備設計時，可以預留CAN總線接口。

2.4  充電設備監控

智能式的電動汽車充電設備的特點在于其監控系統以單片機STC89C52為核心介質，在Linux操作系統上開發出應用程序；STC89C52完成對充電設備實時狀態的監測、分析、運算，并進行處理、顯示、通信等任務。需要開發、編寫的監控軟件有主程序（主程序流程圖見圖2）、顯示子程序、常規充電子程序、維護充電子程序等，配合充電設備以能夠實現如下主要功能：

① 具備自動充滿電的能力。充電設備依據采集的車輛電池信息參數能動態調節輸出的充電電壓、充電電壓幅值，執行相應的動作，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、過程中，由設備操作者通過液晶觸摸屏設置或改變充電參數，充電設備根據設定的參數予以執行，完成充電過程；操作者可隨時關閉設備。

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據、故障告警信息。

圖2  充電設備監控主程序流程圖

2.5  充電設備安全性設計

在設計過程中，應充分考慮充電設備的可靠性、維修性、安全性、環境適應性，以及動力電池的安全性，同時考慮電子設備電磁兼容性。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，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或發生故障時，充電設備須在50ms內將電流值將至5A或100ms內斷開直流輸出接觸器，且充電槍輸出接口電壓在1s內下降至60V以下，確保人身安全。

2.6  人機界面

在研發策劃時，充分考慮方便用戶使用需求，通過軟件實現良好的人機界面。界面上可以顯示充電設備生產廠家，或顯示使用的充電站名稱，主要信息參數。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、充電結束界面等。

如，“正在充電”界面見圖3。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。

圖3 充電狀態顯示界面

3  充電設備測試

為測試應用了STC89C52監控單元和半橋LLC諧振變換器的電動客車充電設備的充電能力和控制水平，將開發的便攜式充電機樣機連接電動汽車蓄電池組，通過預先設定的控制程序進行充電和模擬故障的控制測試，測試結果顯示充電設備發揮出有效的觸摸式軟開關能力，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  結語

本項目的研究解決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，提供了新思路和理論依據，對于電動汽車動力電池需求的該類產品的競爭力和企業的發展都有重大指導意義。

本文來源：《企業科技與發展》：http://www.007hgw.com/w/kj/21223.html