陳鵬

摘要：為滿足電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)對(duì)于蓄電池快速無損傷充電的需求，本文探究單片機(jī)的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的開發(fā)。NEC單片機(jī)在電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)開發(fā)中較為常見，該控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢(shì)。對(duì)此，本文采用慢脈沖快速充電方式，對(duì)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，滿足電動(dòng)汽車的動(dòng)力蓄電池快速無損傷的充電要求，具有良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力蓄電池;充電器;單片機(jī);充電系統(tǒng);開發(fā)

0? 引言

現(xiàn)階段，我國的能源供需問題日益突出，并已成為社會(huì)所廣泛關(guān)注的重點(diǎn)問題。人們的生活水平不斷提升，汽車這種代步工具的應(yīng)用越來越頻繁。眾所周知，電動(dòng)汽車是一種清潔、環(huán)保的交通工具，能夠在一定程度上解決能源問題。但由于電動(dòng)汽車的行駛主要依靠電能，電動(dòng)汽車的充電損傷問題成為制約電動(dòng)汽車普及推廣的一項(xiàng)關(guān)鍵問題。基于此，本文以某公司單片機(jī)的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)開發(fā)為例，探討基于NEC單片機(jī)的智能充電控制系統(tǒng)的快速充電策略，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)的技術(shù)人員提供理論幫助和指導(dǎo)建議。

1? 充電方式設(shè)計(jì)及充電系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 充電方式設(shè)計(jì)

當(dāng)前，傳統(tǒng)的充電方式主要包括恒壓充電方式、恒流充電方式、階段充電方式等。這些充電方式在實(shí)際應(yīng)用過程中具有操作簡便的優(yōu)勢(shì)，但由于所需充電時(shí)間較長，需要耗費(fèi)一定的時(shí)間資源。而針對(duì)電動(dòng)汽車的充電問題，國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者提出了諸多能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電的方法。例如：脈沖間歇充電法、變電流間歇充電法等等。某公司電動(dòng)汽車充電方式的設(shè)計(jì)，主要綜合以上各類充電方法的優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)一些充電缺點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，能夠滿足電動(dòng)汽車充電的實(shí)際需求。本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)快速、高效充電的慢脈沖快速充電系統(tǒng)。在應(yīng)用時(shí)，可以確保電動(dòng)汽車的蓄電池不受電流的損害，而且充電效率更高，所用時(shí)間更短。具體的設(shè)計(jì)思路如下：首先，整個(gè)充電過程分為1、2兩段。在充電時(shí)，1段主要以恒流慢脈沖的方式進(jìn)行充電，2段則以恒壓慢脈沖的方式充電。在充電初始階段，采取大電流、小電流交替充電的維持狀態(tài)進(jìn)行充電。在此過程中，小電流充電維持時(shí)間較短，大約為3～11秒。應(yīng)用這種交替模式進(jìn)行充電，能夠起到保護(hù)電路的作用。

1.2 充電控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

首先，充電控制系統(tǒng)的組成主要包括：充電控制系統(tǒng)、電源變換電路。在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到電動(dòng)汽車充電的實(shí)際需求，選擇兩級(jí)結(jié)構(gòu)電源變換電路。在設(shè)計(jì)時(shí)，為了更好的滿足實(shí)際充電的需求，將APFC變換電路設(shè)置為一級(jí)，采用380V直流電壓。DIC/DC變換電路為汽車充電電池組所需的充電電壓（可調(diào)）。鉛酸電池充電電壓范圍為59～78.9V。針對(duì)電動(dòng)汽車充電控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，主要涵蓋采樣電路、外圍電路、PWM波產(chǎn)生電路幾個(gè)部分。在對(duì)控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要滿足充電過程中，控制電路對(duì)充電器輸出電壓電流信號(hào)的精準(zhǔn)采樣功能。

除此之外，在進(jìn)行控制充電器設(shè)計(jì)工作中，相關(guān)的技術(shù)人員需要按照原設(shè)定輸出電壓電流值。在運(yùn)行過程中，由相關(guān)技術(shù)人員對(duì)充電器的開關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。充電過程中，若出現(xiàn)電路過溫的問題，需要對(duì)PWM輸出進(jìn)行管段，確保充電電源實(shí)現(xiàn)限功率輸出措施，從而避免電路過溫引發(fā)一些充電事故，實(shí)現(xiàn)了電路的故障回避功能，進(jìn)而增加了電路安全性。在進(jìn)行單片機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇NEC監(jiān)控保護(hù)的控制器。由于在實(shí)際應(yīng)用中，該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)快充電流的控制，具有速度快、安全性高、體積小等優(yōu)勢(shì)。進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì)時(shí)，選擇1KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、46KB程序存儲(chǔ)器、異步串口、A/D轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器等元件。單片機(jī)的外圍電路選擇液晶顯示電路、AD電路。

1.3 電壓電流采樣電路的設(shè)計(jì)

針對(duì)電壓電流采樣電路的設(shè)計(jì)，其主要任務(wù)需實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車蓄電池兩端充電電流數(shù)值、充電電壓數(shù)值的實(shí)時(shí)采集。采集完成后，需要將上述數(shù)據(jù)分別送入PWM波產(chǎn)生電路以及單片機(jī)中，對(duì)其進(jìn)行處理。最終能夠得到電流的控制信號(hào)。借助電流的控制信號(hào)，能夠?qū)﹄妱?dòng)汽車主電路MOS管進(jìn)行控制，進(jìn)而掌握MOS管的通斷，以便于隨時(shí)改變充電電壓、充電電流的實(shí)時(shí)狀態(tài)。輸出電壓BAT+經(jīng)過分壓電阻分壓，借助模擬信號(hào)，輸入到各個(gè)通道中，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的電壓反饋。此時(shí)，依照單片機(jī)運(yùn)行過程中所輸入的選通信號(hào)，能夠?qū)敵鲭妷旱那闆r進(jìn)行確定，選擇輸出電壓為伏壓或者為恒壓。反饋信號(hào)經(jīng)過低通濾波，傳送至單片機(jī)。在這一步驟中，經(jīng)過硬件控制回路，能夠?yàn)閱纹瑱C(jī)的控制算法提供相應(yīng)的數(shù)值依據(jù)。借助霍爾電流傳感器，能夠?qū)Υ藭r(shí)流經(jīng)電路的直流充電電流進(jìn)行采集。傳感器副邊輸出的電流流經(jīng)串聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)。電流流經(jīng)模擬通道，此時(shí)能夠輸入1.7V的反饋電壓。經(jīng)證明，由于單片機(jī)的選型不同，其選通通道也會(huì)存在一定的差異。這樣就會(huì)對(duì)最終的數(shù)據(jù)造成一定干擾，使得數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。而后，傳輸反饋信號(hào)至硬件控制回路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電流的收集與處理功能。最終通過單片機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車系統(tǒng)的慢脈沖快速充電。

1.4 PWM波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)

在對(duì)PWM波產(chǎn)生電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到單片機(jī)控制器開銷較大的問題。若此時(shí)PWM信號(hào)進(jìn)行傳輸，則需采用與之匹配的專業(yè)傳輸模塊（SC3525A模塊）。針對(duì)PWM波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)工作，應(yīng)由專業(yè)的電路設(shè)計(jì)人員進(jìn)行總體電路的規(guī)劃。在這一步驟中，2腳是誤差放大器的同相輸入端。將輸出的電路接入選通，最終能夠決定誤差放大器的輸出數(shù)值。而將輸出電流傳送到PWM的反相輸入端。通過將輸出電流與反向輸入電流進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)鋸齒波電壓的比較數(shù)值，能夠得到電壓電流的脈沖信號(hào)。沖脈信號(hào)是存在變化的，經(jīng)過脈沖分配雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)電流輸出，將之傳送到10腳、15腳，從而生成雙脈沖。借助隔離驅(qū)動(dòng)電路波，能夠?qū)﹄p脈沖進(jìn)行電氣隔離，并實(shí)現(xiàn)脈沖的放大功能。應(yīng)用MOS管，可以實(shí)現(xiàn)這一階段的電流功率變換。將硬件關(guān)閉PWM電路于8腳進(jìn)行連接，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)故障產(chǎn)生時(shí)PWM的自動(dòng)關(guān)閉，起到系統(tǒng)的保護(hù)作用。圖1為PWM波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)。

2? 充電控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及充電實(shí)驗(yàn)

2.1 充電控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)單片機(jī)慢脈沖快速充電的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，具體思路如下：首先，考慮到充電控制的要求，操作人員在接通電源后，此時(shí)應(yīng)由單片機(jī)控制充電器，對(duì)其進(jìn)行充電前的初始化。單片機(jī)充電器的初始化設(shè)置主要包括：電池安裝是否到位，電池是否能夠正常進(jìn)行充電。初始化完成后，滿足上述條件，由單片機(jī)控制，繼電器為電動(dòng)汽車的系統(tǒng)進(jìn)行供電。系統(tǒng)待機(jī)等待充電啟/停操作后正式開始充電。滿脈沖快速充電的控制系統(tǒng)在充電時(shí)，主要經(jīng)歷以下幾個(gè)階段。首先，控制系統(tǒng)的恢復(fù)性充電階段。以小電流對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。其主要目的為在充電的初期階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池內(nèi)部反應(yīng)物質(zhì)的激活。防止在后續(xù)充電過程中，對(duì)電動(dòng)汽車蓄電池造成傷害。需要特別注意的是，此階段的充電需要持續(xù)3～5分鐘。而后，進(jìn)入到恒流慢脈沖充電階段。在這一階段，首先應(yīng)經(jīng)過電流的測試試驗(yàn)，最終根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選定采用60A電流和5A電流交替的恒流充電方式，向蓄電池進(jìn)行供電。其中，5min的60A大電流;1min的5A小電流。完成這一階段的充電，電動(dòng)汽車的蓄電池含電量已經(jīng)能夠達(dá)到75%左右。而后進(jìn)入到恒壓慢脈沖充電階段。恒壓慢脈沖充電階段主要以恒定電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。本文采取恒定的60V電壓充電3min，并且同時(shí)以小電流1min的方式，對(duì)蓄電設(shè)備進(jìn)行交替充電。這一充電階段的結(jié)束，需要根據(jù)電動(dòng)汽車蓄電池端電壓是否存在負(fù)增量進(jìn)行判斷。若此時(shí)電動(dòng)汽車蓄電池端電壓存在負(fù)增量，則立刻結(jié)束充電，關(guān)掉相關(guān)的控制按鈕。接下來進(jìn)入到涓流充電階段。涓流充電階段也是最后的一個(gè)階段。在此過程中，主要采用小電流，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，直至達(dá)到規(guī)定的充電時(shí)間，整個(gè)基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車系統(tǒng)充電完畢。在上述的充電過程中，通過應(yīng)用軟件抗干擾的方式，能夠有效解決充電過程中電磁干擾的問題。當(dāng)A/D采集時(shí)，除了采取必要的硬件濾波措施，才可以應(yīng)用滑動(dòng)平均值法，對(duì)軟件進(jìn)行濾波，從而有效的提高了采集精度，確保充電的高效率。與此同時(shí)，選擇此種充電方式，還有利于電動(dòng)汽車蓄電池的散熱，避免由于長時(shí)間的充電，造成蓄電池內(nèi)部溫度過高，從而容易引發(fā)不必要的充電事故。線性插值能夠?qū)Νh(huán)境溫度展開測量，等于在無形中增加了電動(dòng)汽車充電的安全性。而且，借助裝置中所配備的熱敏電阻傳感器，利用微處理器，能夠?qū)⒊潆娺^程中所采集到的相關(guān)電壓數(shù)值，能夠取得相關(guān)的實(shí)際溫度值。這樣一來，既能夠保證溫度值測量的精度要求，同時(shí)還能夠有效的減少存儲(chǔ)空間的占用。

2.2 充電試驗(yàn)結(jié)果分析

上述主要基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車充電設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了論述。為進(jìn)一步研究恒流慢脈沖充電充電模式，相關(guān)技術(shù)人員展開了充電試驗(yàn)。該試驗(yàn)主要模擬正常的恒流慢脈沖與多級(jí)恒流充電模式下，電動(dòng)汽車的實(shí)際充電狀況以及蓄電池的使用情況。

經(jīng)驗(yàn)證，恒流慢脈沖充電模式恒流慢脈沖充電實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：應(yīng)用上述充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在充電2小時(shí)內(nèi)，電動(dòng)汽車的內(nèi)電池電量可以達(dá)到95Ah，占電動(dòng)汽車電池額定容量的80%。而后持續(xù)對(duì)其進(jìn)行充電，當(dāng)充電時(shí)間達(dá)到4.5小時(shí)后，內(nèi)電池電量為電池額定容量的93%。由此可見，整個(gè)試驗(yàn)過程中，應(yīng)用單片機(jī)的電動(dòng)汽車充電設(shè)計(jì)方法，電動(dòng)汽車的充電效率可以達(dá)到80%，升溫幅度大約在12～16℃范圍內(nèi)。

3? 結(jié)論

綜上所述，當(dāng)前，我國電動(dòng)汽車的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大。電動(dòng)汽車作為環(huán)保、科學(xué)、高效的代步工具，也已經(jīng)逐步被人們所接納。為了更好的解決電動(dòng)汽車的充電問題，本文主要論述了基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車充電設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)，并對(duì)其充電模式、軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行了總體的設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明：采用慢脈沖充電方式與多級(jí)恒流充電方式相結(jié)合，能夠有效提升充電的效率，確保電動(dòng)汽車的快速充電安全。應(yīng)用此種方法，能夠有效提高電動(dòng)汽車蓄電池的使用壽命，而且充電耗時(shí)更短，充電過程中的無損功力更少。隨著我國電動(dòng)汽車領(lǐng)域的不斷發(fā)展，基于單片機(jī)的車載充電器的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，市場前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]張笑彰，高博男.汽車單片機(jī)智能充電系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用[J].信息記錄材料，2019，20（09）：124-125.

[2]張光建.汽車單片機(jī)智能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討[J].電子制作，2014（11）：56-57.

[3]張麗.汽車單片機(jī)智能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2017，7（02）：89-90.

[4]黃杰，聶蓉.基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車無線充電自動(dòng)定位裝置控制電路設(shè)計(jì)[J].輕工科技，2016，32（10）：26-27，41.