電動汽車智能充電的設計

近年來，隨著傳統能源的日益枯竭，我國的經濟發展正面臨著很大困境，提倡新能源的開發與利用已經成為我國經濟發展的唯一出路。這也使新能源的相關技術得到了迅猛發展，電動汽車便是以新能源技術作為核心而研發出的產物。不過，由于電動汽車的續航能力較差，這也使充電問題成為電動汽車發展過程中面臨的一大難題。研發一種能夠對電動汽車進行精準、高效、安全的智能充電系統，對于提高電動汽車續航能力、保障自然生態環境、緩解能源枯竭形勢有著十分重要的意義。
1 電動汽車智能充電的研究
1.1 電動汽車智能充電裝置
電動汽車在充電過程中，其核心在于充電裝置，充電裝置大置可分為兩類，分別是車載充電裝置與非車載充電裝置，車載充電裝置易于攜帶、結構簡單，但該類充電裝置只重視如何將電充進鋰電池當中，而在電網影響、溫度監控以及電池特性等方面則沒有進行全面的考慮，這也使其在充電速度上較慢，并且極易給電網造成污染和危害。非車載充電裝置則屬于一種地面充電樁，這種充電裝置的功率往往較大，在充電速度上也比較快，不過現階段在許多城市中還尚未得到應用，并且該類充電裝置的續航能力較差，在充電上也較為不便，這也使其仍舊需要很長一段時間的發展與完善。
1.2 電動汽車智能充電的要求
對于電動汽車來說，要想實現電動汽車的精準、快速充電，就必須要滿足以下要求：
（1）充電系統的安全性必須要有保障，在充電過程中確保其不會對電網及周邊人或物造成危害；
（2）智能充電系統應具備快速充電的特點，以此提高電動汽車的續航能力；
（3）智能充電系統應具備實時監測與保護功能，其能夠對電動汽車中的電池電量、安全狀態等數據進行實時的采集與監控，并避免在充電過程中因過流或過壓等原因而造成充電系統損壞；
（4）智能充電系統應便于攜帶，以利于電動汽車能夠隨時隨地的進行充電，提高電動汽車充電的便捷性。
2 電動汽車智能充電系統設計
為了使智能充電系統能夠滿足上述使用要求，本文設計了一種智能充電系統，該系統具備較高的安全性、快速性與便捷性，能夠對電動汽車中的電池狀態進行實時監測，從而實現精準、快速的充電，并且其還能在充電過程中防止過流或過壓對系統造成破壞。
2.1 總體方案的設計
由220VAC/16A 的家用電網充當電動汽車智能充電系統的主電源，其輸出功率為3.3kW，其對電動汽車電池BMS 單元的控制是通過CAN 接口來實現的，在充電過程中，當遇到瞬時電流過大狀況時，系統會自動將瞬時電流限制成其自身能夠承受的最大電流值，而當遇到過壓或欠壓狀況時，系統則會停止充電，待電壓恢復正常后會重新進行充電。該系統能夠對交流線路中的電流進行實時監測，并對充電的電流進行限制，以預防瞬時電流超出其最大值16A。當電動汽車在運行過程中，嚴禁利用智能充電系統進行充電，只有在電動汽車完全停止后，系統才會允許駕駛員進行充電操作。
該系統的電源利用PFC 功率因數校正電路、濾波器及整流器來對交流電實施隔離轉換，以此實現對電動汽車鋰電池的快速充電，同時通過通訊電路和電池中的BMS 單元進行通訊。在充電過程中，系統會對其進行實時監控，并通過CAN 總線來下達充電、中斷等控制命令。
2.2 智能充電模塊設計
為了避免系統在充電時發出大量諧波而造成電網污染，因此需要對其總諧波量進行限制，通過UCC28070 來對PFC 功率因數校正電路進行設計可以有效解決這一問題。在恒流階段中，系統會對充電電流進行限制，以此確保輸入電壓能夠平穩過渡到恒壓階段。
2.3 電池數據采集模塊
電動汽車智能充電系統能夠對電池中的電流、電壓及溫度等狀態信息進行實時采集與監測，在該系統中設置有JLD4U2P2 型電壓傳感器、JLK-7 型電流傳感器、DS18B20 型溫度傳感器，通過這些傳感器的利用來實現電池電壓、電流及溫度的數據測量與監測，其中，溫度傳感器可進行多個串聯設置，以此確保其能夠對電動汽車中的多個電池溫度進行同時采集，其不僅成本較低，而且構造也較為簡單，能夠在不同的環境下實現系統的數據實時采集與監測功能。
2.4 電池管理控制設計
電動汽車智能充電系統中的電池管理控制單元主要是利用PIC18F66K80 單片機來實現其控制功能的，它能夠對電池中BMS 單元的全部功能進行控制。為了節省系統的能量消耗，PIC18F66K80 單片機的工作模式采用了喚醒模式。在單片機中還擴展有12 位的A/D 轉換模塊，該轉換模塊自帶有11 個轉換通道。此外，單片機中還設置有相應的CAN 通訊接口、64KB 閃存存儲器、1024 字節EEPROM以及能夠進行尋址的兩個USART 串行接口。該系統利用傳感器來對電池中的電壓、溫度及電流等信息進行采集，并發送給PIC18F66K80單片機，經A/D 轉換模塊進行轉換后，來對電池的SOC 狀態進行估算，然后對這些數據進行處理。由于SOC 估算的時間較長會造成漂移問題，影響SOC 估算結果的準確性，因此需要對SOC 進行定期的檢準。BMS 控制單元所下達的數據接收等命令是利用CAN 總線來實現的，在單片機中設置有CAN 控制器，并利用TJA1040 外部收發器與CAN 控制器中的收發模塊電路來實現對數據通訊功能。
2.5 智能充電系統的具體流程分析
如圖1 所示為智能充電系統的智能充電曲線示意圖。
從圖1 中可知該系統的輸入電壓在176V/AC 至264V/AC 之間，其輸出電壓則可達到250V/DC 至390V/DC， 輸出功率為3.3kW，其最高電流輸出為13A，由此表明該系統的運行穩定。電動汽車智能充電系統的具體流程是：當智能充電系統與交流電源連接時，系統會對自身狀態進行自檢，在自檢通過后，系統會對交流電源進行匹配。這時系統中的硬件電路會輸出單獨的12V 直流電作為交流電源中的輔助電源，而系統軟件則會進行邏輯分析，并對輸出的輔助電源進行檢測，只有在檢測到輔助電源后，系統才會利用硬件連接來激活BMS 單元，待BMS 激活后，BMS 單元會將CAN 總線信號發送給系統，由系統對CAN 總線信號進行檢測，以此確認BMS 單元是否被喚醒，在確認以后，系統會將準備信號發送給BMS 單元，此時的系統便處于準備狀態。然后BMS 單元在收到準備信號后，會將使能信號傳輸到系統當中，這時系統便會從準備狀態過渡到使能狀態。當BMS 單元中的各類傳感器對電池的溫度、電流及電壓等數據進行采集后，這時BMS 會根據電池的實際狀態發送相應的充電命令，并將這些采集的數據一并發送給系統當中，系統在接收到充電命令及數據以后，其內部PLC 單片機便會控制繼電器開啟，同時將這些數據發送到顯示屏中，駕駛員能夠通過顯示屏直觀的了解到電動汽車中的電池充電情況，從而實現電動汽車的智能充電。

圖1：智能充電系統的智能充電曲線示意圖
3 結語
本文通過對電動汽車現有充電裝置的類型、優缺點及其應用要求進行充分的分析，進而提出一種能夠對電動汽車進行精準、快速、安全充電的智能充電系統，該系統的充電效率快、安全系數高，并且能夠有效避免諧波對電網的污染，極大程度的提高了電動汽車的續航能力，有效解決了電動汽車充電難、耗能高、污染大等問題，這也使該系統具備了廣闊的發展空間與極高的應用潛力。