电动汽车智能快速充电技术研究

张哲宇　陈凯强　金俊凯

摘  要：针对电动汽车锂离子动力电池快速充电问题，本文基于PWM控制技术设计了一套脉冲式快速智能充电电路，该电路以STM32单片机为核心，可根据被充电电池特性，采用变倍率的脉冲充电方法，充电过程中能及时检测被充电电池的状态并实时调整充电脉冲的宽度，从而实现对磷酸铁锂电池的智能快速充电。

关键词：智能快速充电;PWM脉冲充电;充电桩电路;检测状态;STM32单片机

中图分类号：TM910.6;TM461.3      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）23-0030-03

Research on Intelligent and Fast Charging Technology of Electric Vehicle

ZHANG Zheyu，CHEN Kaiqiang，JIN Junkai

（Zhejiang University Ningbo Institute of Technology，Ningbo  315100，China）

Abstract：Aiming at the fast charging problem of lithium-ion power battery for electric vehicle，a pulse-type fast intelligent charging circuit is designed based on PWM control technology. The circuit takes STM32 single chip computer as the core. According to the characteristics of the charged battery，a variable-rate pulse charging method is adopted，which can detect the status of the charged battery in time and adjust the width of the charging pulse in real time during the charging process，so as to realize the fast and intelligent charging of lithium-ion iron phosphate batteries.

Keywords：intelligent fast charging;PWM pulse charging;charging pile circuit;detection status;STM32 single chip computer

0  引  言

生活水平的提高，人們的出行生活越来越多地依赖于汽车，以致汽车拥有量不断增加，从而加重了车尾气造成的环境污染，另外汽车数量的增多也使石油等资源的利用度剧增，严重造成这些能源的紧缺。这种现象严重违背了当代汽车发展中的“节能环保”主题。因此，电动汽车因具有较高的性能、较低的尾气排放和较好的续航能力等优点受到众人的青睐[1]。

因此，如何快速高效而且低损地为动力电池充电不仅对电动汽车的发展具有重要意义，而且是对电动汽车发展的重大挑战。本文以电动汽车以锂离子动力电池为分析对象，研究如何改进其快速充电方法。

1  锂离子电池充电特性分析

在蓄电池恒流充电过程中，由于其容量的限制，只能充到某个确定的数值。超出这一数值，电解液就会分解产生气体，并引起电池的温度升高，降低电池的充电速度。

由于电池的基本特性，充电过程中电池接受的电流量会逐渐减少。这意味着如果用恒定电流I0充电，就会产生气体。根据马斯三定律，当前电流的大小取决于电池可以接受的电流大小，而充电量的大小取决于电池的深度和电流。如果我们使用短时间的大电流放电方法，可以减少电池容量的大量损失，而且还可以增加充电过程中接受的电流。这些与释放的电量和放电时间相比相对较小，其充电电量和充电时间，突破了充电电流接受曲线的理论限制。以这种方式，可以获得恒定电流充电曲线，即接受电流仍然可以保持大电流。

磷酸铁锂电池充电方法的选择很重要。这是电路的基本点，所有的电路设计都需要在电池周围进行部署。不同的充电方式会有很大差异，充电效果会有所不同，而且对电池性能的影响会有所不同，选择最合适的充电方法，应该考虑电池的充电频率，放置点的放大倍数等因素。

充电时，磷酸铁锂电池的电压随时间变化特性曲线如图1所示。

由图1中可以看到，电池开始充电时会产生强烈的电化学反应，表现在OA段，在这个阶段，电池两端的活性物质反应剧烈，充电率高，接近100%。电压上升得非常快。随着电池主要反应和副反应同时进行，电化学反应逐渐达到平衡，可以看到AB段速度开始放慢。但是并不代表着电压就趋于平稳，它还是一个缓慢上升的过程，在此阶段，充电的速率逐渐降低。随着充电时间的增长，电池中的化学反应有可能会析出气体，这会导致电压继续升高，如图中BC段，电压升高趋势还在增加。当充电至电池快要达到饱和状态时只剩下副作用和自放电反应，电池的端电压升至最高到达CD段，这时如果停止充电，电池的极化会减弱至消失，电池的端电压就会像图中DE部分一样先有所下降再趋于平衡。

2  三段脉冲式充电法

本文所采用的方法为三段脉冲式充电法，将充电分成三段进行，第一阶段，先采用恒定的周期性电流脉冲对电池进行快速充电，短时间内能为电池充入较多的电量，当充电进行到一定阶段后，进入第二阶段，采用恒定电压进行脉冲充电，可以保证电池不会过充，保证电池的性能和寿命，当电池容量接近饱和时，进入第三阶段，采用涓流脉冲充电，即以很小的脉冲对进行充电，使电池达到饱和且不会使电池产生过充现象，三段脉冲式充电法充电曲线如图2所示。

3  锂离子电池快速充电电路设计与仿真

本电路采用MATLAB完成动态系统建模和仿真。電源部分仿真如图3所示，将220V/50Hz电压输入经过全桥整流变压可以得到大概320V左右的电压，通过反激电路中的IGBT可以接入生成的脉冲信号，使得输出的是交流信号，之后再连上变压器，通过变压器变换分成两个输出的电压，再经过一次整流桥可以将交流电转化为直流电，最后经过BUCK电路变换后分别可以输出42V和5V电压[2]。

反激式DC-DC变换器的IGBT由PI调节器输出脉冲控制，将直流变为交流，在负载端子处保持1p.u电压（380Vrms，50Hz）。能实现所选电力电子设备的桥接。串联RC缓冲电路与各开关装置并联。当模型被离散化时，闭合导通可以产生不同的缓冲电压。对于大多数应用，此处的二极管和晶闸管的内部电感长应设为零[3]。

PWM控制模块，主要功能是闭环反馈调节脉冲。在constant中设定5表示5V电压，在将后面部分电路降下的5V电压转换成信号进行对比，经过PI控制调节器，设定参数Kp=1，Ki=5，用传递函数建立线性系统模型，乘一个比例系数，将参数放入PWM波生成模块中，再输出给IGBT管，进行控制开关的通断[4]。

最后可以看到结果：一系列整流降压后输出的两部分电压波形在一点的时间之后逐渐趋于稳定，如图4所示。其中5V电压出现波动是因为纹波干扰。

4  快速充电系统设计

本系统是基于PWM技术的蓄电池智能快充控制系统设计，采用STM32对系统的控制，采用三段脉冲式充电法对电池进行充电。并且通过检测蓄电池的当前状态来改变充电的电压、和电流大小，且实时监控当前温度，避免电池过热而导致电池寿命减短甚至发生爆炸，当电池温度过高，就会发出警报并停止充电，而且通过检测当前状态把电池当前的实时数据反馈到屏幕上[5]。

根据图5电池最佳可接受充电电流曲线与图2三段脉冲式充电法曲线对比可知，三段脉冲式充电法更加贴近电池最佳可接受充电电流曲线，所以此方法能有效地提高蓄电池充电的速度。

系统主程序设计流程如图6所示，基于PWM技术的蓄电池智能快充控制系统，使用ADC的DMA采样原理，采集电池的电流、电压和温度信息，反馈到显示屏上。通过PWM调节占空比，从而控制MOS管的开关与频率，阐述了该程序的设计思路及软件设计及其讲解，软件通过流程图给出直观的运作方式，通过大量的资料表明，本设计方式可以使充电速度高于传统的充电方式，大约比传统的恒压恒流方式充电节省20%以上的充电时间，所以本设计的充电方式既可以节省充电时间又可以延长蓄电池寿命。

5  结  论

本文针对目前充电方法充电时间长、严重影响电池寿命、效率低下等缺点，深入分析国内外充电控制技术，结合马斯三定律，提出了基于PWM控制的新型三段脉冲式充电法，系统通过ADC实时检测蓄电池当前状态而采取三种不同的充电方式的控制策略，以实现快速、高效、绿色充电的设计目标。本文提出了一种使用STM32芯片控制的基于PWM技术的蓄电池智能快充控制系统设计方法，采用单片机内置高精度12位逐次逼近型的模拟数字转换器实现采集电池实时电压功能，利用PWM控制脉冲占空比，并采用高精度热敏电阻实时采集温度，并且实时反馈当前蓄电池的状态。

参考文献：

[1] 胡信国.动力电池进展 [J].电池工业，2007（2）：113-118.

[2] 郭亮.电动车用蓄电池充电技术的进展 [J].电池，2002（4）：245-246.

[3] 汤才刚，朱红涛，李莉，等.基于PWM的逆变电路分析 [J].现代电子技术，2008（1）：159-160+163.

[4] 徐丽香.大宇DVD机开关电源工作原理分析 [J].电子世界，2005（10）：62-63.

[5] WANG H，XIAO J. Delivering discontinuous innovation through modularity：The case of Chinese electric vehicle industry [C]// Picmet 11：Technology Management in the Energy Smart World. IEEE，2011：1-7.

作者简介：张哲宇（1997-），男，汉族，江苏泰州人，学士学位，本科，研究方向：电机控制;陈凯强（1996-），男，汉族，广东清远人，学士学位，本科，研究方向：电机控制;金俊凯（1996-），男，汉族，浙江温州人，学士学位，本科，研究方向：电机控制。