基于单片机的电动汽车充电系统的开发应用

陈鹏

摘要：为满足电动汽车充电系统对于蓄电池快速无损伤充电的需求，本文探究单片机的电动汽车充电系统的开发。NEC单片机在电动汽车充电系统开发中较为常见，该控制系统在实际应用中具有诸多优势。对此，本文采用慢脉冲快速充电方式，对电动汽车充电系统进行开发，满足电动汽车的动力蓄电池快速无损伤的充电要求，具有良好的应用效果。

关键词：动力蓄电池;充电器;单片机;充电系统;开发

0  引言

现阶段，我国的能源供需问题日益突出，并已成为社会所广泛关注的重点问题。人们的生活水平不断提升，汽车这种代步工具的应用越来越频繁。众所周知，电动汽车是一种清洁、环保的交通工具，能够在一定程度上解决能源问题。但由于电动汽车的行驶主要依靠电能，电动汽车的充电损伤问题成为制约电动汽车普及推广的一项关键问题。基于此，本文以某公司单片机的电动汽车充电系统开发为例，探讨基于NEC单片机的智能充电控制系统的快速充电策略，希望能够为相关的技术人员提供理论帮助和指导建议。

1  充电方式设计及充电系统的硬件设计

1.1 充电方式设计

当前，传统的充电方式主要包括恒压充电方式、恒流充电方式、阶段充电方式等。这些充电方式在实际应用过程中具有操作简便的优势，但由于所需充电时间较长，需要耗费一定的时间资源。而针对电动汽车的充电问题，国内外的相关学者提出了诸多能够实现快速充电的方法。例如：脉冲间歇充电法、变电流间歇充电法等等。某公司电动汽车充电方式的设计，主要综合以上各类充电方法的优点。通过对一些充电缺点进行调整，能够满足电动汽车充电的实际需求。本文设计了一种实现快速、高效充电的慢脉冲快速充电系统。在应用时，可以确保电动汽车的蓄电池不受电流的损害，而且充电效率更高，所用时间更短。具体的设计思路如下：首先，整个充电过程分为1、2两段。在充电时，1段主要以恒流慢脉冲的方式进行充电，2段则以恒压慢脉冲的方式充电。在充电初始阶段，采取大电流、小电流交替充电的维持状态进行充电。在此过程中，小电流充电维持时间较短，大约为3～11秒。应用这种交替模式进行充电，能够起到保护电路的作用。

1.2 充电控制系统的硬件设计

首先，充电控制系统的组成主要包括：充电控制系统、电源变换电路。在总体结构设计时，考虑到电动汽车充电的实际需求，选择两级结构电源变换电路。在设计时，为了更好的满足实际充电的需求，将APFC变换电路设置为一级，采用380V直流电压。DIC/DC变换电路为汽车充电电池组所需的充电电压（可调）。铅酸电池充电电压范围为59～78.9V。针对电动汽车充电控制系统的电路设计，主要涵盖采样电路、外围电路、PWM波产生电路几个部分。在对控制电路进行设计时，需要满足充电过程中，控制电路对充电器输出电压电流信号的精准采样功能。

除此之外，在进行控制充电器设计工作中，相关的技术人员需要按照原设定输出电压电流值。在运行过程中，由相关技术人员对充电器的开关管进行驱动。充电过程中，若出现电路过温的问题，需要对PWM输出进行管段，确保充电电源实现限功率输出措施，从而避免电路过温引发一些充电事故，实现了电路的故障回避功能，进而增加了电路安全性。在进行单片机设计时，选择NEC监控保护的控制器。由于在实际应用中，该控制器能够实现对快充电流的控制，具有速度快、安全性高、体积小等优势。进行外围电路设计时，选择1KB数据存储器、46KB程序存储器、异步串口、A/D转换器、定时器等元件。单片机的外围电路选择液晶显示电路、AD电路。

1.3 电压电流采样电路的设计

针对电压电流采样电路的设计，其主要任务需实现对电动汽车蓄电池两端充电电流数值、充电电压数值的实时采集。采集完成后，需要将上述数据分别送入PWM波产生电路以及单片机中，对其进行处理。最终能够得到电流的控制信号。借助电流的控制信号，能够对电动汽车主电路MOS管进行控制，进而掌握MOS管的通断，以便于随时改变充电电压、充电电流的实时状态。输出电压BAT+经过分压电阻分压，借助模拟信号，输入到各个通道中，实现相关的电压反馈。此时，依照单片机运行过程中所输入的选通信号，能够对输出电压的情况进行确定，选择输出电压为伏压或者为恒压。反馈信号经过低通滤波，传送至单片机。在这一步骤中，经过硬件控制回路，能够为单片机的控制算法提供相应的数值依据。借助霍尔电流传感器，能够对此时流经电路的直流充电电流进行采集。传感器副边输出的电流流经串联电阻网络。电流流经模拟通道，此时能够输入1.7V的反馈电压。经证明，由于单片机的选型不同，其选通通道也会存在一定的差异。这样就会对最终的数据造成一定干扰，使得数据出现偏差。而后，传输反馈信号至硬件控制回路，可以实现对不同电流的收集与处理功能。最终通过单片机控制器，实现电动汽车系统的慢脉冲快速充电。

1.4 PWM波产生电路的设计

在对PWM波产生电路进行设计时，需要考虑到单片机控制器开销较大的问题。若此时PWM信号进行传输，则需采用与之匹配的专业传输模块（SC3525A模块）。针对PWM波产生电路的设计工作，应由专业的电路设计人员进行总体电路的规划。在这一步骤中，2腳是误差放大器的同相输入端。将输出的电路接入选通，最终能够决定误差放大器的输出数值。而将输出电流传送到PWM的反相输入端。通过将输出电流与反向输入电流进行对比，根据锯齿波电压的比较数值，能够得到电压电流的脉冲信号。冲脉信号是存在变化的，经过脉冲分配双稳态触发器，实现电流输出，将之传送到10脚、15脚，从而生成双脉冲。借助隔离驱动电路波，能够对双脉冲进行电气隔离，并实现脉冲的放大功能。应用MOS管，可以实现这一阶段的电流功率变换。将硬件关闭PWM电路于8脚进行连接，这样就能够实现故障产生时PWM的自动关闭，起到系统的保护作用。图1为PWM波产生电路的设计。

2  充电控制系统的软件设计以及充电实验

2.1 充电控制系统的软件设计

针对单片机慢脉冲快速充电的控制系统软件设计，具体思路如下：首先，考虑到充电控制的要求，操作人员在接通电源后，此时应由单片机控制充电器，对其进行充电前的初始化。单片机充电器的初始化设置主要包括：电池安装是否到位，电池是否能够正常进行充电。初始化完成后，满足上述条件，由单片机控制，继电器为电动汽车的系统进行供电。系统待机等待充电启/停操作后正式开始充电。满脉冲快速充电的控制系统在充电时，主要经历以下几个阶段。首先，控制系统的恢复性充电阶段。以小电流对蓄电池进行充电。其主要目的为在充电的初期阶段，实现对蓄电池内部反应物质的激活。防止在后续充电过程中，对电动汽车蓄电池造成伤害。需要特别注意的是，此阶段的充电需要持续3～5分钟。而后，进入到恒流慢脉冲充电阶段。在这一阶段，首先应经过电流的测试试验，最终根据试验结果，选定采用60A电流和5A电流交替的恒流充电方式，向蓄电池进行供电。其中，5min的60A大电流;1min的5A小电流。完成这一阶段的充电，电动汽车的蓄电池含电量已经能够达到75%左右。而后进入到恒压慢脉冲充电阶段。恒压慢脉冲充电阶段主要以恒定电压对蓄电池进行充电。本文采取恒定的60V电压充电3min，并且同时以小电流1min的方式，对蓄电设备进行交替充电。这一充电阶段的结束，需要根据电动汽车蓄电池端电压是否存在负增量进行判断。若此时电动汽车蓄电池端电压存在负增量，则立刻结束充电，关掉相关的控制按钮。接下来进入到涓流充电阶段。涓流充电阶段也是最后的一个阶段。在此过程中，主要采用小电流，对蓄电池进行充电，直至达到规定的充电时间，整个基于单片机的电动汽车系统充电完毕。在上述的充电过程中，通过应用软件抗干扰的方式，能够有效解决充电过程中电磁干扰的问题。当A/D采集时，除了采取必要的硬件滤波措施，才可以应用滑动平均值法，对软件进行滤波，从而有效的提高了采集精度，确保充电的高效率。与此同时，选择此种充电方式，还有利于电动汽车蓄电池的散热，避免由于长时间的充电，造成蓄电池内部温度过高，从而容易引发不必要的充电事故。线性插值能够对环境温度展开测量，等于在无形中增加了电动汽车充电的安全性。而且，借助装置中所配备的热敏电阻传感器，利用微处理器，能够将充电过程中所采集到的相关电压数值，能够取得相关的实际温度值。这样一来，既能够保证温度值测量的精度要求，同时还能够有效的减少存储空间的占用。

2.2 充电试验结果分析

上述主要基于单片机的电动汽车充电设计系统进行了论述。为进一步研究恒流慢脉冲充电充电模式，相关技术人员展开了充电试验。该试验主要模拟正常的恒流慢脉冲与多级恒流充电模式下，电动汽车的实际充电状况以及蓄电池的使用情况。

经验证，恒流慢脉冲充电模式恒流慢脉冲充电实验结果显示：应用上述充电系统设计方法，在充电2小时内，电动汽车的内电池电量可以达到95Ah，占电动汽车电池额定容量的80%。而后持续对其进行充电，当充电时间达到4.5小时后，内电池电量为电池额定容量的93%。由此可见，整个试验过程中，应用单片机的电动汽车充电设计方法，电动汽车的充电效率可以达到80%，升温幅度大约在12～16℃范围内。

3  结论

综上所述，当前，我国电动汽车的应用范围正在不断扩大。电动汽车作为环保、科学、高效的代步工具，也已经逐步被人们所接纳。为了更好的解决电动汽车的充电问题，本文主要论述了基于单片机的电动汽车充电设计系统的开发，并对其充电模式、软硬件系统进行了总体的设计。经实验证明：采用慢脉冲充电方式与多级恒流充电方式相结合，能够有效提升充电的效率，确保电动汽车的快速充电安全。应用此种方法，能够有效提高电动汽车蓄电池的使用寿命，而且充电耗时更短，充电过程中的无损功力更少。随着我国电动汽车领域的不断发展，基于单片机的车载充电器的应用将会越来越广泛，市场前景广阔。

参考文献：

[1]张笑彰，高博男.汽车单片机智能充电系统的开发应用[J].信息記录材料，2019，20（09）：124-125.

[2]张光建.汽车单片机智能充电系统的设计探讨[J].电子制作，2014（11）：56-57.

[3]张丽.汽车单片机智能充电系统的设计分析[J].现代工业经济和信息化，2017，7（02）：89-90.

[4]黄杰，聂蓉.基于单片机的电动汽车无线充电自动定位装置控制电路设计[J].轻工科技，2016，32（10）：26-27，41.