电动车充电站多功能智能充电器的设计

孙春虎 朱仁义

(巢湖学院机械与电子工程学院，安徽 巢湖 238000）

电动车充电站多功能智能充电器的设计

孙春虎 朱仁义

(巢湖学院机械与电子工程学院，安徽 巢湖 238000）

目前较先进的电动车充电站大都采用变电流间歇充电法，该法可以实现蓄电池的快速充电，但无法避免极化现象的产生，并且只能对几种固定电压和容量的蓄电池进行充电。为此，介绍了一种新型电动车充电站智能充电器的设计。系统采用波浪式变电压变电流正负零脉冲充电法；主电路主要由半桥逆变电路、放电电路和辅助电源电路组成;控制系统采用了PIC单片机，借助SG3525和霍尔传感器来实现充电控制。该系统不仅避免了极板极化现象的产生，而且能对不同电压和容量的电池进行充电选择，还可以显示实时电量，从而更好地保护了蓄电池，提高了电动车充电站的交互性与智能性。

半桥逆变；PIC单片机；SG3525；波浪式变电压变电流正负零脉冲充电；电量检测

引言

当前的电动车充电站大都采用变电流间歇充电法，虽可以实现快速充电，但仍无法避免极化现象对蓄电池的损坏。当充电电压或容量不在充电范围内时将无法充电，且充电过程中只能显示实时电压，并不能直观的了解充电进度。针对以上几点，本设计采用波浪式变电压变电流正负零脉冲充电法，以消除极化现象；主电路采用半桥逆变开关电源，以提高充电效率；控制系统以PIC单片机为核心，借助SG3525芯片，以实现对不同电压和容量蓄电池的充电；所设计的电量检测与显示系统能更好的反映充电实时信息，从而提高了电动车充电站的交互性和智能性。

1 充电器快速充电方法选择

电动车快速充电的方法很多，应用比较多的充电方式为三段式充电和变电流间歇充电[1-2]。三段式充电法分为：恒流充电、恒压充电、涓流充电三个阶段。此法充电速度最快，但是由于充电电流较大，存在严重的极化现象并且损坏蓄电池的使用寿命，因而不是理想的充电方法。变电流间歇充电法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，以大电流1 C进行充电，当充到转换电压时，停充一段时间，然后减小充电电流继续充电，当充到转换电压时，再次停充。如此反复，直到充电电流减小到0.1 C时，采用0.1 C电流进行恒流充电，直至电池电压充满。此法充电速度较快，但仍然存在极化现象。可见，这两种方法都不是理想的充电方法。在这种情形下，波浪式变电流变电压正负零脉冲充电法应运而生，它结合了脉冲充电和变电流间歇充电法的优点，能有效的消除极化现象，因而得到国内外学者的广泛关注与研究。因此，本设计的充电方法采用波浪式变电流变电压正负零脉冲充电法。该法如图1所示，0～t1时间为脉冲恒流阶段；t1～t2时间为停充阶段，t1时刻关断充电开关，此阶段实现充电电路的可靠关断；t2～t3时间为负脉冲阶段，通过电池放电实现去极化功能；t3～t4阶段实现放电电路的可靠关断。此四个阶段周期性进行，直至充到95%以上电量，最后采用较小的电流进行涓流充电。

2 充电器主电路设计

充电器主电路[3-4]如图2所示。滤波电路既防止电网中的高频干扰串入开关电源，又避免开关电源对电网的反干扰；半桥逆变电路采用MOSFET逆变，逆变频率为20 kHz；放电电路主要由开关S、放电电阻R和反并联二极管D组成，放电时，打开S，电池通过S、R支路放电，关断时，电感L通过R、D续流放电；由于各芯片、传感器工作电压不同，需提供多路电源，故辅助电源设计采用单端反激式电源。

3 充电器控制系统硬件设计

所设计的充电器控制系统硬件设计[5]总图如图3所示。它主要包括PIC单片机、SG3525电路、电压电流采样电路和驱动电路。由于这里涉及到实时的电压、电流、电量检测，人机界面的交互，故单片机需要一定的计算速度和I/O口数，因而这里选用44引脚的16位的PIC单片机24F32KA304。该单片机指令执行速度为16MIPS，程序存储器容量为32K，提供16路12位分辨率的A/D转换器，16位定时器11个，32位定时器5个，具有丰富的片内外设。

SG3525电路[6]如图4所示，1引脚采样电流来自电流传感器，2引脚给定电流来自D/A转换器，引脚11、14输出2路PWM驱动信号，需接驱动电路以驱动MOSFET，单片机通过10引脚控制PWM信号输出的使能与禁止，高电平禁止，低电平使能，CT、RT、RD决定了振荡频率f和死区时间tD，如公式3-1、3-2所示。

由于所设计的充电器要能对60V20AH及以下规格的蓄电池进行充电，充电器的空载电压为75V，充电电流小于10A，故这里所选用的电压传感器为CHV-25P/100，量程为100 V，所选用的电流传感器为CHB-25NP/12，量程为12 A。电压、电流传感器电路如图5、图6所示。由于电压传感器额定输出为5 V，大于PIC单片机的采样电压，因此，输出信号需分压后送入单片机采样，电流传感器由于额定输出信号为24 mA，故需先加100欧电阻将其转换成电压信号，然后一路送单片机采样，另一路送入SG3525进行恒流充电控制。

驱动电路[7]如图7所示。V1、V2互补工作，电容C起隔离直流的作用。T为隔离变压器，齐纳二极管起开关管S正反压过压保护作用。该驱动器具有如下优点：

①电路结构简单可靠，具有电气隔离作用。当脉宽变化时，驱动的关断能力不会随着变化。

②该电路只需一个电源，即为单电源工作。隔直电容C的作用可以在关断所驱动的管子时提供一个负压，从而加速了功率管的关断，且有较高的抗干扰能力。

4 充电器控制系统软件设计

控制系统的软件设计主要包括充电主程序、电压中断处理程序和电量计算程序三部分。

充电主程序如图8所示，系统初始化包括启动电压与电流采样及A/D，D/A等设备的初始化。初始给定充电电流为0.5 C，这样理论上2小时蓄电池将充满电，但由于负脉冲和零脉冲(作用时间较短）的存在，实际上充电时间将为2～3小时。当电压上升变化率≥极化电压上升变化率时，应停止充电采取负脉冲去极化措施；当电压下降变化率≤极化电压下降变化率时，应停止去极化措施并延时；若此时电量＜95%，则等待下一周期的充电过程；若电量≥95%，则以0.1 C的电流涓流充电，直至蓄电池充满电。

图9为电压中断处理场序，主要实现变量a、b、c值的互换，互换后计算电压变化率并存于变量d中。

图10为电量计算程序[8]，主要根据实时电压、电流采样值计算实时电阻，再通过查表(蓄电池内阻—电量关系表）得出实时电量值。

5 结论

本文所设计的快速充电器能对60V20AH及以下规格容量的蓄电池进行充电，充电时间能达到2～3小时之间，当电量低于95%时采用波浪式变电压变电流间歇充电，当电量高于95%时采用涓流充电，故此充电器消除了极化现象的产生，极大地减小了对蓄电池的损坏。该充电器能够显示蓄电池实时电量，并配有按键与显示屏，从而让使用者了解详细的充电信息，达到人机交互智能充电目的，所设计的智能快速充电器具有一定的参考与应用价值。

[1]冯仁斌，魏晓斌.铅酸蓄电池的快速充电[J].电源技术，2003，（1）∶72-74.

[2]李俊.蓄电池快速充电技术研究[D].成都∶西南交通大学，2009∶6-7.

[3]陈坚.电力电子变换和控制技术[M].北京∶高等教育出版社，2004.

[4]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京∶电子工业出版社，2004.

[5]何此昂，邓颖.Microchip PIC24系列单片机原理与程序设计[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[6]王晓锋，王京梅.基于SG3525的开关电源设计[J].电子科技，2011，（6）∶118-120.

[7]龚春英，刘煜.几种MOSFET驱动电路的研究[J].电源技术应用，2001，（3）∶95-97.

[8]高明裕，张红岩.蓄电池剩余电量在线监测[J].电测与仪表，2000，（9）∶28-30.

A RESEARCH ON THE DESIGN OF MULTI-FUNCTION SMART CHARGERS IN THE CHARGING STATION FOR ELECTRIC VEHICLES

SUN Chun-hu ZHU Ren-yi
（School of Mechanical and Electronic Engineering，Chaohu College，Chaohu Anhui 238000）

At present，more advanced electric vehicle charging stations were powered by alternating current intermittent charging method，and this method can achieve the fast charging of the storage battery，but can not avoid the polarization phenomenon，and only aim at the storage battery with fixed voltage and capacity.In doing so，we produce a new type designof electric car charging stations for smart chargers.The system adopts the method of variable voltage alternating current wave of plus or minus zero pulse charging;the main circuit consists of a half-bridge inverter circuit，the discharge circuit and the auxiliary power supply circuit;and the control system uses a PIC microcontroller，utilizing SG3525 and Hall sensor to achieve the charge control.The system not only avoids the polarization plate production，but also provide more charging choices for the batteries with different voltage and capacity.In addition，this system can achieve real-time charging and display real-time electric quantity so as to protect the battery better and improve the interaction and intelligence of electric vehicle charging stations.

half-bridge inverter；PIC microcontroller；SG3525；variable voltage alternating current wave of plus or minus zero pulse charging；battery quantity detection

TM910.6

A

1672-2868（2015）06-0072-04

责任编辑：陈小举

2015-09-29

孙春虎(1986-），男，安徽巢湖人。巢湖学院机械与电子工程学院，助教。研究方向：自动化。