趙榜陽

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭潮陽供電局）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球環(huán)境問題日益加劇，石油等化石型能源日趨枯竭，因此開發(fā)無污染的新能源汽車是大勢所趨[1-2]。電動(dòng)汽車的出現(xiàn)，會(huì)有效緩解環(huán)境污染問題，但是如果要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，充電樁等配套產(chǎn)業(yè)也必須隨之同步發(fā)展。電動(dòng)汽車的充電方式包括：直流充電方式、交流充電方式、更換電池方式三種[3-5]，其中直流充電方式的充電速度最快，能夠滿足人們對(duì)于電動(dòng)汽車充電快速性的需求，因此設(shè)計(jì)一款充電速度快、安全性高的電動(dòng)汽車智能充電樁具有重大的環(huán)保意義和科學(xué)價(jià)值[6]。

1 智能充電樁工作原理

直流充電樁就是由交流電網(wǎng)提供能量，經(jīng)過能量變換后直接對(duì)電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池進(jìn)行充電的裝置[7-8]。由于其充電速度快，在業(yè)內(nèi)普遍被稱為“快充”。而交流充電樁是由交流電網(wǎng)提供能量，通過車載充電機(jī)對(duì)電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池進(jìn)行充電，由于其充電速度慢，在業(yè)內(nèi)普遍被稱為“慢充”。交流充電樁對(duì)一輛普通容量的電動(dòng)汽車進(jìn)行完全充電（從電量為0%到電量為100%的充電過程）耗時(shí)8h左右；而直流充電樁耗時(shí)僅需要3h左右[9]。交流充電樁充電速度慢是由于電動(dòng)汽車車載充電機(jī)功率小導(dǎo)致的；直流充電樁本身輸出的電壓和電流比較大，其輸出功率也就比較大，所以直流充電樁能夠?qū)﹄妱?dòng)汽車的動(dòng)力電池進(jìn)行快速充電[10-11]。

2 智能充電樁實(shí)現(xiàn)方案

根據(jù)智能充電樁的應(yīng)用，并且結(jié)合智能充電樁各組成部分所能實(shí)現(xiàn)的功能，可以將智能充電樁劃分為三個(gè)主要部分，即控制系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)，具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能充電樁模塊化結(jié)構(gòu)

智能充電樁采用TI公司的TMS320LF2407型DSP作為微處理單元，其主要功能是對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，并且根據(jù)程序指令，再結(jié)合外電路完成智能充電樁的動(dòng)作；充電單元的作用是為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池提供直流電源[12]。為了保證充電樁在對(duì)電動(dòng)汽車的充電過程中保證設(shè)備與人員安全，設(shè)計(jì)了緊急停機(jī)單元和電氣防護(hù)單元組成的安全保護(hù)系統(tǒng)，將實(shí)時(shí)采集到的充電電流、充電電壓、動(dòng)力電池溫度等參數(shù)傳送給TMS320LF2407進(jìn)行運(yùn)算，診斷充電樁當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)是否正常；緊急停機(jī)單元的功能是當(dāng)充電樁運(yùn)行中突發(fā)故障的情況下，觸發(fā)保護(hù)設(shè)備動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)充電樁斷電而保護(hù)設(shè)備安全，電氣防護(hù)單元的目的是預(yù)防充電樁中可能出現(xiàn)的短路和漏電流現(xiàn)象帶來的不良影響。

3 快速充電策略

電動(dòng)汽車充電時(shí)其充電可接受比是變化的，與動(dòng)力電池的放電率和放電深度有關(guān)。所以在充電時(shí)同樣可以進(jìn)行放電操作，以降低充電時(shí)間，改善充電特性。如果在充電初始階段進(jìn)行正負(fù)脈沖充電，雖然可以提高動(dòng)力電池的可接受充電電流，但是也增加了充電時(shí)間。

因此本文提出一種分段式充電策略實(shí)現(xiàn)對(duì)智能充電樁的充電控制。一共將充電階段分為四個(gè)階段，即預(yù)充電階段、分段恒流充電階段、正負(fù)脈沖充電階段、恒電壓充電階段。

1）預(yù)充電階段：這個(gè)階段動(dòng)力電池的SOC一般情況下不超過10%，其作用是保護(hù)電池。首先要檢測動(dòng)力電池的端電壓，如果小于2.55V則說明動(dòng)力電池處于過放電狀態(tài)，需要進(jìn)行小電流預(yù)充電，在進(jìn)行快速充電之前進(jìn)行小電流充電是十分必要的。在動(dòng)力電池過放電狀態(tài)時(shí)對(duì)其進(jìn)行快速充電會(huì)造成動(dòng)力電池的損傷。

2）分段恒流充電階段：這個(gè)階段要短時(shí)間內(nèi)最大限度對(duì)電池進(jìn)行無損充電，首先檢測動(dòng)力電池的端電壓是否處于2.55V到3V之間，這個(gè)階段動(dòng)力電池的極化現(xiàn)象不明顯，不需要進(jìn)行去極化操作。將這個(gè)階段細(xì)分為七個(gè)小階段，使之與動(dòng)力電池的可接受電流變化規(guī)律相匹配。這個(gè)階段的最佳充電電流為：

其中，Q=C×SOC，C為動(dòng)力電池總?cè)萘?。這個(gè)階段可以根據(jù)動(dòng)力電池的當(dāng)前容量確定充電電流的大小，從而使得充電電流接近動(dòng)力電池的可接受電流，減少動(dòng)力電池的極化現(xiàn)象，提高充電速度。

3）正負(fù)脈沖充電階段：這個(gè)階段動(dòng)力電池極化現(xiàn)象嚴(yán)重，采用正脈沖充電的同時(shí)，還需要加入去極化負(fù)脈沖。首先要檢測動(dòng)力電池的端電壓值是否處于3V到3.3V之間。這個(gè)階段動(dòng)力電池的端電壓已經(jīng)接近3.3V，不適合進(jìn)行大電流充電，況且之前階段由于大電流充電造成動(dòng)力電池的極化現(xiàn)象比較嚴(yán)重。如果要縮短充電時(shí)間可以在采用正脈沖充電的同時(shí)，在正脈沖結(jié)束后加入一個(gè)短暫停歇和一個(gè)負(fù)脈沖，負(fù)脈沖的持續(xù)時(shí)間與動(dòng)力電池的極化程度相關(guān)。

根據(jù)動(dòng)態(tài)等效模型可以得到電壓電流方程為：

4）恒電壓充電階段：這個(gè)階段對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行恒電壓充電，直到動(dòng)力電池端電壓達(dá)到3.4V為止，這個(gè)電壓是動(dòng)力電池可以長時(shí)間維持的最高電壓。

4 智能充電樁硬件核心部分

4.1 微處理器

微處理器單元選擇TI公司的TMS320LF2407芯片，該芯片已經(jīng)在大功率充電系統(tǒng)中取得了較為廣泛的應(yīng)用。其主要特點(diǎn)為：采用3.3V供電，控制器功耗低；指令周期短，執(zhí)行速度快，控制效果好；片內(nèi)FLASH為32KB；外部存儲(chǔ)空間、程序存儲(chǔ)空間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間等均可擴(kuò)展；具有兩個(gè)事件管理器；10bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)500ns；具備CAN接口、SPI接口、SCI接口；基于鎖相環(huán)原理的時(shí)鐘發(fā)生器；可獨(dú)立編程的通用GPIO引腳。

4.2 充電單元電路

充電單元作為智能充電樁的核心，決定了智能充電樁的性能，采用開關(guān)電源進(jìn)行充電單元電路的設(shè)計(jì)，該電路主要由三部分構(gòu)成，即三相橋式整流電路、全橋功率變換電路、放電去極化電路。充電單元電路原理如圖2所示。

圖2 充電單元電路原理

1）三相橋式整流電路：其功能是將輸入的三相工頻交流電（380V/50Hz）進(jìn)行整流，輸出直流電，實(shí)現(xiàn)交流電到直流電的變換。

2）全橋功率變換電路：通過4個(gè)IGBT將前級(jí)電路輸出的直流電轉(zhuǎn)化為高頻脈沖交流電，再經(jīng)過高頻變壓器降壓，輸出充電電路所需的高頻脈沖交流電，再經(jīng)過整流得到最終的直流電壓。直流電壓的大小由IGBT的通斷時(shí)間和高頻變壓器的匝數(shù)比共同決定，實(shí)現(xiàn)了直流電到交流電，再到直流電的變換，直流電輸出可控。

3）放電去極化電路：由DSP控制IGBT，從而可以對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行指定電流放電，從而抑制充電過程中產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的充電。

5 功能測試

為了證明基于分段式快速充電策略對(duì)于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的充電效果，得到其充電總時(shí)長為3400s，充電結(jié)束時(shí)的動(dòng)力電池容量為99.99%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 基于分段式快速充電策略試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將基于分段式充電與四段式充電和脈沖式充電的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較如表2所示。

表2 三種試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

從表2中數(shù)據(jù)可以明顯看出，三種充電方法中，充電效果最佳的是基于分段式快速充電策略?；诜侄问娇焖俪潆姴呗阅軌蚝芎玫貙?shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的充電控制，所耗時(shí)間最短，動(dòng)力電池端電壓最高。

6 結(jié)束語

在汽車工業(yè)飛速發(fā)展的今天，由于汽車尾氣排放造成的環(huán)境污染問題逐步加劇。電動(dòng)汽車的出現(xiàn)從根本上解決了汽車造成環(huán)境污染的問題，因此大力發(fā)展電動(dòng)汽車意義重大，電動(dòng)汽車充電樁的建設(shè)也必須同步展開。本文從電動(dòng)汽車智能充電樁的工作原理入手，給出智能充電樁的實(shí)現(xiàn)方案，并提出基于分段式的快速充電策略，既保證充電速度又保證了電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的使用壽命，在智能充電樁的硬件上，采用TI公司的TMS320LF2407作為微處理器，實(shí)現(xiàn)充電樁的充電控制。經(jīng)過功能測試，本文所設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車智能充電樁能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池高效、快速充電，還能夠延長動(dòng)力電池的使用壽命，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和技術(shù)價(jià)值。