非车载式电动汽车充电设备监控系统的研究

随着环境污染问题日益突出，电动汽车作为减少化石燃料利用的有效手段得到了全社会越来越多的关注。电动汽车具有节能、高效、低排放等优势，关于电动汽车重中之重的动力电池和充电技术受到政府和汽车厂家的广泛重视，并已取得了显著的成果。常见的各类蓄电池充电方法主要包括恒定电流式、恒定电压式、恒压恒流式、脉冲电流式以及智能充电等多种方法。

智能充电是目前电动汽车动力电池技术先进的充电方法，是发展方向。在整个电池充电过程中，充电设备的监控和通信单元根据电动汽车电池管理系统（简称：BMS）传来的电池实时信息参数进行监控，并利用这些信息参数（如电流、电压、温升、单体电池一致性、时间、容量等），对当前电池的最大允许充电电流进行估算，不断调整和适应，形成比较理想的充电曲线。本文主要研究STC98C52在非车载式电动汽车充电设备中的运用。

1  充电设备监控系统的要求

电动汽车充电设备的监控系统是指监控电池在充电过程中的参数和充电设备的运行信息，保证电动汽车充电设施的可靠性、安全性、高效性和自动化水平。

电动汽车的蓄电池在充放电过程中，通过充电设备的CAN总线，将车辆BMS和充电设备STC98C52单片机联系起来，实现数据共享；BMS将电池参数实时地传送到充电设备，STC98C52根据BMS提供的信息参数改变自己的充电曲线，防止电池过度充电，保护电池。

2  充电设备设计

2.1  智能充电设备的工作原理

电动汽车充电设备在简化后本质就是LLC谐振变换器和DC-DC转换器，而充电控制系统是以单片机STC89C52为核心控制器，管理着整个充电设备的操作流程，而EEPROM用于存放各种类型蓄电池的充电参数，及在不加电的情况下保存电池各相关参数的设定值和保护值。监视和控制系统接受控制指令并发送到充电设备的脉宽调制逆变电路，通过调节IGBT开关管的导通和关闭时间，来控制输出电压、电流的大小。电动汽车充电设备的原理框图见图1。

2.2  信息参数的采集（电压、电流、温度）

电池的信息参数的采集是充电设备监控系统的主要功能之一。采集的对象是实时的充电电压、充电电流、温度、SOC、SOD等信息，经过A/D转换器以数字量的形式存入存储器，STC89C52再对其进行分析、运算和处理。

图1 非车载式电动汽车充电设备的原理框图

① 电压信息。在实际的设计过程中，充电电压要考虑到采集的电池信息参数既有幅度和有效值的差距，又有极性的不同，需对输入电压信号提前预处理，再通过氧化膜精密电阻进行比例衰减，经RC滤波,再送A/D转换器测量。

② 电流信息。对于电流信息参数的采集，采用适合于大电流检测的霍尔传感器。霍尔传感器灵敏度高、线性度和稳定性好，通过磁电转换，使得信号测量回路和执行主回路之间隔离。充电电流通过霍尔传感器和电阻按比例大小变换成电压信号，再输入到A/D端口。

③ 温度信息。温度信息包括充电设备和电池两方面。蓄电池在充电过程中温升会有点变化，温度过高影响充电效率，利用从BMS获得的电池温度，实时地调整充电电流，防止过充和欠充。充电设备的温度测量一般选用单线数字温度传感器，一旦检测到温度超标，将降低输出电流，直至关闭输出。

2.3  串口电路和CAN总线设计

充电设备中串行和CAN总线通信电路的功能是实现STC89C52与电池管理系统BMS之间，STC89C52与主控计算机（需要时）之间的通信，从而把电池信息参数传到STC89C52，使其能够实时地确定合适的充电策略。考虑信号传输质量和抗干扰，充电设备与车辆BMS之间采用RS485接口。对于功率超过20KW的充电设备，各功率模块单元采用并联的方式，具备容错性，根据充电电流的大小，由RS485实时地接通和关闭扩展模块。

如联网、建充电站时，便携式充电机或充电桩与站用主控计算机之间通过CAN总线进行数据通信。在充电设备设计时，可以预留CAN总线接口。

2.4  充电设备监控

智能式的电动汽车充电设备的特点在于其监控系统以单片机STC89C52为核心介质，在Linux操作系统上开发出应用程序；STC89C52完成对充电设备实时状态的监测、分析、运算，并进行处理、显示、通信等任务。需要开发、编写的监控软件有主程序（主程序流程图见图2）、显示子程序、常规充电子程序、维护充电子程序等，配合充电设备以能够实现如下主要功能：

① 具备自动充满电的能力。充电设备依据采集的车辆电池信息参数能动态调节输出的充电电压、充电电压幅值，执行相应的动作，自动完成充电过程；

② 具备手动充电控制的人机交互功能。在充电前、过程中，由设备操作者通过液晶触摸屏设置或改变充电参数，充电设备根据设定的参数予以执行，完成充电过程；操作者可随时关闭设备。

③ 具备CAN与BMS高速通信功能。自动判断充电枪是否正确连接；采集整组和单体电池充电前和充电过程中的实时数据、故障告警信息。

图2  充电设备监控主程序流程图

2.5  充电设备安全性设计

在设计过程中，应充分考虑充电设备的可靠性、维修性、安全性、环境适应性，以及动力电池的安全性，同时考虑电子设备电磁兼容性。安全方面采取的主要硬件和软件措施包括：紧急停止充电按钮，人工确认启动充电，交流输入过电压保护，交流输入欠电压和缺相保护，交流输入过电流保护，直流输出过电流保护，单体电池电压限制等多项保护和告警提示功能。

特例，充电过程中当启动急停开关或发生故障时，充电设备须在50ms内将电流值将至5A或100ms内断开直流输出接触器，且充电枪输出接口电压在1s内下降至60V以下，确保人身安全。

2.6  人机界面

在研发策划时，充分考虑方便用户使用需求，通过软件实现良好的人机界面。界面上可以显示充电设备生产厂家，或显示使用的充电站名称，主要信息参数。人机互动界面主要包括：欢迎界面、BMS握手界面、重新连接电缆界面、正在充电界面、故障显示界面、充电结束界面等。

如，“正在充电”界面见图3。如果与BMS握手正常，就会进入正在充电界面，显示SOC、电压、电流和剩余的充电时间等信息。

图3 充电状态显示界面

3  充电设备测试

为测试应用了STC89C52监控单元和半桥LLC谐振变换器的电动客车充电设备的充电能力和控制水平，将开发的便携式充电机样机连接电动汽车蓄电池组，通过预先设定的控制程序进行充电和模拟故障的控制测试，测试结果显示充电设备发挥出有效的触摸式软开关能力，输出的充电电压、电流，实时的蓄电池电量，以及保护功能达到预期的目的。

4  结语

本项目的研究解决电动汽车动力电池在快速、安全、可靠和智能充电方面存在的问题，提供了新思路和理论依据，对于电动汽车动力电池需求的该类产品的竞争力和企业的发展都有重大指导意义。