電動汽車智能充電樁的設計與實現

趙榜陽

（廣東電網有限責任公司汕頭潮陽供電局）

0 引言

隨著經濟的發展，全球環境問題日益加劇，石油等化石型能源日趨枯竭，因此開發無污染的新能源汽車是大勢所趨[1-2]。電動汽車的出現，會有效緩解環境污染問題，但是如果要實現電動汽車的規模化、產業化發展，充電樁等配套產業也必須隨之同步發展。電動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，能夠滿足人們對于電動汽車充電快速性的需求，因此設計一款充電速度快、安全性高的電動汽車智能充電樁具有重大的環保意義和科學價值[6]。

1 智能充電樁工作原理

直流充電樁就是由交流電網提供能量，經過能量變換后直接對電動汽車的動力電池進行充電的裝置[7-8]。由于其充電速度快，在業內普遍被稱為“快充”。而交流充電樁是由交流電網提供能量，通過車載充電機對電動汽車的動力電池進行充電，由于其充電速度慢，在業內普遍被稱為“慢充”。交流充電樁對一輛普通容量的電動汽車進行完全充電（從電量為0%到電量為100%的充電過程）耗時8h左右；而直流充電樁耗時僅需要3h左右[9]。交流充電樁充電速度慢是由于電動汽車車載充電機功率小導致的；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對電動汽車的動力電池進行快速充電[10-11]。

2 智能充電樁實現方案

根據智能充電樁的應用，并且結合智能充電樁各組成部分所能實現的功能，可以將智能充電樁劃分為三個主要部分，即控制系統、人機交互系統、安全保護系統，具體的結構如圖1所示。

圖1 智能充電樁模塊化結構

智能充電樁采用TI公司的TMS320LF2407型DSP作為微處理單元，其主要功能是對采集到的信號進行處理，并且根據程序指令，再結合外電路完成智能充電樁的動作；充電單元的作用是為電動汽車動力電池提供直流電源[12]。為了保證充電樁在對電動汽車的充電過程中保證設備與人員安全，設計了緊急停機單元和電氣防護單元組成的安全保護系統，將實時采集到的充電電流、充電電壓、動力電池溫度等參數傳送給TMS320LF2407進行運算，診斷充電樁當前的運行狀態是否正常；緊急停機單元的功能是當充電樁運行中突發故障的情況下，觸發保護設備動作，實現充電樁斷電而保護設備安全，電氣防護單元的目的是預防充電樁中可能出現的短路和漏電流現象帶來的不良影響。

3 快速充電策略

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

因此本文提出一種分段式充電策略實現對智能充電樁的充電控制。一共將充電階段分為四個階段，即預充電階段、分段恒流充電階段、正負脈沖充電階段、恒電壓充電階段。

1）預充電階段：這個階段動力電池的SOC一般情況下不超過10%，其作用是保護電池。首先要檢測動力電池的端電壓，如果小于2.55V則說明動力電池處于過放電狀態，需要進行小電流預充電，在進行快速充電之前進行小電流充電是十分必要的。在動力電池過放電狀態時對其進行快速充電會造成動力電池的損傷。

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

其中，Q=C×SOC，C為動力電池總容量。這個階段可以根據動力電池的當前容量確定充電電流的大小，從而使得充電電流接近動力電池的可接受電流，減少動力電池的極化現象，提高充電速度。

3）正負脈沖充電階段：這個階段動力電池極化現象嚴重，采用正脈沖充電的同時，還需要加入去極化負脈沖。首先要檢測動力電池的端電壓值是否處于3V到3.3V之間。這個階段動力電池的端電壓已經接近3.3V，不適合進行大電流充電，況且之前階段由于大電流充電造成動力電池的極化現象比較嚴重。如果要縮短充電時間可以在采用正脈沖充電的同時，在正脈沖結束后加入一個短暫停歇和一個負脈沖，負脈沖的持續時間與動力電池的極化程度相關。

根據動態等效模型可以得到電壓電流方程為：

4）恒電壓充電階段：這個階段對動力電池進行恒電壓充電，直到動力電池端電壓達到3.4V為止，這個電壓是動力電池可以長時間維持的最高電壓。

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，該芯片已經在大功率充電系統中取得了較為廣泛的應用。其主要特點為：采用3.3V供電，控制器功耗低；指令周期短，執行速度快，控制效果好；片內FLASH為32KB；外部存儲空間、程序存儲空間、數據存儲空間等均可擴展；具有兩個事件管理器；10bit的模數轉換器，轉換速度可達500ns；具備CAN接口、SPI接口、SCI接口；基于鎖相環原理的時鐘發生器；可獨立編程的通用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，采用開關電源進行充電單元電路的設計，該電路主要由三部分構成，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）進行整流，輸出直流電，實現交流電到直流電的變換。

2）全橋功率變換電路：通過4個IGBT將前級電路輸出的直流電轉化為高頻脈沖交流電，再經過高頻變壓器降壓，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的通斷時間和高頻變壓器的匝數比共同決定，實現了直流電到交流電，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，從而可以對動力電池進行指定電流放電，從而抑制充電過程中產生的極化現象，更好地實現對電動汽車動力電池的充電。

5 功能測試

為了證明基于分段式快速充電策略對于電動汽車動力電池的充電效果，得到其充電總時長為3400s，充電結束時的動力電池容量為99.99%，試驗數據如表1所示。

表1 基于分段式快速充電策略試驗數據

將基于分段式充電與四段式充電和脈沖式充電的試驗數據進行比較如表2所示。

表2 三種試驗數據對比

從表2中數據可以明顯看出，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。基于分段式快速充電策略能夠很好地實現對電動汽車動力電池的充電控制，所耗時間最短，動力電池端電壓最高。

6 結束語

在汽車工業飛速發展的今天，由于汽車尾氣排放造成的環境污染問題逐步加劇。電動汽車的出現從根本上解決了汽車造成環境污染的問題，因此大力發展電動汽車意義重大，電動汽車充電樁的建設也必須同步展開。本文從電動汽車智能充電樁的工作原理入手，給出智能充電樁的實現方案，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汽車動力電池的使用壽命，在智能充電樁的硬件上，采用TI公司的TMS320LF2407作為微處理器，實現充電樁的充電控制。經過功能測試，本文所設計的電動汽車智能充電樁能夠實現對電動汽車動力電池高效、快速充電，還能夠延長動力電池的使用壽命，具有一定的經濟價值和技術價值。