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电动汽车电池智能快速充电器的设计 黄会雄 电动汽车电池智能快速充电器的设计 黄会雄, 袁力辉，罗及红，苏神保袁力辉，罗及红，苏神保 （湖南商务职业技术学院，湖南.长沙 410205） 摘要摘要：本文介绍了一种电动汽车智能快速充电器的设计过程。该充电器基于 Cygnal 公司的 C8051F040 单片机为控制核心，将 C8051F040 特有的模拟电路模块、高精度 A/D 转换、I2C 总线接口以及高速 PWM 等功能运用到充电控制中。该充电器嵌入 C/OS-II 实时操作系统并采用移相全桥软开关的主电路拓扑，具 有较高的效率，而且电流、电压应力小，工作稳定可靠。本文详细讲述了其硬件和软件的设计过程。 关键词关键词：电动汽车；智能控制；快速充电。 中图分类号： TP393.1 文献标识码：B Electric Automobile Battery Intelligence Fleetness Charger Design HUAG Hui-xiong YUAN Li-hui LUO Ji-hong SU shen-bao （Hunan Vocational College of Commerce, Changsha 410205, China) Abstract: One kind of electric automobile intelligence fleetness charger design process the main body of a book has been introduced. Be a chargers turn to control middle owing to that the C8051F040 of Cygnal company monolithic machine being to control core , the proper dummy load module , high-accuracy A/D change C8051F040 , functions such as I2C highway interface and high speed PWM applies to battery charging. And be a chargers turn to implant C/OS-II real time OS and adopt to move the each other complete bridge soft the switch host circuit topology, have higher efficiency, electric current , voltage strain are small , job stability is reliable. Whose hardware and the software design process the main body of a book has been given an account of detailedly. Keywords: Electric automobile; Intelligent control; Quick charge. 1、引言、引言 电池是电动汽车的关键动力输出单位，在铅酸蓄电池，镍镉电池，镍氢电池，锂电池和 燃料电池等几种常用电池中，因为具有能量比大、重量轻、温度特性好，污染低，记忆效果 不明显等特点，铅酸蓄电池、镍氢电池在电动汽车中使用很普遍。然而由于充电方法的不正 确， 造成充电电池的使用寿命远远低于规定的寿命。 也就是说很多电池不是被用坏的而是被 充坏的， 可见充电器的好坏对电池寿命有很大的影响。 基于此， 本文提出一种使用 C8051F040 单片机智能充电控制方案的智能充电器的设计， 能有效的提高充电效率， 延长电池的使用寿 命。 2、硬件设计、硬件设计 2.1 系统框图 该电动汽车智能充电器以 C8051040F 单片机为控制核心，主要包括 AC/DC 变换器、 IGBT 功率模块、高频变压器、整流滤波电路、单片机控制电路、脉冲调宽电路以及状态显 1示电路等。图 1 是其系统框图。 1基金项目：基金申请人：黄会雄；基金颁发部门：湖南省经济委员会重点资助；项目名称：基于 CAN 总 线电动汽车电池管理系统研究与设计；编号：湘经科技2006259 220V 整流功率开关 IR2110 UCC3895 高频变压器整流滤波 温 度 传 感 器 PWM 串口 部分 I2C 部分 A/D 部分 I/O 接口 键盘电路 显示电路 T1 电流互感器 C8051F040 . 上位机 电 压 传 感 器 图 1 电动汽车智能充电器系统框图 该方案中开关电源的最大输出功率为 26KW，交流输入范围为 1 70V270V，充电器 电路主要包括主充电电路和单片机控制电路两部分，整个电路的工作过程为：220V 单相交 流电经过全桥整流由电容进行滤波，得到约 300V 左右的直流电，经过由 4 只 IGBT 构成的 逆变桥，得到高频交流电，经高频变压器耦合到副边，再经过整流管 D6，D7 整流，最后经 过电感 L 3 和电容 C7 滤波后得到稳定的直流输出。由于采用智能充电，根据不同的电池每 个阶段充电电压和充电电流都不同。所以使用 Cygnal 公司的 C8051040F 单片机作为充电过 程控制设备，充电时单片机检测充电电池的充电电流，充电电压，电池温度，防止电路过压 和过流， 电池温度过高， 还可以通过检测电池电压电流值来决定是否在切换到下一个的充电 阶段。 同时通过单片机给出每一阶段的充电的电压值或是电流值， 与采样所得的对应电压电 流值相比较，通过移相控制芯片 UCC3895 改变 PWM 值来改变功率管的导通时间，达到在 不同电池不同阶段得到不同稳定的输出值的目的。 2.2 单片机控制电介绍 充电控制电路采用 C8051F040 单片机进行数据采集和控制，该芯片是完全集成混合信 号系统级芯片（SOC） ，具有与 8051 指令集完全兼容的 CIP-51 内核。它在一个芯片内集成 了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件。 这些外设或功能部件包括： ADC、 可编程增益放大器、 DAC、 温度传感器、 I2C 总线、 UART、 SPI、定时器、可编程计数器、/定时器阵列等。C8051F040 单片机采用流水线结构，机器周 期由标准的 12 个系统时钟周期降为 1 个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值性能可达 到 25MIPS。 内置 64K 字节的 Flash 程序存储器和 256B 的内部 RAM 及 4KB 位于外部数据 存储器空间的 XRAM。 C8051F040 具有片内 JTAG 调试电路， 通过 4 脚 JTAG 接口并使用安 装在最终应用系统中的器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。由于其具有多达 8 路 12 位 ADC 和 8 路 8 位 ADC， 能对来自端口 PORTC 的单端输入电压、电流进行采样。 6 通道 PWM，片内可编程看门狗定时器，可大大简化单片机控制电路的外围设计和保证了 程序的安全运行。ADC 负责对充电时电压，电流，I2C 负责温度数据的采集，PWM 输出充 电时电压电流的基准值到到比较电路，同时单片机控制开关电源控制模块 UCC3895。 电压检测电路：电压采样电路由精密电阻和可调电阻构成，由于该单片机 AD 测量最大 设定范围为 5V。所以要使电池组电压成比例的缩小在 5 V 范围内，然后利用 C8051F040 内 部的 AD 转换功能进行转换。单片机在内部计算出电池电压，该电路采用单片机内部自带 1 2 位 AD 转换，减少了设计电路的复杂性，并提高了可靠性和精度，为了抵抗电气干扰和高 压电击，该电路采用高速隔离光藕 PC81 7 隔离。 电流检测电路： 一般进行电流采集时在电路中串联一个阻值很小的取样电阻， 把取样电 阻上的电压输入单片机转换通道，进行 AD 转换，再通过计算把电压值转换为电流值。但 由于本方案中充电电流较大，使用电阻采样会消耗点较多的功率，因此，本方案使用电流互 感器进行电流采样。 温度检测电路：温度采样采用温度传感器 LM92。LM92 是美国国家半导体公司公司出 品的单片高精度数字温度传感器。常温下，测温精度可达到正负 0.33 度，并可与用户设置 的温度点进行比较。 通过 I2C 总线接口可对该传感器的内部寄存器进行读写操作。 其编程容 易，使用方便，在高精度温度测量及控温过程中得到广泛应用。 在充电开始前的预处理阶段，根据不同的电池，软件选择相应的充电算法，将通道选择 控制字写入 C8051F040 单片机的方式寄存器 PCA0CPMn 中，并初始化计数器/定时器的寄 存器 PCA0 和模块捕捉/比较寄存器 PCA0CPn。PWM 输出信号的频率取决于 PCA0 计数器/ 定时器的时基。改变模块捕捉/比较寄存器 PCA0CPn 的值可改变 PWM 输出脉冲的占空比。 65536 065536PCnPCA 占空比为 充电开始后，软件定时采集采样电池分压电阻上的电压值，同时，电流互感器电路实时 检测充电电流，经过计算，设置 PCA0CPn 单片机 PWM 的输出参数。实现最佳智能充电控 制。 3.3 状态液晶显示模块电路 选用 LCD1286A 点阵液晶显示屏作为状态显示。液晶显示模块电路可直接与单片机 C8051F040 的 I/O 口的 P5 和 P3 连接，.P5 作为数据口(D0D7)；P3.0、P3.1、P3.2、P3.3、 P3.4 和 P3.5 连接液晶模块的 6 条信号线 LCDD/I，LCDR/W，LCDE，LCDCS1，LCDCS2 和 LCDRST 控制液晶的读/写操作。在充电的每个阶段均有状态显示，如：电池处于正在充 电状态、电池因温度过高进入温控状态、电池快充结束充电状态等。 3、软件设计、软件设计 本软件主要由系统初始化、 预处理、 根据不同电池类型和状态选择脉冲快速充电模块与 算法或恒流、恒压、浮充充电模块与算法等部分组成。其流程如图 2 所示。 开始 系统初始化 测量环境温度 在充电范围吗？ 判断电池类型和状态 脉冲快速充电模块与算法 先恒流后恒压再浮充充电 是镍氢电池是铅蓄电池 模块与算法 结束充电 是 否 图2 主程序框图 3.1、初始化 在程序的初始阶段应首先对 C8051F040 单片机进行初始化操作，通过设置 I/O 口编码 交叉开关来设置 I/O 端口的输入输出状态，确定芯片引脚功能，设置中断、TIM 定时器参数 等等。 3.2、预处理 预处理阶段是进入快速充电前的准备工作。 程序初始化后，首先利用 C8051F040 单片机的内部温度传感器检测环境温度。环境温 度过低或过高时，均不能够对电池进行充电，否则将损伤电池。 然后，设置 A/D 转换参数和通道，检测电池的端电压。将检测数据同理论经验值比较， 判断电池的类别以及是否连接正确。对端电压低的电池，采用短时间的脉动电流充电，这样 有利于激活电池内的化学反应物质， 部分恢复受损的电池单元。 对端电压在标称范围内的电 池选择相应的充电控制模块和算法，对端电压不在标称范围内的电池，软件自动将其剔除。 3.3、快速充电 按预定的充电控制模块和算法设置 C8051F040 单片机 PWM 的控制寄存器 PCA0CN、 方式寄存器 PCA0MD 以及 16 位捕捉/比较寄存器 PCA0CPn，打开中断使能位，开始快速充 电。 快速充电时， C8051F040 单片机必须不断检测以下几项关键技术指标： 电路是否出现断 路、电池是否出现不均衡现象、电池是否达到规定的安全电压、电池是否温度过高、电池是 否满足-V 或T/t 条件。 其中电池的断路主要通过检测采样电阻上的电流大小来判断。 而且为了避免误判断， 应 该反复检测。当出现断路时，应重新返回预处理阶段。断路的判断时机应该在电池端电压已 经达到预定值的情况下进行， 否则在电池端电压没有达到预定值的情况下， 充电电流比较小， 可能出现误判断。 电池的端电压检测使用 C8051F040 单片机的片上 12 位高精度 A/D 模块， 采用中断控制 方式，这样可节省 C8051F040 单片机在 A/D 转换期间的等待时间。端电压检测的数据，通 过充电算法计算电池的电压负增长-V 是否满足快速充电终止条件，时实修改 C8051F040 单片机 PWM 的输出参数，控制充电电流的大小。 电池的温度检测在端电压检测之后进行。C8051F 单片机通过设置不同的地址编码，访 问相应的数字温度传感器 LM92，读取温度数据，通过充电算法计算电池的温度变化率T/ t 是否满足快速充电终止条件，时实修改 C8051F040 单片机 PWM 的输出参数，控制充电 电流的大小。 为了防止电池被冲坏， 在电池电压到达最高端电压 Vmax 或最高温度 Tmax 时应立刻停 止充电，否则会损坏电池。 4、结束语、结束语 实验结果证明，以 C8051F040 单片机为控制核心的智能快速充电器已能正常工作。由 于 C8051F040 具有良好的性能价格比，将其特有的模拟电路模块、高精度 A/D 转换、I2C 总线接口以及高速 PWM 等功能运用到充电控制中，有效使用了 C8051F040 的片内外功能， 增加产品的智能化和实用性，节省了产品的开发时间和费用，降低了生产成本，同时也提高 了产品的一致性和可靠性，具有很好的推广价值。 本文作者创新点：本文作者创新点：本设计以SoC单片机C8051F040 为主体,构建电动汽车电池充电系统 的硬件设计平台和软件设计方法,并在C8051F040内部嵌入C/ OS II 实时操作系统,可大大 提高系统的稳定性和实时响应能力, 增强系统的可靠性、可扩展性和、移植性。 注：研究的起止时间为：2006年7月至2008年7月。整个项目完成后，将形成1万套的年 生产规模，可新增年产值1200万元，利税360万元 参考文献 1 杜娟娟等. 电动车铅酸蓄电池的脉冲快速充电设计J.电源技术,2005,(3) 2 杨华. C/OS-II 在混合动力汽车总控制中的应用J. 微计算机信息.2007,(2-2), 262-264. 3 童长飞.C8051F 系列单片机开发与 C 语言编程M.北京:北京航空航天大学出版 社,2005. 4 孙德龙等译.C8051F 单片机应用解析M. 北京:北京航空航天大学出版社,2002. 作者简介: 黄会雄（1961-） ，男，湖南长沙人，副教授，硕士，高级工程师，主要研究计算 机控制技术。 Biography: HUANG Hui-Xiong, born in 1961, male, originally from Changsha in H