孙华雨，郭三刺

（河南机电职业学院，河南 新郑 451191）

一种电动汽车车载高频智能充电机的设计研究

孙华雨，郭三刺

（河南机电职业学院，河南 新郑 451191）

采用单片机和充电集成电路进行充电机的设计，不但能够实现对一般的蓄电池进行充电，而且还能够实现相应的过压、温度等保护功能，从而可以充分发挥蓄电池的性能，延长电池的使用寿命，并避免简易充电器在充电时可能对电池造成损害的情况发生。

电动汽车；车载；高频；智能充电机

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)06-28-02

引言

面临环境污染和能源的压力，国内外汽车厂商都十分重视研究开发电动汽车，各国国家不惜投入巨资进行研究开发，并制定了相关的政策推动电动汽车的发展。电动汽车充电系统作为电动汽车的重要配套工程，相关的研究与开发工作也取得了长足的发展，其研究方向主要集中在智能化快速充电技术、电池充放电安全管理，提高充电机的效率和功率密度，实现充电机的小型化、提高功率因素、减小充电机对电网的污染等方面。未来充电装置的发展趋势为智能化、高效率、高功率密度、高功率因数、高可靠性、小型化、方便维护与安装。

目前国内使用较多的为车载式充电机，但是由于没有遵从蓄电池内部的物理和化学规律进行合理的充电，大大降低了蓄电池的使用寿命，且硬件结构上采用的多为可控硅控制，由于不是智能控制，其效果不是很理想，故障也很多[1]。

1、充电机的总体结构设计

本设计“电动汽车车载高频智能充电机”采用单片机为主要控制核心。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示电路等。整个电路采用了AC/DC-DC/DC的设计结构，其中AC/DC变换采用全桥式拓扑。控制电路的控制原理是通过对主电路的逆变部分的PWM(脉宽调制)调节，控制IGBT开关管导通、关闭的时间，以达到控制主电路输出部分的电 压、电流的大小, 其控制部分还包括对电流、电压、温度的采集监测以及实时显示。

2、充电机的主要电路设计

2.1 APFC电路设计

本设计选择工作于连续调制模式下的平均电流型升压式APFC电路来实现较为合适。由ICE2PCS01构成的有源功率因数校正电路具体的电路设计下图2所示。

2.2 充电控制电路的设计

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。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。

2.3 保护电路的设计

● 电压检测电路：

电压采样电路由精密电阻和可调电阻构成，该电路采用单片机内部自带12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 A／D 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。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。

2.4 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(D0～D7)；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。

2.5 软件设计

本充电机采用模块式结构，主要由初始化程序、充电方式设置模块、预处理模块、A／D转换模块、D／A转换模块、定时模块和显示模块等部分组成。其中，充电方式设置模块用于设置电池类型和充电方式；A／D转换模块用于检测电池的电压和温度，以确定是否终止充电过程；系统程序的流程图如图3所示[2]。

3、结论

本产品采用多种算法，可根据电池类型选用相应的充电曲线，对铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等常用电池进行充电，满足多种类型电动汽车的应用，适用范围广。将不同电池类型的充电曲线数据及算法输入充电机控制芯片，通过软件程序，实现对多种电池类型的自动选择，智能充电，无需手动调节，并且能实现多种保护功能，延长蓄电池使用寿命。

[1] 陈清泉,孙逢春等.现代电动汽车技术.北京理工大学出版社.

[2] 王晓明.电动汽车智能充电机设计研究.中国汽车工程学会2003学术年会.

Design and research for an electric motor vehicle high-frequency smart charger

Sun Huayu, Guo Sanci
( Henan mechanical and electrical vocational college, Henan Xinzheng 451191 )

Single chip and microcomputer integrated circuit are used for the design of the charger, it does not only can make the general battery recharged, but also can realize the corresponding over voltage, temperature and so on, which are protection function, which succeed in fulfilling the performance of the battery, and prolong the service life of the battery, and so it is avoided when simple chargers may cause damage to the battery.

Electric cars; vehicle-mounted; high frequency; smart charger

U463.6

A

1671-7988(2015)06-28-02

孙华雨，河南扶沟人，硕士研究生。