一款电动车充电器控制系统设计

摘要：为了满足电动汽车蓄电池快速无损伤充电的要求，设计了基于NEC单片机+SG3525的充电控制系统。该控制系统采用慢脉冲快速充电方法，对动力蓄电池按给定的曲线进行高效的快速脉冲充电。对单片机控制系统外围电路和软件进行了设计。进行了蓄电池充电实验，结果表明，系统可以较好的实现对动力蓄电池的快速无损伤充电。

关键词：NEC单片机;充电器;控制系统;快速充电;无损伤

进入21世纪，环境和能源危机日益突出。电动汽车作清洁、高效和可持续发展的交通工具，成为当今国际汽车行业发展的潮流和热点。

目前，制约电动汽车推广的主要因素之一是充电效果不好，同时充电控制方法的选择不当，使多数充电器与蓄电池不匹配。在这样的背景下，本文结合某公司的增程型车载电动汽车充电器研发项目，设计了一种基于NEC单片机的智能充电控制系统。该系统采用多级恒流与慢脉冲充电相结合的快速充电策略，使动力蓄电池工作在较理想的工况下，延长其使用寿命，提高充电效率。

1 充电方式设计

传统的充电方法主要有以下几种：恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、恒流限压充电、阶段充电等。这些方法控制简单，实现容易，但是充电时间较长。国内外也提出了多种快速充电方法，如变电流间歇，变电压间歇，脉冲间歇等。在综合了各种充电方法优缺点的基础上，文中采用一种双稳态非线性反馈机制的慢脉冲快速充电方法。这种方法能够确保充电效率高，电池寿命不受损害。慢脉冲快速充电方法总体设计如图1所示。

慢脉冲快速充电过程分为A、B两段，在A段以恒流慢脉冲充电，在B段以恒压慢脉冲充电。所谓的慢脉冲就是指，在一个较大电流充电一段时间后总是紧随着一个小电流的维持态充电，小电流的维持时间一般是一秒到几十秒，不是毫秒级或者微秒级。采用这种充电模式既可以最大限度的缩短充电时间，同时又可以减少对电池的损害。

2 充电控制系统的硬件设计

2.1 系统的总体结构设计

完整的充电器系统由电源变换电路和充电控制系统组成，其设计框图如图2所示。电源变换电路设计采用两级结构：一级为APFC变换，将市电220 V变换成380 V直流电压：二级为DC/DC变换，将380 V直流电压变换成电池组需要的充电电压，对于72 V的铅酸电池，其充电电压范围为61～84.6 V。

充电控制系统的电路设计主要包括单片机及其外围电路、电压电流采样电路和PWM波产生电路。控制电路主要完成3个功能：1)对充电器当前的输出电压电流信号进行精确实时采样，并将采样信号同时送至PWM产生器和单片机控制系统;2)控制充电器按照当前设定的输出电压电流值产生占空比可变的PWM波，对开关管进行驱动，实现功率变换;3)在出现过温，过压、欠压等需要慢保护的故障时.通过关断PWM输出使得充电电源实现限功率输出或者关断主回路等措施，实现故障回避。

2.2 单片机及其外围电路设计

充电控制和监控保护的控制器选择了NEC汽车级微控制器NEC78F0881，该型单片机其具有指令少、速度快、体积小、输入输出直接驱动能力强等特点。芯片内部主要由32 KB程序存储器和1K B数据存储器、8通道10位A/D转换器、异步串口、三线同步串口、CAN接口、上电复位电路、定时器、及看门狗电路等组成。单片机的外嗣电路主要包括AD采样类型选择电路和液晶显示电路。

图3为单片机最小系统和看门狗电路设计。选用单片机的P12.4、P4.0分别与X5043的SI、SO相连用于数据的写入或者读出，单片机的P12.3与SCK相连，可编程模拟时钟信号。P4.13与/CS相连，用于片选。

图4为AD转换信号类型选择电路。由于单片机外围端口设计时只选择了一个端口作为AD转换端口，电路选择CD4051芯片作为模拟选通开关，其输出端与单片机的P8.7/ANI7相连。单片机控制选通模拟开关的8个通道，选择对电压、电流和温度等信号进行AD转换。

图5为液晶显示电路。设计中选用DM12864M汉字图形点阵液晶显示模块作为充电器控制面板的人机交互界面，采用单片机的3线串行通信接口CSI10与12864液晶进行通信，P2.9、P3.0和P3.1端口分别与液晶显示模块的R/W、RS和E端口相连。

2.3 电压电流采样电路的设计

电压电流采样电路的主要任务是实时采集蓄电池两端的电压和充电电流值，然后分别送入单片机和PWM波产生电路进行分析和处理，以得到相应的控制信号，控制主电路MOS管的通断，从而改变充电电流、电压的大小。具体电路图6所示。

输出电压BAT+经过分压电阻分压，在CD4051的模拟信号输入通道0和通道3分别相应的送入1.25 V的反馈电压，根据单片机输入的选通信号决定输出电压为恒压84.5 V还是伏压81