1、电动汽车的充电系统设计 电动汽车的充电系统设计Electric vehicle charging system design 前 言绿色革命的一个重要体现是绿色交通，作为新型交通工具的电动汽车的研究越来越受到重视，其市场需求量也呈现出愈来愈大的趋势。然而，电源充电问题却成为了其发展的瓶颈，为了能够更充分发挥其无污染，轻便，节能的优势，对电源的要求也变得更加严格，比如要体积小，重量轻，充电快等，同时也要保持电源能有足够长的寿命。电源的充电问题归根到底是电源的充电技术问题，本文立足于当今电动汽车的充电技术，分别总结了市面上流行的大多数充电方式，并在此基础上选用了多段横流与脉冲间歇充电相结合的快速智
2、能充电方案加以详细论述。本文所研究的充电系统主要有充电主回路和充电控制回路组成，主要模块包括：三相输入整流滤波模块、脉宽调制功率变换模块（DC/DC变换器）、电池能量回馈模块、IGBT驱动保护模块、电压电流和温度检测模块以及辅助电源的设计。整个系统由DSP控制，协调实现对电池的智能快速充电。关键字：多段横流与脉冲间歇充电 DC/DC变换器 IGBT驱动保护 辅助电源 DSPPREFACEThe green revolution is one of the important embodiment of green transportation, the research of new vehi
3、cles of the electric car has gained more and more attention to the market demand，and it is also showing more and more big trend. However, the power supply recharging problems became the bottleneck of its development, in order to give full play to its more pollution, deft, energy saving and the advan
4、tages of the power supply requirements to also become more strictly, for example ，small volume, light weight, charging fast, etc, also want to keep power can have enough long life. The most important problem of power charging is the charging technology in the final, based on the current electric veh
5、icle charging technique are summarized in the fashion most charging mode, and the selection of a cross flow and intermittent charging combines fast intelligent charging scheme is discussed in this paper. This paper studies the charging system are main charging circuit and charging control circuit, t
6、he main modules include: three-phase input rectifier filter module, pulse width modulation converter modules ( DC / DC converter), battery energy feedback module, IGBT drive protection module, voltage and current and temperature detection module and the design of the auxiliary power supply. The syst
7、em is under the control of DSP, achieving the intelligent fast charging.Keywords: Multi section cross flow and intermittent charging DC / DC converter IGBT drive protection auxiliary power supply DSP第1章 绪 论1.1 课题提出我国石油资源十分短缺，人均占有的探明可采储量仅相当于世界平均水平的77；同时，我国资源消耗过多，2004年，我国GDP产出消耗的能源量是世界平均水平的336倍，是美国的4倍
8、多，是日、英、德、法等国的近8倍，2005年，我国石油净进口136亿吨，占石油全部消费量的429。在国际石油价格持续高涨的今天，传统的交通工具汽车面临越来越大的使用压力，而以电动汽车为代表的代用燃料汽车是人类解决这一危机的主要途径。在此形势下，世界各国的汽车制造商都投入了大量资金开发电动汽车。进入二十世纪九十年代以来，国际电动汽车的开发已逐步进入产业化初期阶段。电动汽车具有低噪声、零排放、无污染、综合利用能源的优点，是汽车工业解决能源危机和环境污染这两大突出难题的重要途径，有着广阔的应用前景和巨大的发展空间。如今限制电动汽车发展的瓶颈主要是动力电池能源问题，而改进电池特性是一个漫长的过程，那么
9、在车载电池能量不足时，需要用充电设备及时的对电池进行充电。本文就是基于这样一个背景，以快速智能充电系统为研究对象，对控制方法进行了研究，并对系统进行了设计。本文分析并选择了多段横流与脉冲间歇充电相结合的快速智能充电方案，主要研究了系统主回路中DC/DC变换器的拓扑结构，及相应的驱动电路设计等。1.2 电动汽车充电系统研究现状电动汽车的发展包括电动汽车以及能源供给系统的研究和开发,其中能源供给系统是指充电基础设施,供电、充电和电池系统及能源供给模式。电动汽车充电技术作为一个新的科技领域, 世界各国都置身于充电技术的研究,并拟制作充电技术标准,为未来企业发展占据先机。随着电动汽车技术的发展，在电池
10、能量有限的情况下，研制一种能快速为电池补充能量的充电设备，是延长行驶里程的最好方法。目前，国内外充电设备大体可以分为接触式和感应式两类。接触式充电器是通过金属连接器将电动汽车与充电器和公共电网连接，已达到传递能量的目的。这种能量传递方式结构简单，能量传递效率高而且造价低，目前美国的福特以及日本的丰田和本田等汽车公司开发的充电器均采用的是这种方式。但这种方式的缺点在于它的安全性和通用性。感应式充电是近年来兴起的一种利用高频变压器将公用电网与电动汽车香格里的充电方法。由于感应式充电器与电动汽车之间没有任何金属接触，使得电动汽车的通用性好，而且更为安全可靠。目前美国的通用汽车和日本的日产七尺所研制的
11、充电器都是这种形式，它的缺点是体积庞大。根据充电器是否安装在电动汽车上，又可以分为车载充电器和非车载充电器两种。本文研究的主要是车载充电器，它的特点是充电方式比较简单，但充电时间较长。由于车上空间的限制，也为了减小电动汽车的自重，提高行驶里程，要求车载充电器尽量做到体积小、重量轻。目前我国的大功率充电器大多仍然采用传统的模拟控制方式，人机交互以及维护性差。控制电路的主体很多仍然是模拟电路，外围期间较多，电路复杂，可靠性不高。因而，充电器作为电动汽车重要的辅助设备，对它的研究还是有很大的发展空间。目前，电动汽车充电器的改进方向主要是小型化、快速化和智能化。1）小型化：充分利用数字化技术，选用新型
12、功率器件，通过提高频率的方法，减小电感、电容器件的体积，使系统整体体积减小。2）快速化：根据电池特性，选择电池最优充电曲线充电，加快充电速度，减少充电等待时间。3）智能化：主要表现在系统具有人机交互功能，可以按照用户设定的充电曲线为电池充电，也可以根据电池种类自动选择优化充电曲线；当充电设备出现故障时，具有系统故障报警和保护功能。1.3 常用蓄电池种类随着电子技术的飞速发展，蓄电池已经日益广泛魄运用在交通运输、电力、 通信等部门的设备中，它已经成为最重要的关键系统部件之一。它的安全可靠运 行直接关系到整套设备的可靠运行。蓄电池的充放电过程以及蓄电池系统的可持 续放电时间也会影响整个系统的可靠性
13、。蓄电池按电解质性质不同又分为酸性电池和碱性电池。酸性电池主要指铅酸电池，即采用酸性电解液的电池，碱性电池则指碱性电解液如KOH，NaOH等的 电池，如铁镍电池、镍镉电池、金属氢化物电池、锌镍和锂屯池等。下面主要对铅酸电池，镍镉电池，镍氢电池，锂离子电池做一简单对比介绍。（1）、铅酸电池 铅酸电池已有100多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力源，它也是成熟的电动汽车蓄电池。铅酸电池正负电极分别为二氧化铅和铅，电解液为硫酸。铅酸电池又可以分为两类，即注水式铅酸电池和阀控式铅酸电池。前者价廉，但需要经常维护，补充电解液；后者通过安全控制阀自动调节密封电池体内在充电或工作异常时产生的多余气体，免
14、维护，更符合电动汽车的要求。总体上说，铅酸电池具有可靠性好、原材料易得、价格便宜等优点，比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点；一是比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。由于铅酸电池的技术比较成熟，经过进一步改进后的铅酸电池仍将是近期电动汽车的主要电源，正在开发的电动汽车用先进铅酸电池主要有以下几种：水平铅酸电池、双极密封铅酸电池、卷式电极铅酸电池等。 铅酸电池是目前电动汽车领域中应用最广泛的电池之一，也是最成熟的蓄电池。它最大的特点是寿命长，成本低，是所有电池中最耐用的。现在广泛使用的阀控铅酸蓄电池（VRLA），安全性能好
15、，使用可靠，这些优点使得它在将来的一段时间内，仍将是电动汽车能源的主力。但这种电池的缺点也很明显，电池比能量小，一次充电行程短，充电所需时间长，因此在提供相同能量的情况下，所需电池的体积、质量较大。另外，随着人们对环保要求的深入，含铅的重金属必将被淘汰。所以，尽管铅酸蓄电池有许多优点，但终将推出历史舞台，因而寻找更加清洁的电池能源是十分必要的。（2）、镍金属电池（镍镉电池，镍氢电池）目前在电动汽车上使用的镍金属电池主要有镉镍电池和氢镍电池两种。镉镍电池和铅酸电池相比，能够达到比能量55Wh/kg，比功率200W/kg，循环寿命2000次，而且可以快速充电，虽说其价格为铅酸蓄电池的45倍，但由于
16、其在比能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。但由于其含有重金属镉，在使用中不注意回收的话，就会形成环境污染，目前许多发达国家都已限制发展和使用镉镍电池。氢镍电池则是一种绿色镍金属电池，它的正负极分别为镍氢氧化物和储氢合金材料，不存在重金属污染问题，且其在工作过程中不会出现电解液增减现象，电池可以实现密封设计。镍氢电池在比能量、比功率及循环寿命等方面都比镉镍电池有所提高，使用氢镍电池的电动汽车一次充电后的续驶里程曾经达到过600公里，目前在欧美已实现了批量生产和使用。氢镍电池就其工作原理和特点是适合电动汽车使用的，它已被列为近期和中期电动汽车用首选动力电池，但其还存在价格太高
17、，均匀性较差（特别是在高速率、深放电下电池之间的容量和电压差较大），自放电率较高，性能水平和现实要求还有差距等问题，且其工作的电压低，应用在较高电压情况下，需要串联很多电池。(3)、锂离子蓄电池 锂离子蓄电池是90年代发展起来的高容量可充电电池，能够比氢镍电池存储更多的能量，比能量大，循环寿命长，自放电率小，无记忆效应和环境污染，是当今各国能量存储技术研究的热点，主要集中在大容量、长寿命和安全性三个方面的研究。锂离子蓄电池中，锂离子在正负极材料晶格中可以自由扩散，当电池充电时，锂离子从正极中脱出，嵌入到负极中，反之为放电状态，即在电池充放电循环过程中，借助于电解液，锂离子在电池的两极间往复运动
18、以传递电能。锂离子蓄电池的电极为锂金属氧化物和储锂碳材料，根据电解质的不同，锂离子蓄电池一般可分为锂离子电池和锂聚合物电池两种。但是锂离子电池的安全性能不好，而且对充电设备要求较高，一旦过充，就可能会造成电池的永久性损坏，故这一致命缺陷限制了它的使用范围。1.4 电动汽车充电模式及充电方法简介1.4.1 常用蓄电池的充电模式根据电动汽车动力电池组的技术和使用特性,电动汽车的充电模式存在一定的差别。对于充电方案的选择,现今普遍存在常规充电、快速充电和电池组快速更换系统三种模式。（1）、常规充电1)概念:蓄电池在放电终止后,应立即充电(在特殊情况下也不应超过24h),充电电流相当低,大小约为15A
19、,这种充电叫做常规充电(普通充电)。常规蓄电池的充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电,一般充电时间为5-8小时,甚至长达10至20多个小时。2 )优缺点:因为所用功率和电流的额定值并不关键,因此充电器和安装成本比较低;可充分利用电力低谷时段进行充电,降低充电成本;可提高充电效率和延长电池的使用寿命。常规充电模式的主要缺点为充电时间过长,有紧急运行需求时难以满足。（2）、快速充电1)概念：常规蓄电池的充电方法一般时间较长,给实际使用带来许多不便。快速充电电池的出现,为纯电动汽车的商业化提供了技术支持。快速充电又称应急充电,是以较大电流短时间在电动汽车停车的20分钟至2小时内,为其提供短时充电服务
20、,一般充电电流为150400A。2)优缺点：充电时间短;充电电池寿命长(可充电2000次以上);没有记忆性,可以大容量充电及放电,在几分钟内就可充70% 80%的电;由于充电在短时间内(约为10-15分钟)就能使电池储电量达到80% - 90%,与加油时间相仿,因此,建设相应充电站时可不配备大面积停车场。但是,相对常规充电模式,快速充电也存在一定的缺点:充电器充电效率较低,且相应的工作和安装成本较高;由于采用快速充电,充电电流大,这就对充电技术方法以及充电的安全性提出了更高的要求。（3）、机械充电（电池更换）1)概念：即电池组快速更换系统。通过直接更换电动汽车的电池组来达到为其充电的目的。由于
21、电池组重量较大,更换电池的专业化要求较强,需配备专业人员借助专业机械来快速完成电池的更换、充电和维护。2)优缺点：电动汽车用户可租用充满电的蓄电池,更换已经耗尽的蓄电池,有利于提高车辆使用效率,也提高了用户使用的方便性和快捷性;对更换下来的蓄电池可以利用低谷时段进行充电,降低了充电成本,提高了车辆运行经济性;解决了充电时间乃至蓄存电荷量、电池质量、续驶里程长及价格等难题;可以及时发现电池组中单电池的问题,进行维修工作,对于电池的维护工作将具有积极意义,电池组放电深度的降低也将有利于提高电池的寿命。1.4.2 常用蓄电池的充电方法介绍蓄电池投入使用后，必须定期地进行充电和放电。充电的目的是使蓄电
22、池贮存电能及时地恢复容量，以满足用电设备的需要。放电的目的是及时地检验蓄电池容量参数，及促进电极活性物质的活化反应。蓄电池充电和放电状况的好坏，将直接影响到蓄电池的电性能及使用寿命。目前对蓄电池充电的方法很多，选择科学合理的充电方法将会大大提高蓄电池的维护效果。常用的蓄电池充电方法从大的方向分有：常规充电方法和快速充电法。（1）、常规充电法常规充电法主要有以下几种：1)恒压充电 使用恒压源直接为电池充电，它是利用开口蓄电池在充满电时，充电电压突然跃升的现象设计的，因此它只是适用于开口蓄电池，而不能用这种方法为密封蓄电池充电。电池端电压和电流的关系如图1-1所示。开始时，给定一个期望电压值，系统
23、开始充电，充电电流随充电的进行不断减小；当充电电流小于一定值后，充电过程结束。恒压充电方式：图1-1 恒压充电方式曲线这种充电方法只考虑电池电压这一单一状态的变化，不能有效的反映电池的整体充电状况。它的起始充电电流过大，往往造成蓄电池的损坏。2)恒流充电 使用恒定的电流源为电池充电，充电速率相对来讲都比较低。根据充电速率的大小，又可分为以下几种情况：浮充充电，又称涓流充电。标准充电：一般充电速率在0.1C左右，充电时间大约在14H左右。 快速充电：一般充电速率在0.3C以上，充电时间大约在3h左右。控制过程如图1-2所示。开始时，充电器以恒定较大电流为电池充电，电池将要充满时，改用恒定的小电流
24、为电池充电，进入浮充阶段，俯冲的作用是为了补偿电池自放电的影响。图1-2 横流充电方式曲线以上的快速充电与标准充电是相对而言的概念，并没有严格的划分。人们有时还根据速率的大小，将快速充电又划分出一般快速充电(3H到5H)和高速充电(小于3H)等。在恒流充电方式中，高速充电几乎是不可能的，一般的恒流充电也只适合于0.3C以下的充电速率。3)分阶段充电方法 常用的分阶段充电方法有二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段充电法 即先恒流后恒压充电法，这种充电方法是上述两者的简单结合。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。如图1-3所
25、示：图1-3 二阶段法充电曲线三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电，如图1-4所示。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。图1-4 三阶段法充电曲线以上三种方法采用的都是充电电流连续的充电方式，它们的共同问题在于，连续的充电电流会引发蓄电池的副反应，导致极化现象的发生，不仅影响电池寿命，而且限制了充电电流的增加，这正是限制充电速度的根本原因。那么，在在充电过程中，如果能够避免激化现象，使实际的充电电流始终等于或接近蓄电池可接受的最大电流，充电速度就可以大大加快，而且析气率也可以控制在很
26、低的范围内。下面的充电方法采用断续的电流为电流充电，就是为了解决极化问题，提高充电速度，研究表明这样的充电策略能够得到更好的充电效果。（2）、快速充电法为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状 态的时问，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。快速充电技术近年来得到了迅速发展。电池充电的过程实质是其内部化学反应的过程。提高化学反应速度有两种方式，一是改进电池的结构以降低其内阻和提高反应离子的扩散速度，二是改进充电方法，本文以后者作为论述对象。不同种类的电池，具有不同的充放电曲线，与之相应的充电方法也有很大的不同，在研究具体的充电方法时要考虑到
27、这一点以选择合适的充电方法。传统的充电方法(恒流充电或恒压充电)没有考虑到这一点。20世纪60年代美国科学家马斯(JAMAS)提出了以最低气率为前提的电池可接受的最佳充电曲线，即任一时刻电池能够接受的充电电流为ia=I0e-At。ia为任意时刻充电电流的大小，I0为开始充电时的电流值。A为充电接受比。电池最佳充电曲线如图1-5所示。如图1-5 电池最佳充电曲线图1-5中曲线a展示出电池的最佳充电曲线，可以看出，充电电流随时间按指数规律下降，并且：1)如果充电电流工作在N区，则电流过大，会导致电池体温度过高，在电池内部气压过高时会有大量气体析出，对电池造成损坏。2)如果充电电流工作在M区，是可接
28、受的，但充电时间不能达到最短。3)如果充电电流沿着曲线轨道变化，是理想的充电状态。实践证明，如果充电电流按这条曲线变化，可以大大缩短充电时间并且对电池的容量和寿命也没有影响。下面介绍日前比较流行的几种快速充电方法。这些方法都是围绕着最佳充 电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼近最佳充电曲线。(1)脉动式充电 脉动式充电是指充电电流或电压以脉冲的形式加在蓄电池两端，实现的方法可以是调节充电电压的可控硅导通角，也可以调整充放电脉冲的宽度或充放电周期的大小。脉冲快速充电方法的理论基础是通过在充电电流中叠加一定频率、宽度、高度的负脉冲或短时间的中途停充电，使参加反应的铅离子来得及通过PbS
29、04溶解而生成并提高其浓度，又使生成的日一和HS04一离子来得及从电极表面附近移开；其综合效果是降低了蓄电池的浓差极化，允许加大充电电流，缩短充电时间。图1-6表示了蓄电池的脉冲充电方法。图1-6 蓄电池脉冲充电法应当指出，蓄电池在充电过程中端电压是不断升高的，也就是说在不同的充电阶段蓄电池的极化程度不同，应该根据蓄电池的一个单元电压尚未达到25V之前(对12V电池来讲，此端电压值为15V)的电压差自动调节充电电流。这样虽然充电电流很大，但由于适时有效地采取了降低浓差极化的措施，蓄电池电压上升速度就慢，使蓄电池在这种快速充电情况下充入更多的电量。目前蓄电池充电机的市场中，仅仅使用脉冲充电法的并
30、不很多，大多数是采用脉冲充电法和其它充电法(典型的如三级充电法)相结合的方法，将充电过程分几段曲线，每段曲线分别采取恒流脉冲充电或恒压脉冲充电的方法。(2)Reflex快速充电法 这种技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是NiCd电池。它采用了新型的充电方法，解决了NiCd电池的记忆效应，因此大大提高电池的快速充电的时间。镍氢蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法镉电池有很大的不同，但它们之间可以相互借鉴，互作参考。图1-6 Reflex快速充电法Reflex充电模式的一个周期为1S，由三个部分组成：正向充电脉冲(983ms)，反向瞬间放电脉冲(5ms)，维持及检测用的脉冲(12ms
31、)。正向脉冲为正常的充电脉冲，它的幅度由电池的容量C和期望的充电时间T(或称为充电速率S)所决定，C的单位为AH，T的单位为H，其关系如下式：I=CS=CT。反向脉冲为放电脉冲，由蓄电池的充电原理可知，在对电池进行快速充电时，电池内部气体的产生不仅会使充电时间延长，并且会威胁到电池的安全。Reflex充电模式通过瞬间的大电流放电脉冲，除去了正极板上的气体，并使氧气在负极板上被吸收。从而解决了电池在快速充电过程中的极化问题。该方法要求放电脉冲的幅度调整为充电脉冲的25倍，放电能量同样是随着电池容量及期望的充电时间做函数变化的，但对充电速度维持固定的比值。在放电脉冲后有10rns的维持电平，在这段
32、时间内电池内部可以进行化学恢复，去除内部电荷的积累，从而使电池恢复到自然状态，更便于对电池采样，获得真实的电池充电状态信息，对电池的充电进行自动控制。（3）变电流间歇充电法 这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。变电流间歇充电法电流电压曲线如图1-7。图1-7 变电流间歇充电法曲线（4）变电压间歇充电法在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。这种方法更加符合最佳充电的充电曲线。在每个恒电压充电阶段，由于是恒压充电，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率
