基于NEC单片机的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 V。被选通的反馈信号经过低通滤波同时送到硬件控制回路和单片机，为控制算法的分析、处理、实时保护显示等功能提供依据。直流充电电流是通过霍尔电流传感器采集的。霍尔电流传感器副边输出电流经过串联电阻网络分别在CD4051模拟输入的通道1、通道2、通道4、通道5、通道6、通道7上输入1．25 V的反馈电压，根据单片机的选通通道的不同，输出对应通道上的反馈信号，同时将其送到单片机的AD采样口和硬件控制回路上。不同的通道选通对应着不同大小的充电电流值，通过单片机控制器实现慢脉冲快速充电。
2．4 PWM波产生电路的设计
    考虑到单片机控制器NEC0881的开销比较大，PWM信号没有通过MCU的捕获比较单元实现，而是采用性能优良的专用模块SG3525A。电路设计如图7所示。

    SG3525A的2脚是误差放大器的同相输入端，此处设定为1．25V的基准电压，1脚为反相输入端，接CD4051的选通输出电流或者电压采样信号，从而决定误差放大器的输出，并送至PWM反相输入端，与同相输入端锯齿波电压比较，产生与输出电压／电流相关的脉冲宽度可变的脉冲信号，并经过脉冲分配双稳态触发器、输出电路从第11脚、第14脚产生双脉冲。双脉冲通过隔离驱动电路波进行电气隔离和放大，用以驱动功率MOS管实现功率变换，从而改变充电器的充电电压和电流。SG3525A的8脚由单片机控制，实现开启和关闭。10脚与硬件关闭PWM电路连接，在出现故障时，关闭PWM输出，保护系统。

3 充电控制系统的软件设计
    基于慢脉冲快速充电的控制系统软件设计流程如图8所示。接通电源后，充电器在单片机的控制下进行初始化，包括设定充电方式，检查是否装电池以及电池是否可以充电。满足充电条件后，单片机控制继电器给系统供电，系统待机等待充电启／停操作开始充电。
    充电过程主要包括以下几个阶段：恢复性充电、恒流慢脉冲充电、恒压慢脉冲充电、涓流充电。
    1)恢复性充电：在充电初期对蓄电池以5 A的电流充电，该阶段实现激活蓄电池内的反应物质，避免大电流充电对蓄电池造成损害恢复性，充电持续大约5分钟；2)恒流慢脉冲充电：经过试验，确定恒流慢脉冲快速充电阶段以50 A电流和5 A电流交替恒流充电，其中3 min的50 A大电流，0．5 min的5 A小电流，本阶段结束时电池将充至70％左右的电量；3)恒压慢脉冲充电：以恒定的84．6 V电压充电3 min，5 A的小电流充电0．5 min，交替进行，本阶段的结束的判定依据是蓄电池端电压产生负增量或充电电流逐渐减小至5 A以下；4)涓流阶段：最后阶段的小电流充电过程，经过定时控制后，充电过程结束。
    充电流程中采用了如下的优化设计：1)软件抗干扰：A／D采集时，为了提高采集精度，除了采取一些硬件滤波措施外，程序中还采用了中值法、滑动平均值等方法进行软件滤波；2)线性插值：环境温度和散热器温度的测量，采用了热敏电阻传感器，微处理器将采集得到的电压值通过查表得到实际温度值，在保证温度值测量的精度要求下，采用了线性插值的方法，提高了软件的处理速度，减小了ROM存储空间。

4 充电实验结果及分析
    为了研究恒流慢脉冲充电充电模式下该铅酸蓄电池组的充电状况，进行了恒流慢脉冲的充电实验，该充电模式下主要是验证充电器的快速充电功能。在恒流慢脉冲充电模式下的实验数据如表1所示。

   恒流慢脉冲充电实验结果表明：在2．5小时内电池电量为90 Ah，达到电池额定容量的75％，同时在4小时内电池电量为电池额定容量的95％，在该实验的整个充电过程中，充电效率为85％左右，温升为18．5℃。在整个的慢脉冲充电的过程中，充电电源的变换效率曲线如图9所示。

5 结束语
    文中详细阐述了车载电动汽车充电器控制系统的充电模式选择及其软硬件设计。采用多级恒流与慢脉冲充电相结合的快速充电策略，能够实现对铅酸蓄电池快速无损伤充电的需求。该方法可以提高电动汽车的充电质量和充电后行驶里程，提高电池使用寿命。随着电动汽车产业的发展，车载充电器的应用将更加广泛，市场也将不断扩大。