Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ
Ｍａｓｔｅｒ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆＡｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃｈａｒｇｅｒ
ｆｏｒＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ
Ｂｙ Ｙｉｎｇｙｉｎｇ
Ｗａｎｇ
Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．Ｄｏｎｇｑｉｎｇ Ｆｅｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ
Ｍａｙ
２０ １ １学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。
学位论文作者：王逊近
日期：沙／／年／月弓日
学位论文使用授权声明
本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。
根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、
缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。
学位论文作者：王近迎
日期：加／／年∥月：；日
电动汽车是全部或部分的以电力作为驱动系统动力源的汽车，不存在燃油 问题和汽车尾气排放问题，在环保、清洁、节能等方面占据着明显的优势，对 它的研究与开发已经成为当今世界的热点。但目前对充电机等电动汽车能源供 给系统的研究较少，有一些理论和技术问题还有待攻关，充电机的发展还不能 满足电动汽车的要求，严重制约了电动汽车的发展和普及。
另外，当前新建充电站普遍实行无人值班或少人值守，这就要求充电机的 可靠性及自动化程度更高，功能更加完善，能够具有较高的免维护性。
本文针对现有充电机的不足，对电动汽车用动力电池的充放电特性和快速 充电技术进行了深入的研究，并在此基础上提出了一种带放电去极化的三段式 可变脉冲充电方法，即第一阶段采用电流脉冲，按“正脉冲充电一停充一负脉 冲瞬间放电一停充一再正脉冲充电”这种循环过程进行；第二阶段采取电压脉 冲充电，继续上述循环过程；第三阶段采用小电流均衡充电。其中，去极化负 脉冲的宽度，由控制器采集到的电池端电压、充电电流和电池温度等信息与预 先所设定的值进行比较而确定以自适应各个时期的充电要求。并结合计算机技 术、模糊控制技术、电力电子技术和“温度补偿＂系数等，设计了一种通用型 电动汽车智能充电机。
在充电机的设计中，采用了高频开关电源技术，主回路由三相整流电路、
快速充电变换电路和滤波电路组成。控制电路以ＰＩＣｌ６Ｆ８７７单片机为核心，通 过与ＢＭＳ通信，获取蓄电池的端电压、温度以及充电电流等状态信息，并采集 充电机输出电压、电流数据，送入单片机进行分析和处理，通过模糊免疫自适 应ＰＩＤ控制得到相应的控制信号，控制主回路开关（ＩＧＢＴ）的通断，从而实现蓄 电池的智能充电；同时控制器对主回路各部分的电压和电流以及对ＩＧＢＴ和高频 变压器的温度进行监测，建立了故障自诊断系统，对充电机起到很好的保护作 用。在快速充电的控制技术的实现上，采用了时间控制、温度控制和等压差时 间差控制相结合的综合控制方法，实现对蓄电池的快速、绿色充电。
关键词：电动汽车充电机脉冲充电模糊免疫ＰＩＤ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｔｈｅ ｃａｒ ｗｈｉｃｈ ａｄｏｐｔｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ａｓ ａｌｌ ｏｒ ｐａｒｔ ｏｆ ｐｏｗｅｒ
ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ｉｔｓ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｉｔｈｎｏ ｆｕｅｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ａｎｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ｅｘｈａｕｓｔ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ，ｉｔ ｈａｓ ｏｂｖｉｏｕｓ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ ｉｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｃｌｅａｎ，ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆＥＶｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ’Ｓ ｈｏｔ ｓｐｏｔ．Ｂｕｔ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｆｅｗ ｓｔｕｄｉｅｓ ｉｎ ｅｎｅｒｇｙ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｓｕｃｈ ａｓ ｂａｔｔｅｒｙ ｃｈａｒｇｅｒ ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｓｏｍｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｓｓｕｅｓ ｒｅｍａｉｎ ｔｏ ｂｅ ｔａｃｋｌｉｎｇ．Ｃｈａｒｇｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃａｎ’ｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ｔｈｉｓ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃａｒｓａｎｄｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ．
Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｎｅｗ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎ ｕｎｉｖｅｒｓａｌｌｙ ａｄｏｐｔ ｎｏｂｏｄｙ ｏｎ－ｄｕｔｙ
ｏｒ ｌｅｓｓ ａｔｔｅｎｄａｎｔ．Ｔｈｉｓ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅｒ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａ ｈｉｇｈｅｒ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅｍｏｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｎｄｈｉｇｈｅｒ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ．
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｃｈａｒｇｅｒ ｓｈｏｒｔａｇｅ，ａ ｔｈｒｅｅ—ｓｔａｇｅ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆ ｍａｎｙ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ Ｗａｓ ｕｔｉｌｉｚｅｄ．Ａｔ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔａｇｅ，ｗｅ ｔａｋｅａｃｙｃｌｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｐｕｌｓｅ ｓｔｏｐｓ ｃｈａｒｇｉｎｇ，ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｕｌｓｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ，ａｎｄｔｈｅｎ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｐｕｌｓｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ．Ａｔ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｓｔａｇｅ，ｗｅ ｔａｋｅｖｏｌｔａｇｅ ｐｕｌｓｅｃｈａｒｇｉｎｇ ａｎｄ
ｃｏｎｔｉｎｕｅ ｔｈｅ ｃｙｃｌｅ．Ａｔ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｓｔａｇｅ，ｗｅ ｕｓｅ ｓｍａｌｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｂａｌａｎｃｅ
ｃｈａｒｇｉｎｇ．Ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｕｌｓｅ ｉｓ ｄｅｃｉｄｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｖｏｌｔａｇｅ，ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｂａｔｔｅｒｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｔｃ，ｗｈｉｃｈｃｏｌｌｅｃｔｂｙ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｓｅｔｉｎａｄｖａｎｃｅ．Ｂｙｄｏｉｎｇ ｔｈｉｓ，ｉｔ Ｃａｎａｄａｐｔ ｖａｒｉｏｕｓ ｐｅｒｉｏｄｓ ｏｆ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ”ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ”ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｅｔｅ，ｗｅ ｄｅｓｉｇｎａｋｉｎｄ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｌ－ｐｕｒｐｏｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃｃａｒｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ．
Ｇｒｏｕｎｄ ｏｎｔｈｅ Ｈｉｇｈ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＳｗｉｔｃｈｉｎｇＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ，ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅｒ ｗｈｉｃｈＷａｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆａｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇ ｃｅｌｌ，ａ ｆａｓｔ ｃｈａｒｇｉｎｇｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ａｆｉｌｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ Ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＩＣ１６Ｆ８７７ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｉｔ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｄ ｗｉｔｈ ＢＭＳ，ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｖｏｌｔａｇｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｎ
ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎｔｏ ＳＣＭ．Ａｎｄｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ｆｕｚｚｙ－ｉｍｍｕｎｅ－ａｄａｐｔｉｖｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，
ｗｅ ｏｂｔａｉｎ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｇｎａｌ，ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ＩＧＢＴａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ
ｃｈａｒｇｉｎｇ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｅａｃｈｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ
ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ＩＧＢＴ ａｎｄ ｈｉｇｈ・ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ
ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｈａｖｅ ａｇｏｏｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｉｂｒ ｃｈａｒｇｅｒ．Ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ ｆａｓｔ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｉｓ ａ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｌｌｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｔｒｏｌ ｔＯ ａｃｈｉｅｖｅｆａｓｔａｎｄ ｇｒｅｅｎｃｈａｒｇｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ｃｈａｒｇｅｒ；ｐｕｌｓｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ；ｆｕｚｚｙ。ｉｍｍｕｎｅＰＩＤ
ＩＩ！
目录
摘要………．Ｉ
Ａｂｓｔｒａｃｔ………．………．………．ＩＩ
目录………ＩＶ 图和附表清单………。ＶＩＩ
１引言………１ １．１课题的研究背景和意义………．．１ １．２电动汽车充电机的发展现状………．２ １．３本文的研究内容………．４２电动汽车智能充电机的总体设计………．５
２．１电动汽车智能充电机的功能需求分析………．５ ２．２电动汽车用动力电池特性分析………．６ ２．２．１铅酸蓄电池………６ ２．２．２镍镉电池………．７ ２．２．３镍氢蓄电池………７ ２．２．４锂蓄电池………８ ２．２．５镍锌蓄电池………９ ２．２．６燃料蓄电池………９ ２．３蓄电池的充放电特性分析………ｌＯ ２．３．１蓄电池充放电的基本概念………１０ ２．３．２蓄电池可接受的充电电流分析………。１２ ２．３．３蓄电池充放电特性曲线分析………１３ ２．４充电方法及控制技术的分析………．１４ ２．４．１马斯三定律………１４ ２．４．２常用充电方法………ｌ５
２．４．３快速充电控制技术………。ｌ８
ＩＶ
２．５电动汽车智能充电机系统总体方案设计………１９ ２．５．１系统充电方法和控制技术的设计………．．１９ ２．５．２充电机总体设计………．．２０ ２．６本章小结………２ｌ
３智能充电机的硬件电路设计………２２
３．１充电机主电路硬件设计………２２ ３．１．１充电电源的类型选择………。２２ ３．１．２开关电源的拓扑结构选择………．．．………２２ ３．１．３充电机主电路的设计………。２３ ３．２控制回路设计………２４ ３．２．１中央控制单元设计………２５ ３．２．２数据采集电路设计………２６ ３．２．３键盘和显示电路设计………。２８
３．２．４ ＰＷＭ信号产生电路设计………。２９
３．２．５驱动电路设计………。３０ ３．２．６串行通信电路设计………。３０ ３．２．７保护及报警电路设计………。３１ ３．３本章小结………３１
４智能充电机的软件设计………３２
４．１充电机主程序设计………３２ ４．２脉冲快速充电子程序设计………３３ ４．３模糊免疫自适应ＰＩＤ控制系统设计………３５ ４．３．１免疫反馈机制………。３５ ４．３．２控制算法的分析与设计………３５ ４．３．３模糊免疫自适应控制系统的设计………３６ ４．４故障自诊断软件设计………．３８ ４．５本章小结………．．３８
５充电机控制系统的建模与仿真………．３９
Ｖ
５．１建立蓄电池 ５．２模糊免疫自 ５．３仿真结果及 ５．４本章小结…
６总结与展望…．
６．１全文总结…
６．２课题展望…
参考文献………
附录Ａ………
附录Ｂ………．５０ 附录Ｃ………．５５ 致谢………５６
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果………－．５７
ＶＩ
图和附表清单
图２．１ 可接受充电电流曲线图………。１２ 图２．２锂离子蓄电池的充放电特性曲线………。ｌ３ 图２．３蓄电池恒流充电曲线…：．．………１５ 图２．４蓄电池恒压充电曲线………１６ 图２．５二阶段法充电曲线………。１６ 图２．６三阶段法充电曲线………。１６ 图２．７脉冲充电曲线………．．１７ 图２．８变电流间歇充电法曲线图………。１７ 图２．９变压间歇充电曲线图………．．１８ 图２．１０带放电去极化的三段式可变脉冲充电过程………。２０ 图３．１全桥变换器拓扑结构图………．．２３ 图３．２充电机主电路图………２４ 图３．３控制器结构框图………２５ 图３．４电压采集电路………一２６ 图３．５ 电流采集电路………２７ 图３．６ ＤＳ ｌ８８２０接线图………。２７ 图３．７键盘及显示电路图………２９ 图３．８ ＩＧＢＴ驱动电路………３０ 图３．９ 串行通信电路………。３Ｉ 图４．１ 主程序流程图………。３３ 图４．２快速充电子程序………。３４ 图４．３模糊免疫自适应ＰＩＤ控制系统的原理图………．．３６ 图４．４故障诊断主程序流程………。３８ 图５．１ 充电机整体结构框图………３９ 图５．２模糊免疫控制器输入输出量的隶属度函数………４０ 图５．３模糊自适应ＰＩＤ控制器的输入输出变量隶属度函数………。４０ 图５．４整个系统的仿真模型………。４ｌ 图５．５仿真结果图（不含扰动环节）………４２ 图５．６仿真结果图（在ｔ＝１２ｓ时加入幅值为０．５的阶跃扰动环节）………４２ 图５．７仿真结果图………４３ 图５．８仿真结果图………。４３ 图５．９仿真结果图………．．４４ 表３．１液晶显示屏引脚功能………。２８ 表５．１ ＡＫ，和△ＫＪ的模糊控制规则………．４ｌ
ＶＩＩ
１引言
１．１课题的研究背景和意义
目前，节能减排、低碳生活已经成为世界各国面临的共同课题。随着经济 的发展，汽车产业已经成为中国经济的支柱产业之一，我国居民的汽车保有量 也不断提高。但是燃油汽车尾气的大量排放加剧了城市的空气污染，环境保护 部数据显示，在一些大城市，汽车尾气排放已经占大气污染物排放的４５％以上，
成为大气污染物的主要来源，而且这一现象正在变得越来越严重；另外，我国 目前８５％的汽油被汽车消耗，而我国作为石油资源相对贫乏的国家，２００９年石 油对外依存度已经超过５０％，这已经严重威胁到我国的能源安全。根据我国政府 未来单位ＧＤＰ能耗降低４０％～５０％的承诺，发展低耗能的新能源汽车成为汽车工 业的重中之重。电动汽车是全部或部分的以电力作为驱动系统动力源的汽车，
是新能源汽车的主要发展方向。电动汽车不存在燃油问题和汽车尾气排放问题，
相对以汽油燃烧作为动力的传统汽车而言，电动汽车在环保、清洁、节能等方 面占据着明显的优势。对电动汽车的研究与开发已经成为当今世界的热点，我 国电动汽车的发展始于上世纪９０年代，国家投入了大量的资金，技术研究处于 国际领先水平，国内多所高校，各大汽车公司也都研发了各种类型的电动汽车Ⅲ。
目前我国电动汽车已逐渐形成了“三纵三横”的技术路线格式：“三纵’’为 混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车；“三横＂为多能源动力总成控制系 统、电机及其控制系统和电池及其管理系统。清华大学汽车与工程系教授欧阳 明高表示，微型纯电动轿车将是未来主力新能源车型，发展具有中国特色的微 型纯电动轿车不仅适合我国国情，而且对于汽车业未来发展方向也具有重要战 略意义。但目前国内对电动汽车的研究主要集中在电机、电池、电控系统等电 动汽车本身的研究方面，对充电机等电动汽车能源供给系统的研究较少，充电 机的发展还不能满足电动汽车的需求，存在诸多课题待以完善，相关的标准和 规范严重缺乏，己成为影响电动汽车发展和普及的瓶颈。
当前新建充电站普遍实行无人值班或少人值守，这就要求充电机具有较高 的可靠性及免维护性，功能更加完善，自动化程度更高乜】。另外，用于电动汽车 的蓄电池种类较多，各种蓄电池的充放电特性不同。因此，对电动汽车专用充
通用的、具有较高的自动化水平的电动汽车充电机，对我国的电动汽车的发展 和普及，将具有十分重要的理论意义和工程应用价值。
２００９年，河南省人民政府下发了关于加快电动汽车产业发展的意见，将电 动汽车产业作为战略先导产业优先发展。河南省电力公司从２００８年开始就组织 开展了电动汽车相关项目的研究，并在２００９年１０月完成了电动汽车充电站充、
放电相关试验，为电动汽车产业化发展研究、充电站的规划布局研究等相关领 域工作提供了基础数据，填补了省内行业空白。
本文正是在此基础上，依托河南省电力公司所研究的科技项目——电动汽 车智能充电站建设，根据目前电动汽车充电站建立的市场需求，针对现有充电 机的不足，对电动汽车充电机及其控制器进行深入的研究，开发出数字化、智 能化、大功率的通用型电动汽车充电机，对我省的电动汽车的发展和普及，将 提供理论和技术支持。
１．２电动汽车充电机的发展现状
电动汽车充电机是一种专为电动汽车的车用电池充电的设备，是对电 池充电时用到的有特定功能的电力转换装置。目前主要有车载充电机、便 携式充电机和快速充电机、充电桩等种类。
国外对电动汽车用动力电池的快速充电技术的研究始于上世纪６０年代，近 年来取得了较好的成就。英国联营公司发明的“ＴＥＣ总能量智能式充电控制技 术＂及其控制系统，有效地控制了粉粒充电时所需的能量，克服了现有电晕式 充电系统及磨擦式充电系统所引发的各种问题，解决了“法拉第屏蔽效应＂及
“反向电离作用’’等问题口１。美国、法国、德国、英国、加拿大等国家都已建成 了各自的电动汽车充电设施，主要以充电桩为主。美国第一太阳能公司
（ＳｏｌａｒＣｉｔｙ）在加州１０１高速公路上建造了５个充电桩，每个充电桩能够提供 ２４０Ｖ、７０Ａ快速充电服务，能够在３．５小时内将电动汽车充满电。
国外许多公司将微型计算机控制、人工智能算法等先进技术运用到充电机 的设计中，使传统功能简单的充电器发展成为功能齐全、操作简便、可靠性高 的智能化充电设备，不仅能够实现对电压、电流、电池温度等参数的监测和显 示，还能够实现充电策略的定制，而且可以根据所用电池种类以及荷电状态的
２
引言
不同来选择和设定充电方式；另外，这种充电设备具备良好充电保护电路和安 全报警系统，拥有更强的安全性能Ⅲ。
国内对快速充电技术的研究虽然只有二十年左右的时间，但进展很快。我 国许多大学和研究所都对电动汽车的充电技术进行了研究，具有代表性的是０８ 年奥运会上使用的北京理工大学研制出的电动汽车自动充电系统。国内不少企 业，也已经开发出了电动汽车专用充电装置。北京嘉捷恒信公司研制开发了 １５０ｋｗ大功率电动巴士充电样机，单体功率５０ｋｗ，输出电压２００Ｖ－５００Ｖ可调，
具有智能充电功能，适用于多种电池。深圳强能电器有限公司开发了大功率动 力电池车载充电机，单体功率２０ｋｗ，电流ＩＡ．４０Ａ可调，输出电压２００Ｖ－８００Ｖ 可调，具有恒流、恒压功能，适用于电动大巴、中巴及其他各种电动汽车Ⅲ。我 省也在大力推进电动汽车产业的发展，但对于电动汽车智能充电机的设计，目 前尚处于起步阶段。
当前的电动汽车充电机的一个严重缺陷是没有很好地跟电池管理系统
（ＢＭＳ．Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）配合使用，充电机要么没有提供与ＢＭＳ的通 信接口，要么就是通信接口与现在ＢＭＳ流行的接口不兼容，使得充电机在充电 过程中缺少电池状态变化量而盲目充电，降低了电池的使用寿命。
另外，常用的充电电源主要有相控电源、线性电源和开关电源。随着电力 电子技术和自动控制技术的发展，尤其是大功率高压场效应管等新型高频开关 器件的出现，使得功率变换器的开关频率大大提高，从而大大减小了开关电源 的体积和重量，其开关频率越来越高，性能越来越完善。目前的充电系统中开 关电源越来越占据主导地位。
再者，作为电动汽车充电机的核心，目前现有的充电控制器，其控制过程 大多数是针对某一种蓄电池的，并且不能有效控制充电过程，容易造成电池欠充 或过充现象。目前，ＰＩＣ单片机以其越来越强大的功能，已经在大功率电源控制 器中得到了广泛应用，将其应用在电动汽车充电机中将能够实现集成化、高频 化和智能化等特点。
对于蓄电池充电这样一个多影响因素、非线性、时变性的过程，若要达到 智能控制的目的，用常规的ＰＩＤ控制方法是很难取得好的效果的。所以，本文 采用模糊免疫自适应ＰＩＤ控制算法，结合单片机技术和现场总线技术，设计一 种通用型智能充电机，实现充电过程的智能控制和管理，可以用于任意类型和 状态的蓄电池充电。
本文所研究的电动汽车智能充电机采用现代电力电子技术，将模糊免疫算 法用于其中，同时充分考虑目前电动汽车固有的ＢＭＳ，在充电机和ＢＭＳ之间建 立通信链路，使得在充电过程中能够实时掌握电池动态数据，为智能充电提供 了先决条件。通过探索电动汽车充电过程中的许多实际问题，力求形成高效、
快速、无损的通用型蓄电池优化充电思想和技术方案，具体研究内容包括：
（１）电动汽车用动力电池种类及特性分析
针对电动汽车常用的铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池等，进行了具 体的充放电特性分析，研究了充电过程中的极化现象，并分析了蓄电池可接受 充电电流曲线。
（２）电动汽车智能充电机的总体方案设计
针对现有的各种充电方法的优缺点，提出一种带放电去极化的三段式可变 脉冲充电方法；分析现有充电控制系统的缺陷和不足，并结合充电机在电网安 全及经济运行上的功能需求，将模糊免疫自适应ＰＩＤ算法引入各阶段的恒定控 制中，提出了本充电机的总体设计方案。
（３）电动汽车智能充电机的硬件设计
充电机的硬件设计包括一次整流滤波电路、变换电路、高频变压器、二次 整流电路等的功率器件的分析和选型，数据采集电路、显示电路、驱动电路、
保护电路等的设计。最后对主电路、控制器回路、控制面板以及双层通信网络 进行了具体的硬件电路设计。
（４）电动汽车智能充电机的软件设计
对电动汽车充电机控制器回路、控制面板、双层通信网络进行了具体的软 件设计。控制器回路的软件设计包括算法理论研究、控制参数的整定、具体软 件实现，完成基于ＰＩＣ单片机的主程序、快速充电子程序以及故障自诊断子程 序的设计；控制面板部分包括基于单片机的键盘输入、液晶显示的实现等。
（５）电动汽车智能充电机的模型建立和仿真试验
对研制出的充电机建立仿真模型，借助Ｐｒｏｔｅｌ ＤＸＰ和Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行 相关的调试、仿真工作，具体包括：蓄电池的数学建模、模糊免疫自适应ＰＩＤ 控制过程仿真、波形分析等。
４
２电动汽车智能充电机的总体设计
本章从电动汽车智能充电机的功能需求出发，对电动汽车用蓄电池的充放 电特性及马斯三定律进行了分析及研究，并深入研究了电动汽车智能充电机的 充电方式及终止控制技术，最后对充电机的主电路和控制器提出了总体的设计 方案。
２．１电动汽车智能充电机的功能需求分析
本充电机除了提供与电池管理系统（ＢＭＳ）的通信接口，接收由ＢＭＳ传送 的电池状态参数的功能外，还从供电电源提取能量，根据电池的状态参数，选 择合适的充电方式，并实时监测和显示电池充电状态，结合充电控制技术，完 成充电。充电机通常由变换器单元和执行充电过程控制的控制单元组成。本文 对充电机的基本性能要求包括以下几项：
（１）安全性：电动汽车充电时，如何保证工作人员的人身安全和蓄电池组 的安全是至关重要的，所以本设计把故障自诊断作为重点设计之一。
（２）方便性：充电机应具有较高的自动化程度，不需要操作人员具备更多 的专业知识，也不需要过多干预充电过程。
（３）通用性：目前用于电动汽车的动力电池种类繁多，适合于各种蓄电池 的充电机才更有实用价值。
（４）经济性：成本经济、价格低廉的充电机有助于降低整个电动汽车充电 站的成本，提高运行效益，促进电动汽车的商业化推广。
（５）高效率：高效率是对现代充电机的重要要求之一，效率的高低对整个 电动汽车的能量效率有巨大的影响作用。
（６）对供电电源污染小：采用电力电子技术的充电机是一种高度非线性的 设备，会对供电网及其他用电设备产生有害的谐波污染。
另外，电动汽车充电机的理想技术性指标如下：
（１）交流电网输入波形为正弦波，输入电压为三相５０Ｈｚ，３８０ＶＡＣ士ｌＯ％：
电网频率波动范围不超过额定值的士２％。
（２）输出电压：１００Ｖ一５００Ｖ直流输出；输出电压精度：士１％。
５
（３）输出电流：１０Ａ～１５０Ａ连续可调；输出电流精度：士２％。
（４）效率：＞９０％；功率因数：＞９０％（满载）；纹波系数：士１％。
（５）环境温度：．１０＂Ｃ．－＋５０。Ｃ；空气相对湿度不超过８５％。
２．２电动汽车用动力电池特性分析
动力电池即提供动力来源的电源，多指为电动汽车、电动列车、电动 自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。蓄电池是化学电池的一种，将化学 能直接转换为电能，主要由三部分组成：发生氧化反应的阳极、发生还原反应 的阴极以及将阳极反应和阴极反应统一在一起的介质电解液。蓄电池可以多次 反复使用，当蓄电池使用一段时间进行部分放电或完全放电后，用适当的反向 电流通入电池，蓄电池就可以将电能再次转化为化学能储存起来。这种反向充 电补充能量的过程就是电池充电过程，而电池将自身的能量以电能的形式供给 外部电路的过程称为放电过程∞１。
目前市场上动力电池种类繁多，电动汽车常用的有铅酸蓄电池、镍镉 蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子蓄电池、镍锌蓄电池以及燃料蓄电池。每种 蓄电池从化学原理、循环寿命到充放电曲线等都具有自身的特点，所以我 们有必要在这里介绍一下每种蓄电池的性能及其特点。在介绍不同种类电 池之前，首先要介绍几个评价蓄电池好坏的指标：
（１）比能量：用Ｗｈ／ｋｇ表示，它标志着一次充电完成后可以使用时间的 长短，代表每千克质量的电池能够提供的能量；
（２）比功率：用Ｗ／ｋｇ表示，它标志着蓄电池的最大使用功率，代表每 千克质量的电池能够提供的能量；
（３）能量密度：用Ｗｈ／Ｌ表示，它标志着蓄电池占据空间的多少，代表 着每公升容积的电池能够提供的能量；
（４）寿命：用工作时间长短表示，它标志着使用的经济性、稳定性；
（５）价格：用总计购入价表示，它标志着使用经济性晦１。
２．２．１铅酸蓄电池
铅酸蓄电池产生于１８５９年，由法国人Ｇ．Ｐｌａｎｔｅ发明，拥有最长的应用 历史，经历了许多技术上的改进，是技术成熟成本售价最低廉的蓄电池。
６
电动汽车智能充电机的总体设计
铅酸蓄电池的主要有以下优点：价格比较低廉，是镉镍蓄电池的 １／６—１／５；在全球范围内均可生产，电池容量可制成小至ｌＡｈ大至几千Ａｈ；
能以３～５倍率甚至９～１０倍率放电，且高倍率放电性能良好；高温时性能依 然良好，可在．４０℃一＋６０℃的条件下工作；单体电池电压可达２．２Ｖ，其电能 效率高达６０％；易于浮充，没有记忆效应，易于识别荷电状态。
铅酸蓄电池的主要有以下缺点：使用寿命没有镉镍和铁镍电池长久；
体积不容易做小；比能量低，一般只有３０Ｗｈ／ｋｇ～４０Ｗｈ／ｋｇ；作为动力电池 时一次充电的行程比较短，一般只在３０～４０ｋｉｎ，快速充电需要４～６ｈ。
目前，改进后的高能量效率、高稳定性、大容量的新铅酸电池已经出 现，阀控式密封铅酸（ＶＲＬＡ）蓄电池是最新一代产品。免维护阀控式密封 铅酸（ＧＦＬ ＶＲＬＡ）蓄电池隶属于ＶＲＬＡ蓄电池的范畴，它具有体积小、
重量轻、使用方便、自放电小、寿命长、少维护、无记忆效应、对环境无 腐蚀、无污染等优良特性，与传统铅酸蓄电池相比，价格相当，’寿命是普 通铅酸蓄电池的４倍以上，在３０℃～５０℃时仍能够很好地工作，且工作性能 稳定，在使用、维护和管理上有明显的优势。单体额定电压为２Ｖ，以中等 放电率放电时截止电压为１．７５Ｖ，以极高放电率放电时截止电压可取为ｌＶ，
其比能量超过４０Ｗｈ／ｋｇ，能量密度超过了８０Ｗｈ／Ｌ，并可以实现快速充电。
２．２．２镍镉电池
镍镉电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池，其比能量可达５５Ｗｈ／ｋｇ，
比功率可达２２５Ｗ／ｋｇ，能量密度１１０ｗｈ／Ｌ，单体电池电压一般为１．２Ｖ左右，
可在．２００℃～６００℃范围内放电。可快速充电，循环使用寿命较长，是铅酸蓄 电池的两倍多，可达到２０００多次，但价格为铅酸蓄电池的４～５倍。
镍镉电池主要缺点是有“记忆效应＂，容易因为充放电不良而导致电 池可用容量减小。须在使用十次左右后，作一次完全充放电，如果已经有 了“记忆效应＂，应连续作３～５次完全充放电；以释放记忆。另外镉有毒，
使用中若不做好回收工作，容易造成环境污染。
２．２．３镍氢蓄电池
镍氢电池于９０年代初期开始工业化生产，属于碱性电池，开路电压为 １．２Ｖ，比能量６５Ｗｈ／ｋｇ，能量密度１５０Ｗｈ／Ｌ，比功率２００Ｗ／ｋｇ。镍氢蓄电
７
池循环使用寿命较长，无记忆效应，但价格较高。它的初期购置成本虽高，
但由于其在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。另外，镍氢电池具有较好的低温放电特性，即使在．２０℃环境温度下采 用大电流，即１Ｃ放电速率放电时，也可以放出电池容量标称值的８５％以上。
但是，在高温时，即４０℃以上时的蓄电池容量将下降５％～１０％。
目前国外生产电动汽车镍氢蓄电池的公司主要是Ｏｖｏｎｉｅ、丰田和松下 的一个合资公司。Ｏｖｏｎｉｅ现有８０Ａｈ和１３０Ａｈ两种单元电池，其比能量达 ７５～８０Ｗｈ／ｋｇ，循环使用寿命超过６００次。国内已开发出５５Ａｈ和１００Ａｈ单 元电池，比能量达６５Ｗｈ／ｋｇ，功率密度大于８００Ｗ／ｋｇ的镍氢蓄电池。
２．２．４锂蓄电池
锂蓄电池是１９９４年由日本率先推出的，可分为锂离子蓄电池和锂分子 蓄电池两大类，目前锂离子蓄电池随处可见。
锂蓄电池的主要优点有：体积小、比能量和比功率高、电压高、安全 性高、环保无污染等。它的能量密度可以达到镍镉蓄电池的１．５～３倍，比能 量一般可达到１００Ｗｈ／ｋｇ，比功率则可以高达１５００Ｗ／ｋｇ，这一点是铅酸蓄 电池和镍氢蓄电池所无法比拟的。单体电池的平均电压为３．６Ｖ，能够减少 蓄电池组中的单体电池数目，从而降低因单体电池电压差所造成的蓄电池 故障发生概率，延长蓄电池组的使用寿命，这对于电动汽车而言具有很重 要的意义。
另外，锂蓄电池的无记忆效应可以确保其在充电前不需要进行放电，
从而大大提高了使用的方便性，而且也节省了电能。锂蓄电池的自放电率 很低，仅５％～ｌ ０％，稳定性好，．不使用时内部基本不会发生化学反应。此 外，由于锂蓄电池内部不含有害重金属，所以具有很好的环保性，是典型
的绿色环保型蓄电池。
但是锂蓄电池也有一些缺点。钴系锂蓄电池在处于过充电状态时，在 短时间内即可释放出大量能量，容易引起锂蓄电池的爆炸。将钴系改成锰 系即可解决这一问题。为了更好的保护锂蓄电池的安全使用，在使用锂蓄 电池时可以对其外加蓄电池保护模块ＰＣＭ，它由ＩＣ和ＭＯＳＦＥＴ开关等主 要器件构成，具有过充（小于４．２５Ｖ～４．３５Ｖ）保护、过放电（大于２．７５Ｖ～２．８Ｖ）
保护以及过电流保护等功能。
８
电动汽车智能充电机的总体设计
锂蓄电池技术日趋成熟和完善，它是今后电动汽车能源的主流，最终 会取代铅酸蓄电池、镉镍蓄电池和镍氢蓄电池，它同燃料电池都是２１世纪 电动汽车的主流蓄电池。
２．２．５镍锌蓄电池
镍锌电池是美国国家能源研究公司（ＥＲＣ）开发和生产的产品，厦门电 池总厂已与其合作引进了此产品，镍锌电池是极具竞争力的电池。新型密 封镍锌电池的优点是：比能量达到５０Ｗｈ／ｋｇ以上，高比功率，循环寿命大 于５００次，充电时间小于３．５ｈ，快速充电小于ｌｈ，自放电抗电荷量衰减性 十分好：在室温下一个月，自放电量不到３０％额定电荷量：在５０℃高温，
以Ｃ／３放电，电池电荷量衰减小于１０％额定电荷量，而在一１５℃，Ｃ／３放电 小于３０％。这种优势使得镍锌电池能够满足电动车辆在一次充电行程、爬 坡和加速等方面对能量的需求。镍锌电池与铅酸电池外廓上具有很好的兼 容性，凡现在应用铅酸电池的车辆，均可换用镍锌电池。从现在的价格看，
镍锌还显稍贵些，但相信待其应用量上去后，价格自然会降下来。与铅酸 电池外形轮廓的兼容性，使镍锌电池更方便替代铅酸电池而成为电动车的 理想动力电源。
２．２．６燃料蓄电池
燃料蓄电池一直作为电池界研发的重点，目前应用较多的有三种：碳 氢化合物燃料蓄电池、ＭＫ９００燃料蓄电池组以及锌空气蓄电池。
（１）碳氢化合物燃料蓄电池
它的最大特点就是甲烷气体和氧气反应产生电能。因此其成本低廉、
效率高、安全性能好、易于运输和储藏。通过改进，碳氢化合物燃料蓄电 池还可以直接采用柴油和汽油，具有较高的实际应用价值，很有可能取代 生产成本和使用成本高的氢燃料蓄电池，成为燃料蓄电池发展的主流。
（２）ＭＫ９００燃料蓄电池
ＭＫ９００燃料蓄电池具有体积小，质量轻，低温工作性能良好的特点，
功率为７５ＫＷ，体积比功率达１．３ＫＷ／Ｌ，一般车辆只需一个蓄电池组即可。
但是，ＭＫ９００依然采用氢做燃料，从而使其燃料的供应、生产和使用的成 本很高，实际应用的阻力比较大。
９
（３）锌空气蓄电池
锌空气蓄电池于１９９３年诞生在德国，属于金属空气蓄电池，又称为锌 氧蓄电池，目前已经可以工业化生产。锌空气蓄电池比能量已达到 ２３０Ｗｈ／ｋｇ，几乎为铅酸蓄电池的８倍，其理想值可以达到１３５０Ｗｈ／ｋｇ。
锌空气蓄电池的主要优点是：体积小、质量轻、成本低廉，工作温度 范围广，电荷容量大、无腐蚀性，具有良好的安全性能。此外，锌空气蓄 电池采用了不同于常规蓄电池充电方式。它只能采取更换锌电极的方式进 行充电，当换上新的锌电极之后，充电过程就完成了。因此，锌空气蓄电 池充电时间极短，使用极其方便，是极具前途的电动车用蓄电池。但本文 研究的充电方法不是基于更换电极的，所以本文的充电机不包括对锌空气 蓄电池充电。
２．３蓄电池的充放电特性分析
２．３．１蓄电池充放电的基本概念
（１）电池单元，单个电池
通常，每个电池由六个单元（Ｃｅｌｌ）组成，单元之间串联。对于每个单元 ３．７Ｖ的电池来说，单个电池的电压为２２．２Ｖ。
（２）电池容量
电池容量是蓄电池使用过程中的一个重要参数，指在规定的条件下，
完全充电的蓄电池能够提供的电量。单元电池内活性物质的数量决定了单 元电池含有的电荷量，电池越大，它的容量越高。电池容量用Ｃ表示，其 单位用Ａｈ、ｍＡｈ表示。
（３）充电终止电压、过充电和放电终止电压、过放电
蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，
蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。当充电速率很 高，又不能及时地在满充点结束充电时，很容易出现大电流过充电的问题。
过充电会使电池内部的温度和压力都急剧上升，对电池造成伤害。所以在 电池充电到接近满充点时，最好采用低速率充电，不致对电池造成伤害。
放电终止电压是指蓄电池可放电的最低电压，如果电压低于放电终止 电压后继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成过放电。这极容易对电
ｉ０
池造成永
（４）
当电 阻，这个
其中 是由于电
其值与流过蓄电池的电流强度有关，电流越大，ＲⅣ越大。
（５）充电速率和放电速率
为了便于对不同容量的蓄电池加以比较，其充电电流不用电流的绝对 值来表示，而是用电池的额定容量Ｃ与充（放）电时间ｆ的比来表示，称 为电池的充电速率或放电速率。例如一个容量Ｃ为１２０Ａｈ的电池，对它进 行２小时的放电后电池的电量完全放完，则它的放电电流为：
Ｉ＝Ｃ／２＝０．ＳＣ（Ａ） （２．２）
即它的放电速率为０．５Ｃ；若用０．５小时对它放电完毕，则它的放电电流为：
Ｉ＝Ｃ／０．５＝２Ｃ（Ａ） （２．３）
即它的放电速率为２Ｃ。
（６）充电状态（Ｓｔａｔｅ ｏｆＣｈａｒｇｅ．．ＳＯＣ）
充电状态指某个时刻电池所剩电量Ｃ，与电池标称总容量Ｃ的比，通常 把在一定温度下电池充电到不能再吸收能量的状态定义为１００％的充电状 态（ＳＯＣ），而将电池不能再放出能量的状态定义为Ｏ％的充电状态（ＳＯＣ）。
ＳＯＣ＝（Ｃ，／ｃ，）×１００％ （２．４）
（７）蓄电池的极化
极化现象是指外电流通过电极时，电极电势偏离平衡值的现象，通常 分为三类：
①欧姆极化
充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受 到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必须额外 施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式传递给环 境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流的急剧加大，欧姆极化将造成蓄 电池在充电过程中的高温现象。欧姆极化在充电停止后即会自行消失。
②浓度极化
电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的 反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。但实际上，生成物和反应物 的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度 发生变化。即从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀，这种现象 称为浓度极化。充电停止后，由于分子的扩散，浓度极化会逐渐消失。
③电化学极化
这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子 运动的速度而形成的。随着充电进行和充电电流的增加，电化学极化将更 加显著。
极化所产生的过压、气泡、温升、能耗等不仅使电池发热，而且也降 低电池的效率，加速电池的老化，对蓄电池极为不利。这三种极化现象都 是随着充电电流的增大而严重，大大阻碍了电池充电，所以要实现快速充 电必须减弱电池充电的极化现象。
２．３．２蓄电池可接受的充电电流分析
２０世纪６０年代末期，美国科学家马斯提出了以最低出气率为前提的蓄 电池可接受充电电流曲线，如图２．１所示。
图２．１可接受充电电流曲线图
按照该曲线，对蓄电池以一定的电流值进行充电，该电流值仅供电池 接受而不会有气体析出。假设蓄电池的充电电流为Ｌ，蓄电池可接受的电
流值为厶，如果在整个充电过程中都有Ｌ＝‘，那么不仅充电过程中不会有
气体析出，而且充电持续的时间也可以减ｄ，Ｎ最短ＨＪ¨。上述的蓄电池可接 受充电电流形成了一条轨迹，这条轨迹是一条指数函数曲线。在充电过程
１２
任何
电电 加出
２．３．３
问的关系。蓄电池以一定的电流充放电时，其端电压如下式所示：
充电时：Ｖ＝Ｅ＋△吼＋△让＋坎 （２．６）
放电时：Ｖ＝Ｅ一△仇一△让一肛 （２．７）
式中：Ｖ为充、放电时电池的端电压（Ｖ），ＡｑＬ为正极板的过电位（Ｖ），
△让是负极板的过电位（Ｖ），Ｉ是充、放电电流（Ａ），Ｒ为电池的内阻（Ｑ）
电压（Ｖ） 温度（℃）
图２．２锂离子蓄电池的充放电特性曲线
图２．２是锂离子蓄电池的充放电特性曲线，从图中可以看出，充电开始 后，电压在ｃ１．ｃ２阶段急剧上升，然后沿ｃ２．ｃ３线缓慢上升，延续较长时间，
到达ｃ３点之后电压又迅速上升，在ｃ４点时电压约为４．２Ｖ。放电初始阶段 电压下降较快，到ｄ２点后电压开始缓慢下降，到达ｄ３点后在３．５５Ｖ附近 电压又急剧下降。其它蓄电池的充放电特性与锂离子蓄电池相似，只是充
１３
２．４
２．４．１
法则 流，
的快
（１）马斯第一定律
蓄电池可接受充电电流比与放电容量成反比，即：
扣％ （２．８）
由该式可知，蓄电池接受电流的能力与蓄电池的放电深度有关，蓄电池放 出的电量越多，蓄电池可接受的充电电流越大。
（２）马斯第二定律
对任意给定的放电深度，蓄电池充电电流接受比与蓄电池放电电流的对数 成正比，即：
口＝Ｋｓｌｏｇ（Ｋ，，） （２．９）
式中，，为蓄电池的放电电流；鲍为放电量常数，视放电量的多少而定；Ｋ 为计算常数；由于Ｉｏ＝ｏｔＣ，所以，马斯第二定律可以表述为：
Ｉｏ＝Ｋ２Ｃｌｏｇ（Ｋ，厶） （２．１０）
’由此式可以看出，蓄电池接受充电电流的能力与蓄电池的放电电流成正比，
即蓄电池的放电电流Ｌ越大，其可接受的充电电流Ｉｏ就越大。
由马斯第一定律和第二定律可知，在充电过程中适当地加入窄脉冲大电流 放电后，由于放电电流很大而放出的电量又很小，所以可以大大提高蓄电池可 接受的充电电流。
（３）马斯第三定律
蓄电池以不同的电流放电后，可接受的充电电流等于以各种不同电流放电 时的可接受充电电流之和。即：
１４
所以
可接
总的可接受充电电流增加，适当地放电将使可接受充电电流比放电量增加的快，
故蓄电池在充电前和充电过程中适当地放电将增加可接受充电电流比。
２．４．２常用充电方法
蓄电池充电方法可以分为常规的充电方法和快速充电方法。常规的充电方 法主要有恒流充电、恒压充电、分阶段充电三种，许多其他的方法都是在这三 种基本方法的基础上衍生而来；而快速充电方法目前常用的主要有脉冲充电、
变电流间歇充电、变电压间歇充电等【１４＇２３１。
（１）恒流充电
恒流充电法是在整个充电过程中，始终用恒定不变的电流对蓄电池进行充 电，如图２．３所示。该方法的主要特点是具有较大的适应性，可以任意选择和调 整充电电流，特别适用于小电流长时间充电的模式，有利于容量恢复较慢的蓄 电池的充电，而且控制方法简单。其主要缺点是开始阶段的充电电流过小，在 充电后期充电电流又过大，所以整个充电过程时间长、能耗高、效率低。
Ｕ，ｉ
Ｏ
‘ 充电电压
／／
／厂 充电电流
图２．３蓄电池恒流充电曲线
ｔ
（２）恒压充电
恒压充电是指在整个充电过程中都以某一恒定电压进行充电，随着蓄电池 端电压的逐渐升高，充电电流逐渐减少。这种充电方法主要特点为：充电初期
１５
电流相当大，随着充电的延续，充电电流逐渐减小，在充电后期只有很小的电 流通过。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线，而且充电时 间短、能耗低，但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响。恒压充 电时充电电流和蓄电池端电压曲线如图２．４所示。
ｉ（Ａ）
ｕ（Ｖ）
Ｌ
—、
一．．，，，，：：：：：，、ｉ：：：：：：：：：：：：．二
ｔ（ｈ）
图２．４蓄电池恒压充电曲线
（３）分阶段充电法
分阶段充电法是采用恒流充电和恒压充电相结合的快速充电方法，有二阶 段充电法和三阶段充电法两种。二阶段充电法如图２．５所示：首先，以恒电流充 电至预定的电压值，然后改用恒压至完成充电。这一方面避免了恒压充电初期 的充电电流过大的现象，另一方面又避免了恒流充电后期过充电的现象。
三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒流充电，中间用恒压充电的方法，
如图２．６所示。第二阶段之后，当电流衰减到预定值时，转入第三阶段恒流充电。
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，由于充电时 间较长，受到一定的限制。
Ｏ
图２．５二阶段法充电曲线
（４）脉冲充电法
ｔ ０ Ｔ１ Ｔ２ ｔ
图２．６三阶段法充电曲线
脉冲充电是指充电电流或电压以脉冲的形式加在蓄电池两端，叠加一定频
１６
电动汽车智能充电机的总体设计
率、宽度、高度的负脉冲放电或短时间的中途停充电，如此循环，如图２．７所示。
充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇停充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，提高了蓄电池的可接受充电电流比，使蓄 电池可以吸收更多的电量。脉冲充电是蓄电池充电的新技术，它打破了蓄电池 充电指数接受曲线的限制，提高了蓄电池固有的可接受充电电流比。
０
图２．７脉冲充电曲线
（５）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，将恒流充电段改为限 压变电流间歇充电段。充电前期的恒电流充电段采用最佳充电电流，获得绝大 部分电量。充电后期采用定电压充电，将电池恢复至完全充电态。通过间歇分 段方式，达到加速充电过程，缩短充电时间，充进更多电量的目的。变电流间 歇充电法电流电压曲线如图２．８所示。
０ 充电时间ｔ
图２．８变电流间歇充电法曲线图
（６）变电压间歇充电法
变电压间歇充电法是在变电流间歇充电法的基础上提出的（如图２．９），不 同之处在于充电前期各阶段不是间歇恒流，而是间歇恒压。在每个恒压充电阶
１７
段，充电电流逐渐下降，符合电池可接受充电电流随着充电的进行逐渐下降的 特点，所以这种方法能够更好的拟合最佳充电曲线。
０ 充电时问ｔ
图２．９变压间歇充电曲线图
２．４．３快速充电控制技术
蓄电池在充足电后，电池的温度和内压会迅速上升，铅酸蓄电池等甚至会 出现电压负增量。如果此时继续进行快速大电流充电，对蓄电池的损害是很大 的。为了保证电池能充足电又不过充电，必须采用一定的方法来控制充电的终 止。现阶段采用的充电终止控制方法很多，通常有定时控制、电压控制及温度 控制等。
（１）定时控制
这种控制方法通常用在恒流充电模式中，设定以恒定电流充电至可接受电 流值的时间，当充电时间达到设定值时，定时器发出信号使充电机迅速停止充 电或者充电电流迅速降低到浮充电流。这样可以避免电池长时间大电流过充电。
定时控制比较容易实现，但是，由于电池的起始充电状态不完全相同，恒流充 电时间应随之调整，电池状态的不确定性使时间参数的确定变得很难，因此，
定时控制不适合用于分段式恒流控制。
（２）电压控制
在电压控制中，常用的控制方法有电压负增量控制和电压二次导数控制两 种。电压负增量控制法控制简单，由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压 无关，而且不受充电速率、环境温度等的影响，所以，即使对电池数不同的电 池组，也可以比较准确地判断电池已充足电。但是电池电压出现负增量后，电 池已经过充电，电池温度较高，所以最好与其它控制方法配合使用。电压二次 导数控制方法通过检测电池电压的二次导数来实现控制。实验证明，当电池充
足电时，其
相对来讲更加安全可靠，但测试技术却相对复杂。
（３）电池温度控制
为了避免损坏电池，电池温度过低时不能立即开始快速充电过程；电池充 足电后，温度上升很快，当电池温度上升到规定数值后，必须立即停止充电过 程。因此设定适当的电池温度上升值，当电池的温升达到设定值时，控制器使 充电机自动转入浮充电模式。由于环境和热敏电阻响应时间的影响，往往不能 准确检测电池的充电状态，故将温度参数作为唯一的控制参数也是不宜的。
（４）综合控制法
以上各种控制方法各有优缺点，为了保证在任何情况下均能可靠地将电池 充足电而又不过充，可采用具有时间控制、温升控制和电压负增量控制功能的 综合控制法。近年来，国内外研制的快速充电器均采用这种综合控制法。本设 计采用时间控制、温升控制和等压差时间差控制的综合控制方法。
２．５电动汽车智能充电机系统总体方案设计
２．５．１系统充电方法和控制技术的设计
充电方法的选择是非常重要的，不同的充电方法，其充电速度和充电效果 的差别可能很大。如何快速、高效的充电，一方面归结为如何加快电池的化学 反应速度，使之充电速度得到最大的提高；另一方面就是如何使蓄电池可接受
的充电电流最大，并能更好的拟合蓄电池的可接受充电电流曲线。
由前面的介绍可知，在充电过程中短时间的停止，并加入适当的放电脉冲，
在一定程度上可以尽可能的消除电池的极化现象，提高充电电流的接受率，使 蓄电池的可接受充电电流曲线右移，从而提高充电速度。 ．
在分析了蓄电池各种充电方法的基础上，本文采用带放电去极化的三段式 可变脉冲充电方法：第一阶段按“正脉冲充电一停充一负脉冲瞬间放电一停充 一再正脉冲充电”这种循环过程进行；当蓄电池的端电压达到一定值时，进入 第二阶段，采取电压脉冲充电，继续上述循环过程；第三阶段是小电流充电阶 段，在此阶段，蓄电池接受充电的能力己经很弱，因此采取小电流进行均衡充 电。其中，去极化负脉冲的宽度可以自适应各个时期的充电要求，由所采集到 的电池端电压、充电电流和电池温度等信息与预先所设定的值进行比较而确定。
１９
充电过程示意图如图２．１０所示。
《＼
嫣 脚 锄 根
图２．１０带放电去极化的三段式可变脉冲充电过程
在快速充电系统中，终止控制技术的选择也很重要。因为电池充满电后，
温度升高，端电压会达到极限，不再升高，铅酸蓄电池的端电压甚至会有所下 降，但在温度过高的情况下，下降不明显，所以本系统采用时间控制、温度控 制和等压差时间差控制相结合的综合控制方法，可简单表述如下：
ｔ≥ｔｕ
Ｔ≥‰ （２．１２）
ｄｕ｝ａｒｔ§０
其中，ｆ为充电时间，ｋ为设定的最长允许充电时间，丁为蓄电池温度，ｋ
为最高允许温度。
２．５．２充电机总体设计
一个智能充电系统应该建立在高效的充电电源和良好的充电控制方法的基 础上。电动汽车用蓄电池充电机是一种大功率的充电系统，对高频化和智能化
的要求较高，本文研究的充电机的电源部分采用ＰＷＭ控制型开关电源。
作为充电系统的核心，充电机控制器实际上是一个实时监测和控制系统，
由模糊免疫自适应ＰＩＤ控制系统和单片机控制系统两部分组成，通过该控制器，
充电机可以实现常规充电、快速充电和维护充电三种充电模式，可以给各种类 型各种状态的蓄电池充电。本设计中充电机的控制回路具有以下功能：
电动汽车智能充电机的总体设计
（１）具有数据采集功能，对蓄电池端电压、温度、充电电流及充电机状态 等参数实时监测和显示，并可以根据采样值，采用相应的充电工艺，通过模糊 免疫自适应ＰＩＤ控制系统得出相应的控制信号，以此来控制ＰＷＭ脉宽调制信 号，从而达到控制充电电压和充电电流的目的。
（２）具有部分数据的掉电保存功能，比如充电电压、充电电流、充电阶段、
充电时间以及充电方式等。
（３）具有过流、过压、过热等故障自诊断、故障报警及处理能力。
（４）具有实时通信功能，充电机控制器可以与电池管理系统（ＢＭＳ）、充 电站监控管理机相互传递数据，实现充电站监控管理机的远程启动、紧急停机 等功能。
２．６本章小结
本章首先分析了电动汽车用智能充电机的功能需求，指出了具体的技术指 标，介绍了电动汽车常用的动力电池的种类、性能指标和特点。接着阐述 了蓄电池的容量、内阻、充放电终止电压和极化现象等概念，指出了蓄电 池可接受充电电流曲线，重点分析了锂离子电池的充放电特性，并分析了 极化现象产生的原因及对蓄电池充电的影响及去极化的方法。然后分析了常 用充电方法及快速充电控制技术的优缺点，提出了一种带放电去极化的三段式 脉冲充电方法和结合时间控制、温度控制及等压差时间差控制的综合控制技术，
最后给出了充电机的总体设计。
２ｌ
本章 ＤＣ．ＤＣ变 电机的主
３．１充电机主电路硬件设计
３．１．１充电电源的类型选择
设计蓄电池充电机也就是设计一个电源，本质上是一个ＤＣ—ＤＣ变换器，不 过必须通过一定的控制算法使得该电源输出电压及电流与蓄电池充电曲线相吻 合。目前常用的充电电源主要有相控电源、线性电源：开关电源三种。
（１）相控电源将市电直接经整流滤波后输出直流，通过调节晶闸管的导通相 位角来控制输出电压。相控电源所使用的变压器是工频变压器，体积大，动态
响应差，可靠性低，效率低，已经有被逐渐淘汰的趋势。
（２）线性电源先经过变压器降低交流电电压幅值，再经过整流电路得到脉冲 直流电，最后经滤波得到带有微小波纹的直流电。它通过串联调整管，实现连 续控制，但是线性电源需要采用大功率调整管并需要装配体积很大的散热器。
（３）开关电源是当前应用最广泛的电源，其核心是高频电源变换电路。它使 交流电源高效率地变换成一路或多路调整过的稳定直流电压。随着电力电子技 术和自动控制技术的发展，尤其是大功率高压场效应管等新型高频开关器件的 出现，使得功率变换器的开关频率大大提高，从而使得开关电源具有体积小、
重量轻、操作方便、高效、节能、工作效率高等越来越完善的性能，正逐步成 为充电电源的首选，在近期内，开关电源将占据主导地位。所以，本文将该充
电机设计为一种电压型ＰＷＭ控制智能开关电源。
３．１．２开关电源的拓扑结构选择
开关电源的核心是高频变换电路，变换器的拓扑结构可分为两种基本类型：
非隔离型（在工作期间输入电源和输出负载共用一个电流通路）和隔离型（能 量转换是用一个相互耦合磁性元件变压器来实现的，而且从电源到负载的耦合
是借助于磁
Ｂｕｃｋ．Ｂｏｏｓｔ、
常用的隔离型拓扑结构包括：正激式、反激式、推挽式、半桥式、全桥式等。
正激式电路简单可靠，广泛应用于功率为数百瓦至数千瓦的开关电源中，
但该电路变压器单方向磁化，铁芯利用率低，且占空比小于Ｏ．５，必须有复位电 路。反激式变换器结构最为简单，元器件最少，且不需要复位电路，但变压器 单方向磁化，铁芯利用率低电路，开关器件承受的电流峰值很大，不适合用于 较大功率的开关电源。推挽式电路的变压器为双向激磁，驱动简单，但容易出 现磁芯饱和问题，功率管要能够承受两倍的输入电压，一般适用于低输入电压 的开关电源中。半桥式电路中变压器也为双向激磁，其利用率较高，且没有偏 磁问题，但是功率管的电流定额为全桥变换器的两倍，这点对于大功率电源来 说，大电流功率管成本较高，因此半桥变换器通常用于高输入电压低输入电流 的中小功率场合。全桥变换器铁心双向磁化，利用率高，功率管承受电压等于 输入电源电压，电压应力低，且容易实现软开关，比较适合大功率场合。
由于要适用于多种类型的蓄电池和多种充电方式，所以充电机的输出电压 和电流的范围就要相对较大一些，根据电动汽车智能充电机大功率全数字化的 功能需求，本设计的主电路采用目前技术比较成熟的全桥变换拓扑电路，其原 理图如图３．１所示。
囊、、 ＼墨
…
】 Ｌ岫 ．一一ｋｗ
ｎ
＝ａ
Ｎ１； ｌ
Ｎ２ ＝＝ＱｌＱ ＼’鼻 一Ｊ一－憎 ］ ‘憎
Ｉ Ｉ
图３．１全桥变换器拓扑结构图
３．１．３充电机主电路的设计
根据电动汽车智能充电机的功能需求，设计出整个充电机主电路的硬件电 路，主要包括：输入滤波器、整流器、高频变换电路和输出整流与滤波电路，
如图３．２所示，３８０Ｖ－－－相交流电压经三相整流桥整流、电容滤波后得到直流电压，
