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摘要：面对电动汽车的快速发展，大功率动力电池智能充电机以及充电算法的研究显得愈加重要。本文研制了智能充电机系统，开发了恒流、恒压以及智能充电算法。该智能充电机可以为电动汽车提供稳定可靠的能量转换，并将随着电动汽车的广泛使用不断发展。
关键词：电动汽车，智能充电机，微机控制
Abstract: facing the rapid development of the electric car, high power battery intelligent charging machine and charging more important research of the algorithm. This paper developed a intelligent charging machine system, the constant development, the constant pressure and intelligent charging algorithm. The intelligent charging machine for electric cars can provide stable and reliable energy conversion, and with the widespread use of electric vehicle development.
Keywords: electric cars, intelligent charging machine, computer control
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
电动汽车是目前世界上唯一能达到零排放的机动车。由于环保的要求，加之新材料和新技术的发展，电动汽车进入了发展高潮。顺应当前国际科技发展的大趋势，将电动汽车作为中国进入21 世纪汽车工业的切人点，不仅是实现中国汽车工业技术跨越式发展的战略抉择，同时也是实现中国汽车工业可持续发展的重要选择。随着电动汽车研究的深入，对于电动汽车用电池充电器有了一定的需求，因为这是一个比较新的应用领域，因此充电机功率范围有限。从上面的分析可以看出，研制电动汽车大功率智能充电机具有重要意义。
1.1.1三相交流全控整形电路（AC-DC整流电路）
目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理如下图1.1所示，电路中A、B、C接三相交流输入380V，G接外壳或大地，确以漏电故障的安全防护。为了说明该电路的6只二极管的工作情况，将波形中的一个周期分为六段，每段为60○，六个二极管的导通顺序为D1—D2—D3—D4—D5—D6。
图1.1充电装置主电路AC/DC原理
1.1.2 PWM逆变电路及其控制方法与DC-DC整流电路
PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。
根据PWM控制的基本原理，给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅度值和半个周期内的脉冲数量，PWM波形中各个脉冲的宽度和时间间隔就可以准确计算出来。
下图1.3所示，采用IGBT作为开关器件的单相桥式PWM逆变电路。设负载为阻感负载，工作时V1和V2的通断状态互补，V3和V4的通断也互补。具体控制规律如下：
输出Ut-L1正半周，让V1保持通态，V2保持断态，V3和V4交替通断。由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周，有一段区间为正，一段时间为负。在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，负载电压Ut-L1等于直流电压E；关断时，负载电流通过V1和VD3续流，Ut-L1=0。在负载电流为负的区间，仍为V1和V4导通时，因I t-L1为负，故I t-L1实际上从VD1和VD4流过，仍有Ut-L1=E；V4关断，V3开通后，I t-L1从V3和VD1续流，Ut-L1=0。这样，Ut-L1总可以得到E的两种电平。同样，在Ut-L1的负半周，让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压Ut-L1可以得到- Ut-L1和零两种电平。控制V3和V4通断的方法如下图1.4所示。
图1.2充电装置主电路DC/DC原理
图1.3单极性PWM控制方式波形
DC-DC全波整流电路由上图1.3所示，D1、D2二极管和电容C组成，其D1与D2二极管性能要求，导通响应时间必须大于PWM频率周期，导通电流≥200A，反向崩溃电压必须>200V，C储能电容，也为波形整形电容，该电路中主要将D1和D2整流过的全波波形整形成直流电平，提高直流输出电压U波形的直流质量。IGBT管中选用三菱公司CM600HA-24H管，技术指标为600A/1200V/1U，以确保输出功率达10kW时电流的需求。
1.2驱动电路基本工作原理
以上的主电路采用CM600HA-24H的IGBT管，驱动该管的选用M5762L型IGBT驱动模块。
1.2.1 M57962L 工作程序
当电源接通后,首先自检,检测IGBT是否過载或短路。若过载或短路, IGBT 的集电极电位升高,经外接二极管流入检测电路的电流增加,栅极关断电路动作,切断IGBT的栅极驱动信号,同时在“8”脚输出低电平“过载/短路”指示信号。lGBT 正常时,输入信号经光电耦合接口电路,再经驱动级功率放大后驱动IGBT。
1.2.2 M57962L工作原理
M57962L采用双电源+Vcc和VEE,原理如图1.5所示。电路组成： (1) 放大隔离电路；(2)定时复位电路；(3)过流检测电路；(4)过流输出电路。
1.2.3 M57962L正常开通过程
当控制电路使M57962L输入端13和14脚有10mA的电流时光耦IC1导通,A点电位迅速下降至VEE,使IC2A的2脚输出为高电平Vcc,三极管V2、V4 导通,V3、V5 截止,使V7 导通,Vcc 加到R17 上,同时由R18/ (R17+R18)大于R16/(R15+R16),导致IC2D的13脚为低电位,V6截止,R4/(R3+R4)大于R16(R15+R16)使IC2B的13脚截至,故IC214脚为高电平V1,截止,M57962L的8脚不输出故障信号。
在M57962L 输入端13 和14 无电流时,IC1 截止,A 点电位上升使IC2A 的2 脚变为低电位,则使V3、V5 导通,V2、V4 截止。lGBT的门极( GATE) 通过V5 导通到VEE ,而使IGBT 关断。IC2C 的14 脚输出为低电平, 使V1、V7 导通, 使IC2B、IC2D 保持原先状态不变。
1.2.4 M57962L短路故障状态
若IGBT己导通发生过流现象,则E、F 两点电压升高,经过保护延时而使得V7截止,IC2D 的13 脚变为截止,使V6 导通。在M57962L 的8 脚输出故障信号,同时,V6 使得A 点变为低电平VEE 进入封闭型软关断过程,此时,M57962L 的13和14 脚有无信号,对M57962L 的状态没有影响。C6 通过R14和R21 放电使G点电位缓慢下降,从而实现软关断。同时,C1则通过R4 放电使得IC2B 的7 脚的电位缓慢下降,当C1 放电结束时,将打断软关断过程。若IGBT的短路故障消失则电路就可以恢复正常工作；若IGBT的故障末消失,则M57962L输出周期为1.3ms的脉冲信号(前沿陡,后沿缓)。
M57962L采用+ 15V、-10V双电源供电,由于采用-10V关断电压,能更可靠关断,同时具有封闭性软关断功能,使IGBT更加安全工作。
图1.4 IGBT驱动电路M57962L电路剖析图
2软件流程设计
本文设计的充电装置主要利用ADC电路获取蓄电池在充电过程中电压、电流的值与设置的蓄电池充电参数进行实施比较，根据随着充电时间的推进和蓄电池充电蓄能的增加，蓄电池端电压将逐渐增加、电流逐渐减小的特点，采集的实施电压、电流与时间值符合电池‘额定电压’、‘AH’（安时）条件，将控制UC3875控制芯片的使能端，关闭充电的执行。随着再次进行实施监视蓄电池端的U、I值变化。若蓄电池被停止后U反弹降低，将再次执行充电任务直至符合充电参数为止，确保电池的自放电导致电池充不满。
结论
智能充电机采用了较为先进的技术，例如大功率IGBT管相控自同步触发模块集成技术，实现充电计费自动化，实现智能充电先进模式等。整个系统设计时，充分考虑了系统的安全性和可靠性，系统不但在硬件上采取了一系列的抗干扰措施，而且软件也具有较好的容错能力。由于采用了与主控计算机联机通讯与控制技术，使系统具有较好的人机交互界面，为充电装置统一化管理提供一定的硬件条件。
[参 考 文 献]
[1]王兆安刘进军 主编 杨旭 卓放 裴云庆 王跃 参编《电力电子技术》（第5版）[M].机械工业出版社。
[2]刘琰 侯志坚 张敏 芦家成 编 《IGBT驱动电路M57962的剖析》[M].河南：河南机电高等专科学校学报。
[3]田永盛 编《一种单片机控制的铅酸电池充电电源》[M].广东：深圳中兴通讯股份有限公司电子设计工程第19卷 第3期。
[4]李戍 何福友 王长龙《单片机控制的大功率IGBT蓄电池充电系统》[M].石家庄：军械工程学院电力电子技术1998年第1期。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：电动汽车，智能充电机，微机控制
Abstract: facing the rapid development of the electric car, high power battery intelligent charging machine and charging more important research of the algorithm. This paper developed a intelligent charging machine system, the constant development, the constant pressure and intelligent charging algorithm. The intelligent charging machine for electric cars can provide stable and reliable energy conversion, and with the widespread use of electric vehicle development.
Keywords: electric cars, intelligent charging machine, computer control
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
电动汽车是目前世界上唯一能达到零排放的机动车。由于环保的要求，加之新材料和新技术的发展，电动汽车进入了发展高潮。顺应当前国际科技发展的大趋势，将电动汽车作为中国进入21 世纪汽车工业的切人点，不仅是实现中国汽车工业技术跨越式发展的战略抉择，同时也是实现中国汽车工业可持续发展的重要选择。随着电动汽车研究的深入，对于电动汽车用电池充电器有了一定的需求，因为这是一个比较新的应用领域，因此充电机功率范围有限。从上面的分析可以看出，研制电动汽车大功率智能充电机具有重要意义。
1.1.1三相交流全控整形电路（AC-DC整流电路）
目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理如下图1.1所示，电路中A、B、C接三相交流输入380V，G接外壳或大地，确以漏电故障的安全防护。为了说明该电路的6只二极管的工作情况，将波形中的一个周期分为六段，每段为60○，六个二极管的导通顺序为D1—D2—D3—D4—D5—D6。
图1.1充电装置主电路AC/DC原理
1.1.2 PWM逆变电路及其控制方法与DC-DC整流电路
PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。
根据PWM控制的基本原理，给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅度值和半个周期内的脉冲数量，PWM波形中各个脉冲的宽度和时间间隔就可以准确计算出来。
下图1.3所示，采用IGBT作为开关器件的单相桥式PWM逆变电路。设负载为阻感负载，工作时V1和V2的通断状态互补，V3和V4的通断也互补。具体控制规律如下：
输出Ut-L1正半周，让V1保持通态，V2保持断态，V3和V4交替通断。由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周，有一段区间为正，一段时间为负。在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，负载电压Ut-L1等于直流电压E；关断时，负载电流通过V1和VD3续流，Ut-L1=0。在负载电流为负的区间，仍为V1和V4导通时，因I t-L1为负，故I t-L1实际上从VD1和VD4流过，仍有Ut-L1=E；V4关断，V3开通后，I t-L1从V3和VD1续流，Ut-L1=0。这样，Ut-L1总可以得到E的两种电平。同样，在Ut-L1的负半周，让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压Ut-L1可以得到- Ut-L1和零两种电平。控制V3和V4通断的方法如下图1.4所示。
图1.2充电装置主电路DC/DC原理
图1.3单极性PWM控制方式波形
DC-DC全波整流电路由上图1.3所示，D1、D2二极管和电容C组成，其D1与D2二极管性能要求，导通响应时间必须大于PWM频率周期，导通电流≥200A，反向崩溃电压必须>200V，C储能电容，也为波形整形电容，该电路中主要将D1和D2整流过的全波波形整形成直流电平，提高直流输出电压U波形的直流质量。IGBT管中选用三菱公司CM600HA-24H管，技术指标为600A/1200V/1U，以确保输出功率达10kW时电流的需求。
1.2驱动电路基本工作原理
以上的主电路采用CM600HA-24H的IGBT管，驱动该管的选用M5762L型IGBT驱动模块。
1.2.1 M57962L 工作程序
当电源接通后,首先自检,检测IGBT是否過载或短路。若过载或短路, IGBT 的集电极电位升高,经外接二极管流入检测电路的电流增加,栅极关断电路动作,切断IGBT的栅极驱动信号,同时在“8”脚输出低电平“过载/短路”指示信号。lGBT 正常时,输入信号经光电耦合接口电路,再经驱动级功率放大后驱动IGBT。
1.2.2 M57962L工作原理
M57962L采用双电源+Vcc和VEE,原理如图1.5所示。电路组成： (1) 放大隔离电路；(2)定时复位电路；(3)过流检测电路；(4)过流输出电路。
1.2.3 M57962L正常开通过程
当控制电路使M57962L输入端13和14脚有10mA的电流时光耦IC1导通,A点电位迅速下降至VEE,使IC2A的2脚输出为高电平Vcc,三极管V2、V4 导通,V3、V5 截止,使V7 导通,Vcc 加到R17 上,同时由R18/ (R17+R18)大于R16/(R15+R16),导致IC2D的13脚为低电位,V6截止,R4/(R3+R4)大于R16(R15+R16)使IC2B的13脚截至,故IC214脚为高电平V1,截止,M57962L的8脚不输出故障信号。
在M57962L 输入端13 和14 无电流时,IC1 截止,A 点电位上升使IC2A 的2 脚变为低电位,则使V3、V5 导通,V2、V4 截止。lGBT的门极( GATE) 通过V5 导通到VEE ,而使IGBT 关断。IC2C 的14 脚输出为低电平, 使V1、V7 导通, 使IC2B、IC2D 保持原先状态不变。
1.2.4 M57962L短路故障状态
若IGBT己导通发生过流现象,则E、F 两点电压升高,经过保护延时而使得V7截止,IC2D 的13 脚变为截止,使V6 导通。在M57962L 的8 脚输出故障信号,同时,V6 使得A 点变为低电平VEE 进入封闭型软关断过程,此时,M57962L 的13和14 脚有无信号,对M57962L 的状态没有影响。C6 通过R14和R21 放电使G点电位缓慢下降,从而实现软关断。同时,C1则通过R4 放电使得IC2B 的7 脚的电位缓慢下降,当C1 放电结束时,将打断软关断过程。若IGBT的短路故障消失则电路就可以恢复正常工作；若IGBT的故障末消失,则M57962L输出周期为1.3ms的脉冲信号(前沿陡,后沿缓)。
M57962L采用+ 15V、-10V双电源供电,由于采用-10V关断电压,能更可靠关断,同时具有封闭性软关断功能,使IGBT更加安全工作。
图1.4 IGBT驱动电路M57962L电路剖析图
2软件流程设计
本文设计的充电装置主要利用ADC电路获取蓄电池在充电过程中电压、电流的值与设置的蓄电池充电参数进行实施比较，根据随着充电时间的推进和蓄电池充电蓄能的增加，蓄电池端电压将逐渐增加、电流逐渐减小的特点，采集的实施电压、电流与时间值符合电池‘额定电压’、‘AH’（安时）条件，将控制UC3875控制芯片的使能端，关闭充电的执行。随着再次进行实施监视蓄电池端的U、I值变化。若蓄电池被停止后U反弹降低，将再次执行充电任务直至符合充电参数为止，确保电池的自放电导致电池充不满。
结论
智能充电机采用了较为先进的技术，例如大功率IGBT管相控自同步触发模块集成技术，实现充电计费自动化，实现智能充电先进模式等。整个系统设计时，充分考虑了系统的安全性和可靠性，系统不但在硬件上采取了一系列的抗干扰措施，而且软件也具有较好的容错能力。由于采用了与主控计算机联机通讯与控制技术，使系统具有较好的人机交互界面，为充电装置统一化管理提供一定的硬件条件。
[参 考 文 献]
[1]王兆安刘进军 主编 杨旭 卓放 裴云庆 王跃 参编《电力电子技术》（第5版）[M].机械工业出版社。
[2]刘琰 侯志坚 张敏 芦家成 编 《IGBT驱动电路M57962的剖析》[M].河南：河南机电高等专科学校学报。
[3]田永盛 编《一种单片机控制的铅酸电池充电电源》[M].广东：深圳中兴通讯股份有限公司电子设计工程第19卷 第3期。
[4]李戍 何福友 王长龙《单片机控制的大功率IGBT蓄电池充电系统》[M].石家庄：军械工程学院电力电子技术1998年第1期。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。