摘  要： 電動汽車以其高效率、低排放、多能源的特點(diǎn)有效地抑制了能源緊張和環(huán)境污染問題，但高效可靠的充電系統(tǒng)和車載能源問題成為其發(fā)展的主要瓶頸。對此，以ARM處理器為整個充電系統(tǒng)的控制核心，并結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)研制了一種車載智能充電系統(tǒng)。構(gòu)建了嵌入式系統(tǒng)軟硬件平臺，詳細(xì)闡述了車載智能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。理論和實(shí)驗(yàn)分析表明，該充電系統(tǒng)減少了電動汽車充電時(shí)間，性能優(yōu)良、可靠性高。

　　關(guān)鍵詞： ARM處理器；電動汽車；脈沖；車載智能充電；電池檢測

0 引言

　　電動汽車是21世紀(jì)高效、清潔、可持續(xù)的交通工具，同時(shí)也是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染這兩大突出難題的重要途徑。電動汽車的主要動力源泉是蓄電池，而蓄電池也是制約電動汽車發(fā)展的主要因素。目前，電動汽車的技術(shù)已逐步成熟[1]，一次充電可基本滿足市區(qū)的交通里程需求。但大規(guī)模應(yīng)用以及續(xù)駛里程問題依然不夠理想，而且大規(guī)模應(yīng)用還存在著充電時(shí)間長、充電效率低以及充電控制系統(tǒng)故障等諸多難點(diǎn)。對此，在蓄電池能量有限的情況下，研制一種車載智能充電設(shè)備是延長行駛里程和解決充電時(shí)間長問題的有效方法。

1 車載智能充電系統(tǒng)

　　車載智能充電系統(tǒng)的研制是為了能夠?qū)崿F(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)完成對鎳氫蓄電池組的智能充電[2]。充電系統(tǒng)在充電之前首先采用最高電壓法來檢測蓄電池組電壓的初始狀態(tài)，確定蓄電池組的初始荷電狀態(tài)、端電壓以及內(nèi)部溫度，根據(jù)蓄電池的初始狀態(tài)來設(shè)定充電系統(tǒng)的充電電壓、電流和充電時(shí)間。在充電系統(tǒng)充電的過程中對蓄電池參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測與采樣，結(jié)合蓄電池參數(shù)的性能指標(biāo)（如表1所示），ARM處理器就可以分析出當(dāng)前蓄電池及其連接線路的性能狀況[3]以及負(fù)載驅(qū)動能力，并將分析結(jié)果顯示在LCD觸摸屏上。

　　蓄電池質(zhì)量和充電控制技術(shù)是決定蓄電池壽命的兩個主要因素。一直以來，人們不斷地對充電控制技術(shù)進(jìn)行研究與改進(jìn)，目前比較流行的充電方法有脈沖充電、恒流恒壓充電[4]、正負(fù)脈沖充電。本文所采用的充電方法為正負(fù)脈沖充電：正脈沖對蓄電池進(jìn)行充電—短時(shí)間的負(fù)脈沖放電—短時(shí)間的間歇。正負(fù)脈沖充電方法可加快充電速度、吸收熱量、消除電池極化現(xiàn)象[5]。

2 車載智能充電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 ARM硬件系統(tǒng)

　　嵌入式系統(tǒng)具有軟件代碼少、自動化程度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，是目前比較熱門的研究領(lǐng)域[6]，被廣泛應(yīng)用到諸如網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、汽車電子等行業(yè)。如圖1所示，車載智能充電系統(tǒng)以S3C6410處理器為控制核心，由數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊和顯示模塊構(gòu)成。虛線框內(nèi)JTAG、UART、Flash、SDRAM構(gòu)成了ARM的最小系統(tǒng)。根據(jù)車載智能充電系統(tǒng)的實(shí)際需求，在最小系統(tǒng)上擴(kuò)展了觸摸屏顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)測、輔助電路等模塊。其中LCD觸摸屏的采用更好地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互與智能化。

　　2.2 主充電電路

　　主充電電路將含有波動的交流市電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個充電系統(tǒng)的性能。如圖2所示，車載智能充電系統(tǒng)的主充電電路由兩個全橋電路[7]、一個由4個絕緣柵型雙極晶體管（IGBT）組成的全橋逆變電路、高頻變壓器等組成。220 V市電首先經(jīng)過全橋電路、大電容進(jìn)行整流與濾波得到直流電，但此時(shí)的直流電紋波比較大，不能作為充電電源，需將直流電再通過全橋逆變電路[8]得到電壓可調(diào)的高頻交流電，由高頻變壓器耦合到副邊，再經(jīng)全橋整流、電感電容濾波得到紋波很小的直流電壓，此電壓為最后的充電電源。

3 車載智能充電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　車載智能充電系統(tǒng)軟件主要功能分為5個部分：蓄電池參數(shù)監(jiān)測任務(wù)[9]（電壓數(shù)據(jù)監(jiān)測、電流數(shù)據(jù)監(jiān)測、溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測）、數(shù)據(jù)處理與存儲任務(wù)、UART通信任務(wù)、異常報(bào)警任務(wù)和GPRS通信任務(wù)，其主程序流程圖如圖3所示。

　　在充電系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)前首先對系統(tǒng)任務(wù)的優(yōu)先級[10]進(jìn)行規(guī)劃，可以防止系統(tǒng)多任務(wù)執(zhí)行而發(fā)生紊亂。根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)的關(guān)鍵性、關(guān)聯(lián)性、緊迫性、繁瑣性以及快捷性來確定任務(wù)的優(yōu)先級，如表2所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　本文所研究的車載智能充電系統(tǒng)的主充電對象為鎳氫蓄電池，選用12個單體鎳氫蓄電池進(jìn)行充電仿真試驗(yàn)。在充電的過程中不斷監(jiān)測充電電壓、電流和蓄電池內(nèi)部溫度的變化，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示，并就充電時(shí)間、充入能量、充電效率等與恒流恒壓充電方法進(jìn)行了比較，結(jié)果如表3所示。從監(jiān)測結(jié)果可以看出，與恒流恒壓充電方法相比，正負(fù)脈沖充電方法有效地縮短了充電時(shí)間[11]、提高了充電效率，非常適合給動力源為鎳氫電池的電動汽車充電。

5 結(jié)論

　　本文以三星S3C6410處理器為系統(tǒng)控制核心，構(gòu)建了電動汽車車載智能充電系統(tǒng)的軟硬件平臺，分析了ARM硬件結(jié)構(gòu)、主充電電路。采用了正負(fù)脈沖充電方法對鎳氫電池起到了保護(hù)與延長壽命的作用。充電結(jié)束控制方法采用了定時(shí)控制、溫度控制和最高電壓控制相結(jié)合的方法，有效地防止了過充電。在原有充電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本車載智能充電系統(tǒng)對蓄電池參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高了充電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該車載智能充電系統(tǒng)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為電動汽車的普及提供了有利的條件。

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