充电桩设计2.docx

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充电桩设计2

长江大学工程技术学院

毕业设计（论文）

题目名称

电动汽车充电桩的设计

题目类型

毕业设计

系部

信息系

专业班级

测控技术与仪器60801

学生姓名

向雷

指导教师

张鹰峰

辅导教师

张鹰峰

时间

2012.5.10至2012.6.10

任务书................................................................................................................................Ⅰ

开题报告............................................................................................................................Ⅱ

指导教师审查意见............................................................................................................Ⅲ

评阅教师评语....................................................................................................................Ⅳ

答辩会议记录....................................................................................................................Ⅴ

中文摘要...........................................................................................................................VI

外文摘要..........................................................................................................................VII

2.3充电桩运行模式..................................................................................................7

摘要

学生：

向雷，信息系

指导教师：

张鹰峰，信息系

随着社会的发展以及能源、环保等问题的日益突出，纯电动汽车以其零排放，噪声低等优点越来越受到世界各国的重视，电动汽车已成为2l世纪汽车产业的发展方向．电动汽车的迅速发展，对电池能源的要求越来越高，因而电池运行状态的管理变得越来越重要。

本文深入地研究电动汽车的电池管理系统，并提出合理的系统设计思想与实现方法。

首先介绍了电动汽车的发展历史和电池管理系统的技术现状，以及剩余电量预测的几种模型，以删一Ni电池作为研究对象，在分析MH-Ni电池的工作原理、

电池的电压、电流和温度特性和传统预测方法的基础上，提出采用经验与积分计算结合的电池剩余容量预测方法。

在对蓄电池快速充电原理和目前各种充电方法的研究基础上，提出了两阶段充电模式，即在充电前期采用多段恒流充电和脉冲充电相结合的快速充电方法，而在充电后期采用定电压补足充电法；对蓄电池快速充电的控制技术进行了探讨，在设计中，采用了具有电池电压负增量控制、电池最高电压控制和电池温度控制功能的综合控制法。

综合以上研究，本文介绍了所研制的一种分布式、功能模块化的车载电池管理系统，它主要由主控模块、可控充电系统模块、电压采集子模块、温度采集子模块，电流测量子模块及显示模块构成，通过LIN总线实现相互通讯。

并根据该总体设计，具体分析讨论了各个模块电路具体设计及实现方法；系统采用ATMEGA8L作为微控制器，在ICC环境下进行编程，完成主程序控制、485模块通讯、电池状态监控及充电管理软件部分设计，并列出了部分模块的软件功能实现的流程图。

本文所述的电池管理系统设计，硬件电路可靠，抗干扰能力强，软件设计调试方便，已经在一款新加坡电动电动车中得到实际应用，其智能化充电的思路值得以后继续深入研究和推广。

关键词：

电动汽车，电池管理系统，剩余容量，快速充电

Abstract

Student：

xianglei,DepartmentofInformation

Teacher：

YingfengZhang,DepartmentofInformation

Withthesocialdevelopment，increasinglyprominentenergyissuesandenvironmentalprotectionissues．pureelectricvehicleswithzeroemissions,lownoiseadvantagesarcgettinggrowingattentionbytheword,electricvehicleshavetobethecurrentofautomohileindustrygreencar．Asthefastdevelopmentoftheelectricvehicle,therequirementtothebatterytechnologyishigherandhigher．Sothemanagementofthebatteryworkingstateisalsomoreandmoreimportant．Thepaperhasdeeplystudiedthetractionbatterymanagementsystemofelectricalvehiclesandtheloficaldesignthoughtsandrealizedmethodshavebeenputforward．

Atfirstintroducedelectricvehicleandthehistoryofthedevelopmentofthebatterymanagementsystemcelltechnology,andtheremainingmarginsofseveralmodels．InthispaperMH-Nibatteriesisresearched,bycarefulanalysisofMH-Nibatteriesworkprinciples,thebatteryvoltage,currentandtemperaturecharacteristics．ThenalogicalSOCmeasuringmethodhasbeenraised,whichisthecombinationofexprienceandintegralcalculation．

Onthebaseofresearchingquick-chargingtheoryandsomechargingmethod,thetwophaseschargingmodehasbeenputforward；probedintothecontroltechniqueofquick-chargingforbattery,intheactualdesign,usedthecolligationcontrolmethod,whichmadeupbyvoltagenegative-incrementcontrol、topmostvoltagecontrolandtemperaturecontrol．

Thedesignofadistributed,modularizedelectricbatterymanagementsystemcomprisedbycentercontrol、intelligentcharging、andvoltage、temperature、currentmeasuringmoduleswasdescribed,inwhichthedatacornmunicationbyLINBus.Concretelyanalyzedthecircuitparameterinhardwaredesign,usedtheAtmegaolastheMCU，finishedtheprogramdesignbytheICCsoftware,listouttheeverymodule’sflowchartastheend．

Thebatterymanagementsystemintroducedbythispaperhasalreadygotactualapplicationinaengineerelectricvehicle．Thehardwarecircuitisreliableandeconomical，softwaredebuggingisexpedite．Theabilityofinterference．rejectionisstrong．itisworthyofdoingsomemoreresearchontheideaofintelligent-charging．

【Keywords】:

Single-chip,internalcontrol,DSP

前言

目前，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7．7％；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3．36倍，是美国的4倍多，是日、英、德、法等国的近8倍，2005年，我国石油净进口1．36亿吨，占石油全部消费量的42．9％。

本文内容安排如下：

首先，阐述了选题的目的和意义，然后介绍了电动汽车充电桩，电动汽车的产生背景以及国内外发展历史和趋势。

其次，研究电动汽车在电力电子方面的原理，为后文理论奠定基础。

再次，设计整流与逆变电路。

第四步，编写编码程序，实现面板上的操作。

最后，对全文进行总结。

第一章选题背景

1.1题目来源

近年来，世界汽车界加快了纯电动、混合动力、燃料电池等清洁能源车型开发的步伐，多种车型、多种能源方式的电动汽车已经投入批量生产。

其中法国有7000辆，日本有10万辆电动汽车产品投放市场，其它欧美国家生产数量平均在1000辆左右。

据美国能源部预测，从1999年到2007年世界电动汽车的销量将平均每年增长60％，到2007年的销量将达到101万辆。

1.2选题目的和意义

我国在“八五”、“九五”期间，都连续将电动汽车列为国家重大科技攻关项目，“十五”期间，更是以产业化为目标，将电动汽车列为“863计划”重大专项，积极推广与探索电动汽车的示范运营。

经过近几年的技术攻关，在电动汽车一些关键技术上取得了阶段性的成果，以武汉、株洲、杭州等地为代表的电动汽车示范运营也已全面展开。

目前，我国与发达国家在电动汽车的研制水平相比虽有差距，但较传统内燃汽车而言，差距相对较小。

因此，以发展电动汽车为主攻方向，是我国汽车工业实现跨越式发展，赶超发达国家汽车工业的机遇。

万向集团自1999年开始启动电动汽车及其关键技术研发项目，通过多年的技术攻关，集团在电动汽车动力电池、一体化电机、电控系统等关键技术领域为进一步推进电动汽车产业化研制打下了较好的基础。

为此，万向集团电动汽车项目也被国家科技部列入了“十五”863电动汽车重大专项计划，2004年lO月，杭州被列为国家电动汽车示范运营城市，由万向电动汽车有限公司承担的863重大专项“杭州市工况下电动汽车运行考核试验研究”项目正式启动。

为此，本文针对此项目的主要研究内容，在电动汽车充电桩的建设、示范运营试验研究等方面开展研究工作。

1．2课题来源及国家“863”计划电动汽车重大专项简介

为维护我国能源安全，改善大气环境，提高加入WTO后我国汽车工业的竞争力，2001年9月，中国科技部在“十五”期间的国家“863”计划中，特别设立了电动汽车重大专项。

专项将从国家汽车

产业发展战略的高度出发，选择新一代电动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，以官、产、学、研四位一体的方式，联合进行攻关。

计划在“十五”期间，促进我国符合市场经济发展要求的研发体系、机制和人才队伍的形成，以电动汽车的产业化技术平台为工作重点，力争在电动汽车关键单元技术、

系统集成技术及整车技术上取得重大突破，集中有限资源抢占新一代电动汽车制高点，促进我国汽车工业实现跨越式发展。

电动汽车重大专项提出“三纵三横”研究开发布局。

“三横”是指纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的整车，“三纵”是指电池、电机和控制系统的关键零部件。

强调建立符合整车开发规律的严密的整车开发程序，提出以整车开发为主导，关键零部件和相关材料紧密结合、基础设施协调发展，政策法规、技术标准与评估技术同步展开的基本方针，作为国内汽车科技项目的一个探索，以保证电动汽车重大专项产品化和产业化目标的实现。

该项目的运作强调创新：

要求各项目组成立科技公司，专门负责开发工作。

不仅所参加的各法人单位要入股，其中的主要研发人员也要入股，形成责任捆绑。

目前该项目的科研资金已经大大超过国家投入的近9个亿，总共达到25亿元以上。

本课题属于国家高技术研究发展计划（863计划）电动汽车重大专项的子项目“杭州市工况下电动汽车运行考核试验研究”（课题编号：

2005AA501980），由万向电动汽车有限公司承担，项目主要研究

内容包括：

（1）研究杭州市工况下电动汽车运行维护体系建设规范（充电桩布局、充电模式及充电设备的技术参数要求）；

（2）完成基于快换式电池组的智能充电桩信息系统的建设；

（3）完成一套车载测试系统的开发；

（4）完成车载信息平台的开发，完成车辆运行信息的采集、显示、报警与传输；

（5）应用车载测试系统，对杭州市公交车进行行驶工况的统计及分析研究；

（6）依托所开发的车载信息平台与车载测试系统，研究电动公交车和电动出租车在杭州市工况下的运行参数和运行模式，对电动汽车的设计及产品改进提供依据；

1.3国内外现状和发展趋势

智能充电桩的研究是与电动汽车产业化同步发展的，我国与西欧、北美等发达国家基本上处于同一起跑线上。

但在一些简易充电桩的建设上，北美等发达国家显然已经走在前头，譬如美国，由于政府的鼓励与法律政策的扶持，电动汽车数量相对较多，通用汽车公司生产的EVl、日本丰田公司的RAV4EV等已经在美国进入了家庭，在其大多数城市内均已建立了多个简易充电桩，包括非接触式充电桩与接线式充电桩。

其充电桩一般建在一些大的停车场车位、公园、维修站、以及汽车旅馆等地方，在城市地图与服务信息台可以很方便地查到每个城市的充电桩位置与充电桩类型。

这些充电桩只是给电动汽车提供短时、快速的充电服务，具有智能收费系统，但是各充电桩之间是孤立的，没有统一的信息管理系统。

在我国，充电桩的研究随着电动汽车示范运行的开展也已经开始取得了一些突破性的进展。

2003年8月，天津市重大科技攻关项目之～的电动汽车示范充电桩通过了有关专家的评审验收，这是天津市首家电动汽车充电桩。

至2004年5月，北京密云电动汽车示范运行的充电桩建设目前基本完毕，采用ll台深圳强能电气有限公司生产的30KW智能充电机组合而成。

北京121路电动公交车示范运行区内的121路公交总站充电桩于2004年10月完成建设，利用原电车的600V直流电网提供充电桩电源，其充电机可以进行联机运行。

白天电动汽车快速充电时可以采用三台充电机并联给一组电池提供大电流、短时的电量补充，晚场采用一对一的正常充电，对电池组进行维护保养。

2006年6月，比亚迪电动汽车在上海松江汽车研究院厂区内部也建成一座与加油站类似的充电桩，可以对充电量进行智能收费，一次充电时间大约需要6个小时。

此外，在株洲、武汉等地区，由于电动汽车示范运营的开展，都建立了不同规模的充电桩。

总的来讲，国内在充电桩的研究的已经展开，但目前仍然局限于多台充电机的简单组合，在电动汽车动力电池组的快速充电与正常充电的充电模式、充电参数的设置方面仍处于经验设置、摸索阶段，在充电过程中电池的温度、绝缘、过充的报警和保护这些应用方面的研究则有待深入。

国内所开发的电动汽车充电桩有些虽已投入运行，但其综合性能指标并不太理想，进一步开发高效、高可靠性、高适应性和高通用性的智能充电桩系统仍有大量研究工作需要深入开展。

早期的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。

基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。

90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。

随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。

而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。

目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。

当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。

而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

1.4课题的设计目的

1.巩固、加深和扩大电力电子应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决问题的能力。

2.培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力。

3.通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉电力电子的开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。

第二章基本理论

2.1实现电动汽车充电的基本条件

标识系统交流充电桩整体形象满足国家电网公司标识系统的一般要求。

有明显的发光指示，确保夜间使用易于查找和辨别。

并配备户外遮雨设施。

结构要求交流充电桩壳体应坚固；结构上须防止手轻易触及露电部分。

设计外观标识应符合国家电网公司统一要求标准。

电源要求：

50电源要求采用单相220V；允许电压波动范围为220V±10%；频率：

Hz±1Hz。

IP防护等级交流充电桩应遵守IP32（在室内）或IP54（在室外），室外环境应用时应设置必要的遮雨设施。

三防（防潮湿，防霉变，防盐雾）保护：

交流充电桩内印刷线路板、接插件等电路应进行防潮湿、防霉变、防盐雾处理，保证充电机能在室外潮湿、含盐雾的环境下正常运行。

防锈（防氧化）保护：

交流充电桩铁质外壳和暴露在外的铁质支架、零件应采取双层防锈措施，非铁质的金属外壳也应具有防氧化保护膜或进行防氧化处理。

平均故障间隔时间（MTBF）：

MTBF应不小于30000h。

2.2硬件设计理论

1、充电机以隔离型桥式DC／DC变换器为主体结构。

2、控制系统由驱动板和单片机（CPU）控制系统组成。

3、人机接口由按键和六位数码管组成。

4、充电机内部装有输入／输出电能计量装置。

5、最大输出功率50KW，最大输出电流100A，最高输出电压500V。

长期额定使用的最大输出电流为80A，最高输出电压为480V。

6、具有恒流和恒压运行模式。

7、充电过程的多模式控制。

整个充电过程都由充电机内部的CPU控制，最多可以将整个充电过程分成六个阶段，每个阶段的运行参数和不同阶段间的转换条件都存储在非易失性存储器（EEPROM）中，可以通过充电机的键盘或计算机监控网络来修改参数。

8、具有计算机远程监控能力。

充电机带有隔离485通信接口，通过隔离485通信接口可以组成计算机监控网络，监视和记录每台充电机的运行数据、修改每台充电机的运行参数、控制充电机的启动和停机。

9、具有并联运行能力，两台甚至三台充电机可并联运行。

每台充电机都有工作模式选择开关，可以选择单机或并联运行模式。

当多台充电机并联运行时，其中一台充电机应设置为并联主机，其余设置成并联从机。

所有操作在并联主机上进行。

并联从机会自动跟随并联主机运行。

10、具有完善的保护功能。

充电机提供两大类故障保护：

可恢复故障和不可恢复故障。

对于可恢复故障，当故障消失后，充电机可自动恢复运行。

对于不可恢复故障，为保证人身及设备安全，必须人工恢复。

2.3充电桩运行模式

针对电池充电的要求，充电机可以有两种不同的运行输出模式：

1、恒流模式：

恒流模式是以输出电流作为反馈量，控制系统保持充电机输出电流恒定；

2、恒压模式：

恒压模式是以输出电压作为反馈量，控制系统保持充电机输出电压恒定。

对于电池充电，为了快速充电同时延长电池的使用寿命，在一个完整的充电过程中，不能完全采用一种模式进行充电，而应该将整个充电过程分成不同的阶段，不同的阶段采用不同的运行模式和运行参数，同时在不同阶段之间设置阶段转换条件，当充电机的运行状态满足阶段转换条件时，充电机可以从当前运行阶段变成下一个阶段运行。

本充电机可以将一个充电过程划分成最少1个，最多6个不同的运行阶段。

每个阶段的运行参数包括：

1、运行模式：

恒流或恒压

2、给定参数：

如果运行模式是恒流方式，给定参数为输出给定电流，。

如果运行模式是恒压方式，给定参数为输出给定电压。

3、限制参数：

对于电池负载，在恒流条件下，有可能控制系统为满足设定的输出电流值，而使充电机的输出电压超过电池组的最大电压限制。

在恒压条件下，有可能控制系统为满足设定的输出电压值，而使充电机的输出电流超过电池组的最大电流限制。

为了解决这个问题，在充电机的控制系统中，有一个限制输出部分。

在恒流状态下，限制输出部分会对输出电压和设定的限制最大电压进行比较，若输出电压小于最大限制电压，控制系统保持输出电流等于给定电流，若输出电压大于最大限制电压，控制系统将不再保持输出电流等与给定电流，而是保证输出电压小与最大限制电压。

在恒压状态下，限制输出部分会对输出电流和设定的最大限制电流比较，若输出电流小于最大限制电流，控制系统保持输出电压等于给定电压，若输出电流大于最大限制电流，控制系统将不再保持输出电压等于给定电压，而是保证输出电流小于最大限制电流。

采用以上措施的目的，就是为了保护电池，防止电池在充电过程中受到损伤。

所以在每个阶段的运行参数中包括一个限制输出值。

若运行模式是恒流，限制输出值为最大输出电压。

若运行模式是恒压，限制输出值为最大输出电流。

4、停止参数：

停止参数的含义是当充电机的实际运行状态满足设定的停止参数，充电机会自动转入下一个阶段运行，若当前运行的是最后一个阶段，当充电机的实际运行状态满足设定的停止参数，控制系统会关闭充电机。

若充电机的运行模式是恒流，用户可以选择的停止条件有输出电压或运行时间两种。

若用户选择停止