关于电动汽车车自动充电系统参考.docx
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关于电动汽车车自动充电系统参考
3.1.1蓄电池充电可接受电流曲线
上世纪60年月中期，美国科学家马斯对张口铅酸蓄电池的充电过程作了大批
的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图
3.1所示。
实验表示，假如充电电流按这条曲线变化，就能够大大缩短充电时间，
并且对电池的容量和寿命也没有影响
[35~38]。
原则上把这条曲线称为最正确充电曲
线，进而确立了快速充电方法的研究方向。
I
I
0
-at
I=I0e
O
t
图3.1蓄电池可接受的充电电流曲线
蓄电池所能接受的最大充电电流的能力的特征曲线可用方程表示
-t
I=Ie（3.2）
0
I—充电电流；I0—初始最大充电电流；α—最大接受力比（=I0C，C为所
需增补电量）；t—充电时间
3.1.4.2快速充电的几种策略
如前所述，快速充电是经过尽可能地延伸蓄电池所固有的可接受初始电流的
连续时间来实现的。
在这段时间里，所要解决的问题是除去极化，而除去极化的
主要手段是对蓄电池实行放电，放电量一般为窄而深的放电脉冲。
当前国内外各
种快速充电装置无一例外处采纳这一手段来达到充电快速的目的。
但采纳的详细
策略有：
按引进放电脉冲的时辰不一样分为充电后期引进放电脉冲法和充电全过程
引进放电脉冲法
[43，44]；按引进放电脉冲的详细方案不一样，又分为固定电阻为负
载实行放电方式和逆变放电法。
（1）充电后期引进放电脉冲法
采纳这类方法，是在充电先期以恒定的大电流进行充电，当反应系统检测出
蓄电池的端电压达到一种“极化点”时，实行放电。
（2）充电全过程引进放电脉冲法
采纳这类方法，是在充电全过程实行放电脉冲去极化。
整个充电过程依照“充
电－停充－放电－停充－充电”这一既定的程序循环往复。
衡量这两种方法，第二种方法更为合理、科学。
这是因为:
（1）极化电压是陪伴大电流的介入而产生。
在大电流充电的早期，极化电
压就己严重存在，不实时予以办理，大电流充电在其早期就难于进行。
（2）采纳第一种方法，反应系统检测出的蓄电池的端电压包含有整流叠加
电压的成分，该值随充电电流大小而异，以此来作为指令控制充电过程其实不可以真
实地反应出蓄电池电动势的增添状况。
（3）经验表示，所谓“极化点”其实不是一个固定的量值，不一样容量的蓄电
池，以及蓄电池的节余容量不一样，其极化点也不尽同样。
3.1.4.3放电的几种策略
（1）以固定电阻为负载实行放电法
这类方法的详细电路如图3.3所示。
充电装置中设置一固定电阻R，开关K
闭合，蓄电池组E对负载R放电。
u
KK
ER
E
t
图3.3以固定电阻为负载的放电电路图3.4逆变放电电路
（2）逆变放电法
逆变放电法所用电路如图3.4所示。
蓄电池组E经过开关K闭合向沟通电网
逆变放电。
比较上述第
（1）和第
（2）两种方法，后者更为合理、科学，这是因为第
（1）
种方法存在以下弊端:
放电脉冲量的最正确点没法确立。
放电脉冲既然作为快速放
电的极其重要的手段，理所自然地存在一个量的最正确值。
放电脉冲的深度和宽度
对除去极化的成效影响甚大，其值太小难于除去极化，而其值太大不只降低充电
效率同时又会惹起新的极化电压。
而电路中的电阻值R一经确立，放电深度即
随之确立，很难追求放电量的最正确值。
为了填补这一缺点，我们加入一个大功率
高频IGBT开关管，实现对放电电流的控制。
经过调理IGBT栅极驱动信号的占
空比，即可调理放电电流的大小。
3.5容量及其测试
电池使用条件不一样，电池能够放出的容量也不一样。
规定电池在必定的放电条
件下，应当放出的量低限度的电量即为额定容量，单位是Ah（安时）。
所规定
的电池放电条件有：
电池放电的电流，一般就是放电率、放电停止电压、放电温
度。
电池的额定容量用C表示，不一样的放电率获取的电池容量会不一样。
比如：
10小时率的放电电流表示的电流值为I10=C10/10=0.1C10，2小时率放电的电流为：
I2=C2/2=0.5C2，1小时放电率的放电电流表示电流值为：
I1=C1/1=1C1。
电池放电
电流不一样，所能够放出的容量也不同样，放电电流越大，能够放出的电量越小
[34]。
3.5.1内阻法测节余容量
（1）蓄电池内阻与荷电程度之间有较好的有关性。
美国GNB企业曾对容量200～1000A·h，电池组电压18～360V的近500个
VRLA蓄电池进行过测试，实验结果表示，蓄电池内阻与容量的有关性特别好，
有关系数能够达到88％。
跟着蓄电池充电过程的进行，内阻逐渐减小；跟着放
电过程的进行，内阻逐渐增大。
此外，跟着蓄电池老化，其节余容量随之降落，
内阻也渐渐增大。
详细实行方法是：
将蓄电池充满电（12V蓄电池为例，充电至13.8V，浮充电
流至10mA。
），而后1C放电率对电池放电，记录放电过程中内阻与电量大小。
当蓄电池放电完成（12V蓄电池放电至10.8V）便可获取完好的放电曲线，即节余
电量与蓄电池内阻之间的关系。
将此曲线存入EPROM中，在此后测试同型号同
规格的蓄电池时，单片机将依据在线测到的电池内阻值，经过查表计算，得出其
节余电量值。
蓄电池完好充电（充满）和完好放电（放完）时，其内阻相差2～4倍，变
化率远远大于蓄电池端电压变化率（约为30％～40％），所以，经过丈量蓄电
池内阻能够比较正确地展望其节余容量。
此外，对于在线使用的蓄电池来说，内
阻法还有一个突出长处是对系统影响最小，能够在蓄电池整个使用期内正确测
量。
所以，不难看出内阻法最适合于VRLA蓄电池节余容量的在线丈量。
（2）电池荷电态与欧姆内阻的关系
表3.3电池荷电态与欧姆内阻的关系
荷电态/%1008568
欧姆内阻/mΩ0.501.201.93
电池荷电态与欧姆内阻的关系如表3.3所示。
依据文件供给的资料表示采纳
沟通阻抗法对6V/4Ah密封蓄电池的测试结果，在电池节余容量高于40%时，电
池的内阻（它包含了欧姆内阻和部分浓差极化内阻）几乎是同样的；不过在低于
40%时，其内阻才快速增添。
即密封铅蓄电池在使用过程中（电池容量高于80%），
其内阻改变很小；一旦电池内阻有了明显变化，则电池的寿命也即告停止了。
在
电池节余容量与内阻之间没有找到严格的数学关系。
放电法测试蓄电池的容量
对蓄电池以规定的电流恒流放电到规定的停止电压,记录时间可依照下边的
公式预计其节余容量。
CIt（Ah）（3.25）
f
式中C――蓄电池容量（Ah）；If――恒定放电电流（A）；t――放电时间（h）
3.5.3不完好放电法展望电池容量
因为内阻法不精准，查对放电法又太费时间，所以人们想到蓄电池容量的半
荷内阻丈量方法对蓄电池进行容量检测。
对于电池组采纳1%-5%C的浅度放电，
在放电状态下，对蓄电池组的各单体电池的端电压进行巡检，找出端电压降落最
快的一只，将其确以为落伍电池，再利用查对放电仪器，对该节电池进行查对放
电，检测其容量，即代表该组电池的容量。
3.8.2脉冲快速充电方案－低压充电
因为蓄电池充电过程中会惹起欧姆极化、浓度极化、电化学极化三种极化电
阻的变化。
为了除去和减少极化现象，可采纳脉冲充电法。
脉冲充电系统第一对各传感器工作状态进行检查。
若全部正常，则联合铅酸
蓄电池特征，在开始充电时进行预充电，而后采纳大电流多个脉冲快速充电，接
下来再采纳短时间多个脉冲放电以除去极化现象。
这样循环往复快速达成给蓄电
池的充电（充电时期系统有温度赔偿控制）。
充电时期对脉冲充电电流及放电电
流进行设定，构成脉冲充电、放电系统。
充电过程中检测蓄电池荷电状态，刚开
始充电时电池电压较低，充电电流被限制在最大充电电流范围以内，跟着电池充
电不停增添，电池电压不停高升，当蓄电池端电压达到补足充电变换点时，脉冲
充电电流自动渐渐变小，进入补足充电阶段。
充电后期采纳定电压充电段，获取
过充电量，将电池恢复至完好充电态。
自动结束，启动停充警告系统。
充电电流
曲线如图3.18所示。
i
I1
I0
⋯
0
t
I2
预充电脉冲快速充电恒流补足充电恒压补足充电
图3.18一种多脉冲充电电流曲线
本充电系统的显然特色是比惯例恒流恒压充电时间大为缩短，整个充电过程
不必人工干涉，实现了智能化、自动化，并且铅酸蓄电池的使用寿命能够延伸。
给使用蓄电池用户节俭花费。
4.1.1整流模块
整流模块的性能对整个充电系统起着至关重要的作用。
所以在确立整流模块
的型号、新能参数是要综合考虑系统要乞降元器件的般配问题。
在整流模块的选
择时，须保证模块能够实现恒流恒压控制功能，并且电压电流连续可调。
当前常用的整流模块按输入动力电源种类不一样分为单相桥式整流模块和三
相桥式整流模块两种。
依照整流元件种类不一样可分为硅整流管模块、晶闸管整流
管模块、IGBT整流模块等。
此中硅整流模块主要用于一般的直流用电设施，IGBT
整流模块多用于变频调速系统中。
晶闸管整流模块应用范围较宽泛，凡是要求具
有必定的控制精度和要求输出可在必定范围内调理的直流供电系统中，均可采纳
晶闸管整流模块，实现沟通到直流的变换。
晶闸管是电流控制型电力半导体器件，要驱动晶闸管，需要较大的脉冲触发
功率。
此外，因为一些协助电路的元器件，好像步变压器、触发变压器等体积也
比较大，所以，假如要把移相触发系统与晶闸管主电路及传感器等封装在同一外
壳内制成晶闸管智能模块，拥有很大的难度。
所以，国内外向来采纳将晶闸管器
件与移相触发系统分立制作的传统形式。
跟着技术的进步，人们将把晶闸管主电
路与移相触发系统以及过电流、过电压保护传感器共同关闭在一个塑料外壳内，
制成晶闸管智能模块,简称ITPM（Intelligentthyristorpowermodule）。
晶闸管恒
流恒压控制模块是高度集成的反应控制稳流稳压系统，内置大功率晶闸管芯片、
移相控制电路、反应控制电路、保护电路和线性电压、电流传感器，是新一代高
科技电力调控产品。
因为晶闸管智能模块解决了同步变压器、脉冲触发变压器微型化的问题，使
移相触发系统的体积大幅度减小，能够集成在体积很小的塑料外壳内。
其在信号
幅度、抗扰乱能力、高压隔绝、同步信号输入等方面拥有明显的改良。
因为散热条件的利害对晶闸管的应用有着很重要的影响，为了使智能模块具
有比较高的散热性能、绝缘性能，故ITPM采纳了DBC（陶瓷覆铜板）资料。
DBC作为一种电力电子器件的基础资料，拥有其余资料无可比较的导热性能、
绝缘性能。
同时，在模块内部，采纳了其余一些特别资料，比方，拥有优秀电绝
缘和保护性能以及优秀热传导作用的弹性硅凝胶等，这些资料对提升模块的整体
性能，起到了特别重要的作用。
图4.1为晶闸管智能三相桥模块的内部接线图。
同步信号
滤波整形及
锯齿波形成
移相控制
高频调整
脉冲放大脉冲分派振荡器
[45]
图4.1晶闸管智能整流模块内部接线图
最近几年来，人们经过对智能模块进行不停的技术改良，已经用数字技术代替了
模拟技术，使移相触发系统更为正确靠谱，扩大了智能模块的输出容量。
当前已
研制出输出最大工作线电流1600A，额定工作电压为380V和660V的智能模块，
其在各样场合获取了宽泛应用。
（1）智能整流模块工作原理
在图4.1所示的电路中六只晶闸管构成三相全控整流桥，经过移相控制电路，
控制6只晶闸管导通角，可直接从模块输出端获取0～510V的直流电压。
在移
相控制电路中，使用了数字化专用集成电路JP-SSY01，拥有很高的移相精度和
工作稳固性。
智能模块在控制上可分为开环控制与闭环控制。
在晶闸管构成的电源系统
中，大多数是采纳电流闭环控制和电压闭环控制。
图4.2是闭环控制系统工作原
理图。
霍尔传感器反应电压的偏差电压的偏差电
电流采样整形放大形成和放大压整形
恒
010V设定
电压
流
恒
压
转
换
电
路
移
相
调
控
电
路
主
工
作
电
路
霍尔传感器反应电压的偏差电压的偏差电过热过流
电压采样整形放大形成和放大压整形缺相保护
[45]
图4.2闭环控制系统工作原理图
该原理图可大概分为三部分：
移相调控部分、电压反应部分和电流反应部分。
工作原理以下：
第一，由用户依据实质状况，选择模块工作在恒流状态仍是恒压
状态，经过“恒流恒压变换电路”，确立电压反应部分工作或电流反应部分工作；
而后，用户调整“-010V设定电压”，该电压经过“移相调控电路”，控制主电路晶
闸管开通必定的角度，进而输出用户希望的电压或电流；该输出电压或电流经“霍
尔传感器采样”、“整形放大”后，与“-010V设定电压”进行比较，形成偏差电压，
该偏差电压经办理后，控制“移相调控电路”，依据输出电压或电流的大小，随时
快速调整晶闸管的导通角，达到稳固输出电压或电流的目的。
（2）整流模块控制系统的特色：
1）采纳线性霍尔传感器，实现电气隔绝，提升了整机性能。
霍尔效应式传
感器是一种新式电流、电压采样器件，其工作原理是利用霍尔元件在磁场中产生
感觉电压的霍尔效应，将电流、电压变换为电压信号。
霍尔传感器的长处是变换
系数高、有优秀的电气隔绝作用、响应速度快、线性度较好，对提升整机性能有
很大利处。
2）反应系统的应用，使“0～10V设定电压”与输出电压与电流成较好的线性
对应关系，战胜了晶闸管移相角度与输出电压非线性的弊端。
3）在电压反应与电流反应电路中，采纳高精度的霍尔传感器和精细放大电
路；同时，模块化的产品缩短了控制电路与移相电路、主电路的信号传输距离，
进而使模块的控制精度较高，比其余同功能产品有更大的优胜性。
4）多种保护功能，使用更为安全方便。
5）“移相调控电路”采纳专用数字电路JP-SSY01，使触发更为正确靠谱。
（3）整流模块的主要技术参数和功能：
因为当前电动汽车动力蓄电池组的电压Ud基本上都在420V以下，其电流也
一般都在300A以下，所以我们选择测试系统整流模块时，选择额定电压600V，
额定电流300A的整流模块。
1）在晶闸管控制曲线上线性度较好的范围内（恒压在100V～350V，恒流约
在35%～75%A（A为最大设定电流）），稳压精度在0.5%，稳流精度在1%之
内；在线性度较差的范围内，稳压精度不大于1%，稳流精度不大于2%。
2）电网调整率：
电网变化±20%，输出变化（调整范围内）不大于±1%。
3）高线性对应关系，0～10V设定与输出电流（压）成较好线性关系，非线
性度不大于5%。
4）过流、过热、缺相三种保护功能，使模块应用更为安全。
5）霍尔传感器采样信号的输出，可外接电流、电压显示。
6）假如内部反应系统成效达不到用户要求，用户可选择严禁使用，从外面
另接反应控制电路。
为了能够适应其余种类电池的充电，以及电池数目不等于24块的蓄电池组
充电的状况，要求输出电压在150～300V连续可调，充电电流在0～30A连续可
调。
为此，我们设计充电系统时选择了淄博银河高技术开发有限企业开发的恒流
恒压控制整流模块，充电系统构造框图如图4.3。
变压器整流模块滤波电路输出检测蓄电池组
显示输出微办理器
参数检测
图4.3充电系统构造框图
在这一系统中，整流模块不单起到整流作用，还起着调理输出电压和电流的
作用。
依据输出检测和蓄电池参数的反应信息，联合蓄电池的充电特征，微办理
器给整流模块一个控制指令调理整流模块的输出电压或电流。
（4）整流模块的保护
整流模块工作状况利害决定充电试验的成败，一定保证其正常的工作，为此，
须一定对其进行必需的保护设计。
包含过流保护、过热保护、缺相保护和短路保
护等。
在本设计中采纳过流、过热自动指示和缺相、短路自动断电的方法保护整
流模块。
过压保护采纳外接阻容汲取和压敏电阻过电压保护相联合的两重保护。
模块内置有过流保护，但为安全起见一定再外接快速熔断器。
选择快速熔断
器的原则：
1）熔断器的额定电压大于电路的正常工作电压。
2）熔断器的额定电流要依据模块的额定电流选用。
在此设计中依据模块参
数选择额定电流为25A的快速熔断器。
采纳阻容汲取回路作为过压保护，与晶闸管模块并联连结。
电容器把过电压
的电磁能变为静电能量储存，电阻防备电容与电感产生谐振。
这类汲取回路能抑
制晶闸管由导通到截止时产生的过电压，有效防止晶闸管被击穿。
压敏电阻也可作为过压保护，在三相晶闸管模块前，成角接。
当电压过大时，
压敏电阻内部成雪崩导通，形成很强的电流，以致串连的快速熔断器断路，进而
达到过电压保护。
快速熔断器、压敏电阻和阻容汲取电路的接法如图4.4所示：
C
R
VIN
FS
VOUT
ITPM
+
-
C
R
VR
图4.4三相整流模块保护电路
（5）整流模块的安装步骤：
1）把散热器微风机按通风要求装置于机柜适合地点。
2）在模块导热底板表面与散热器表面各平均涂覆一层导热硅脂，而后用四
个螺钉把模块固定于散热器上，四个螺钉使劲要均等，使模块底板与散热器表面
密切接触。
3）用接线端头环带将铜线扎紧，最好再浸锡。
而后套上绝缘热缩管，用热
风或热水加热缩短。
4）将接线端头平放于模块电极上，用螺钉紧固，保持优秀平面压力接触。
控制端接插件有三种形式：
5脚、9脚和15脚。
9芯线和15芯线均带障蔽层。
障蔽线应接于控制电源地线上。
在此充电系统中采纳带过热、过流、缺相保护的
模块控制端是15芯接插件。
各脚号与引线颜色及功能对应接线关系见表4.1和
图4.5。
表4.1各引脚引线颜色及功能
引脚号12345678
引线颜色红色黑色黑白双色中黄色橙色白色深蓝色深绿色
引脚功能＋12VGNDGNDCONECON-12VRESIVS
引脚号9101112131415
引线颜色棕色紫色粉色灰色浅蓝色浅绿色柠黄色
引脚功能IGUGOFFIGLTGL
此中：
4脚为触发电路控制信号，0～10V信号输入，此时OFF端一定接地，
严禁恒流恒压功能，只好作为一般移相调压模块但各样保护正常。
恒流恒压应用
时此脚悬空。
5脚为简单测试模块引脚。
方便用户检测模块功能使用，此端已从
模块内部经过1K电阻同+12V电源连结，输出10V直流信号，可外接10～100K
电位器，但不宜作给定信号使用。
此端口一般空置。
7脚为手动复位端口，当电
路保护后此端接+12V电源进行复位，复位前一定第一清除保护故障，把电压、
电流给定信号降为零。
8脚为恒流恒压控制选择端。
恒流时接＋12V电源，恒压
时接地或悬空。
9脚为恒流控制给定信号输入，0～10V直流电平。
10脚为恒压
控制给定信号输入，0～10V直流电平。
14脚为过流保护指示端口。
出现过流时
输出低电平，外接发光二极管点亮。
15脚为过热保护指示端口。
出现过热时输
出低电平，外接发光二极管点亮。
（6）整流模块的测试
为了查验模块能否正常，可对模块控制功能进行简单测试，测试时应注意：
1）加电前认真检查线路连结能否正确。
2）丈量模块主电路输出电压时，输出端一定接不小于100W的负载，保证
主电路最小工作电流大于50mA，空载时测出的数据不正确。
依据以下图接法对模块输出电压与输入电压之比与控制信号的关系进行
测试，其在正常工作范围内应知足线性要求。
将模块输出端接上假负载（如灯泡），
经过调理接9脚的电位器，进而自9脚输入0～10V控制信号，在输出端用示波
器（或万用表）测得不一样控制电压下的支流输出，并记录下来。
+12V
-12V
K
模块控制接口
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
RP1
+10V
RP2
图4.5测试电路控制引线接法
经测试，得出整流输出电压随控制信号强弱变化曲线，如图4.6所示。
450
400
350
）
V
（
300
压
电
250
出
输
200
流
整
150
100
50
0
012345678
输入控制信号（V）
图4.6输入电压与输出电压之比随控制信号强弱变化曲线
此测试结果显示，在正常工作电压范围内模块整流输出电压与输入控制信号
基本上成线性关系，知足该充电系统的设计要求。
4.2.1主电路的设计
充电系统主要由变压器，桥式可控整流智能模块和充电控制电路所构成，充
电电流无级调理，蓄电池初始充电时采纳分段恒流充电方式，当蓄电池马上充满
时充电机转为恒电压充电方式，最后采纳脉冲充电，直到充满为止，充电程式可
经过微机设定或依据需要进行改正。
设计要求直流输出拥有恒流和恒压两种功
能，且电压和电流均可线性调理。
电池组由24块铅酸蓄电池构成，额定电压为
288V。
主电路采纳晶闸管智能控制模块整流，利用PWM控制IGBT模块的开通和
关断实现蓄电池快速充电控制。
主电路如图4.7所示。
FS主接触器KM1
电ITPM
池
组
滤波电路
压敏电
阻保护阻容汲取保护
图4.7a充电主电路表示图
KM5
KM3
KM4
IGBTIGBT
FS主接触器KM2
放
电
ITPM
电
池
电
组
阻
滤波电路
压敏电
阻保护阻容汲取保护
图4.7b带有放电电阻的充电系统主电路表示图
图4.7a所示充电主电路中主要经过调理ITPM的控制信号输入实现分段恒流
充电。
图4.7b为带有放电电阻的充电系统主电路，适合在充电过程中加入放电
脉冲，进一步提升充电效率，缩短充电时间。
与电脑相连的检测电路的充电电压可由分压精细电阻获得，经过相应的放大
后送至电脑的A/D口；充电电流经过电流传感器采样、放大，而后也送至电脑
的A/D口；蓄电池温度经过温度传感器，将对应的电压量放大后送至电脑的A/D
口。
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