电动汽车智能自适应充电系统的设计

[摘　要]电动汽车快速充电技术的应用研究,将推动我国新能源汽车的迅速发展,本设计中采用快速充电方式对充电电池进行充电,通过在实验室进行数学建模与仿真,获得充电参数的最佳工况点,又在整体控制方式中采用智能控制,并利用PID控制算法对系统实时进行控制,使系统整机性能得到提高,同时系统样机在实验室多次实验,并获得有价值数据为日后研究工作的参考资料,是一种新型的智能充电装置和一种新型的充电技术应用.

[关 键 词]单片机　快速充电　脉冲　PID　监测

一、引言

电动汽车智能自适应充电技术的应用研究,将加快我国新能源汽车领域的研究,为纯电动汽车的发展奠定基础.同时在其他行业也有非常广阔的应用前景.

传统的充电方式可以分为以下几种：慢速充电方式、快速充电方式、更换电池充电方式等.以上每一种充电方式都有其自身缺点,在日常生活中对于一些普通场合,能满足人们的需求,但如果将这种充电方式应用于电动汽车中,就将会制约我国电动汽车产业的发展.这种常用的充电技术,不但充电时间过长,还会减少电池使用寿命,同时对充电电网干扰严重等很多缺点,形成一个技术瓶颈.要想解决这个技术问题,有两种思考方向,一种是采用新型的材料制成电池,一种是采用新型的充电技术.

智能自适应充电技术的应用研究,将根据电池本身在充电过程中所体现的动态特征进行分析和控制,通过智能监测系统实现对电池充放电过程的监控,可以识别不同类型的电池,并根据实际其测试指标,选择合适的充电方式,在保证电池使用寿命不变的前提下,尽量缩短充电时长.系统还具有故障分析与自动保护功能,在待机状态下实现低功耗输出.

二、充电最佳工况点研究

电池在充放电过程中所体现出的动态特性,在实验室通过大量不同材质的电池进行测试,在大量实验数据的基础上,我们进行分析研究,发现充电温度、湿度、电池容量、种类、充电电压、电流等因素都影响和制约电池充电过程.在实验室中,我们通过不同种类的电池和充电方式进行测试,根据电池在充电过程中的动态特性曲线,忽略次要因素,经大量实验分析得出：在电池充电过程中,要想得到最佳充电工况点,应将充电温度控制在0.2～2.0℃之间变化,随着充电时间的增加,存储电荷数量将增加,但同时电池的使用寿命也会缩短,那么在合适的温湿度及相应条件下,保持充电过程电池温度的变化在理想范围之内,我们可以通过计算与仿真得到电池充电过程最佳工况点.

三、智能自适应快速充电系统整体设计

1.系统整体设计

智能自适应快速充电系统的设计应包含以下几个单元：系统电源单元,单片机控制单元,电池类型检测单元,显示与打印单元,报警与自保护单元,充电过程监控单元（充电电压监控电路,充电电流监控电路,充电过程温度监控电路）,数据采集与处理单元（常规数据的存储,充电时间与电压、电流的选择计算,A/D信号转换与处理）,输入与输出单元（按键输入,打印输出,显示输出）,无线通信单元组成,如图3-1所示.

图3-1　系统整体设计框图

2.控制算法设计

在系统设计过程中,考虑系统的安全性、稳定性与经济性,本设计采用的双闭环控制方式,并通过数字PID控制算法进行调试.系统根据检测电池类型输出期望值,通过监控单元控制数据采集与处理单元转化相应充电电压与电流,并检测充电过程中电池的温度变化,利用控制电路把电池温度控制在要求范围内

3.控制算法参数的整定

在智能数字化控制系统中,参数的整定十分重要,参数整定的好坏将会直接影响系统的调节品质.本设计采用简单易行的工程整定法,即扩充临界比例度法,并根据工程经验确定好PID控制器的结构以后,进行PID控制器的参数整定.

四、整机性能测试

在实验室中针对不同材质、相同规格充电电池进行多次重复性实验,测试基础数据如下表4-1所示,实验室基本参数如下,温度25℃,湿度40%.

表4-1　实验室测试不同材料相同规格充电电池参数

五、结论

电动汽车智能自适应充电系统的设计,是采用快速充电方式中智能控制方式,通过理论仿真建模分析,我们得到充电时间与电池使用寿命最佳工作点,通过智能控制系统进行控制,在控制过程中采用闭环PID算法,并利用理论推导与工程实践经验相结合,得到PID控制最佳整定参数,实现对整个充电过程实时智能控制.在实验室中利用制作成的充电样机进行多次重复性实验,发现基本实现设计初期目的,可以本设计是一种较为理想的智能自适应充电装置.