第1章 绪论
1.1研究背景和意义
近些年，世界各国都在提倡节能环保，其中“低碳”一词大家都不陌生，当今汽车的碳排放量较大，汽车业的研究重心也逐渐转向低碳领域。随着我国汽车销量的逐年增加，汽车行业的碳排放量也越来越高。为做好行业的上升发展和环保减排的平衡，汽车行业面临着发展的转型。在世界石油资源短缺及全球气候变暖的严峻形势下，全球汽车行业统一的标准将参照碳排放标准，进而使全球汽车工业更好地发展。电动汽车相比较以汽油作为动力的传统汽车，在环境保护和节约能源等方面显示出着突出的优势。电动汽车具有很多优点，如污染气体排放量少、高能效、低噪声、低运行成本等，它所具有的这些优点在缓解大气污染及能源紧缺方面意义重大。近几年，对电动汽车的研究全世界正如火如茶地进行，人们希望电动汽车能取代传统油耗汽车。随着若干核心技术的攻克，近些年我国在电动汽车行业上已取得飞速发展，在某些领域已接近德、法、美等欧洲国家及日、韩等亚洲国家的水平。
我国的电动汽车行业创新体系在十年的快速发展后，呈现出“三纵三横”的研发局面，建立了较完善的研发团队。我国已掌握了电动汽车整车开发关键技术，能开发多类电动汽车，一系列的电动汽车整车产品已被展出，而且自主研发的电动汽车也已投入市场运营。核心技术的不断突破，加之政策的大力扶持，我国在未来两年内电动汽车会进入成长快速期，电动汽车的市场及生产规模会迅速扩大。同时应该注意的是，电动汽车充电设施是电动汽车产业链中不可忽视的重要组成部分，在大力发展电动汽车产业的同时还应充分兼顾充电设施的发展。由于电能是一种二次能源，随着智能电网的快速发展，电动汽车及其配套设施充电站的建设，也要朝智能化，高效利用电力资源方向发展。
我国的电动汽车行业创新体系在十年的快速发展后，呈现出“三纵三横”的研发局面，建立了较完善的研发团队。我国已掌握了电动汽车整车开发关键技术，能开发多类电动汽车，一系列的电动汽车整车产品已被展出，而且自主研发的电动汽车也已投入市场运营。核心技术的不断突破，加之政策的大力扶持，我国在未来两年内电动汽车会进入成长快速期，电动汽车的市场及生产规模会迅速扩大。同时应该注意的是，电动汽车充电设施是电动汽车产业链中不可忽视的重要组成部分，在大力发展电动汽车产业的同时还应充分兼顾充电设施的发展。由于电能是一种二次能源，随着智能电网的快速发展，电动汽车及其配套设施充电站的建设，也要朝智能化，高效利用电力资源方向发展。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
近年来从产品和技术两个层面上讲，国外的充电系统都取得了较好的进展:（1）充电产品随着控制技术、人工智能等先进技术的发展，摆脱了单一型，朝着多功能、更安全智能的方向发展;（2）现场工业总线技术，如CAN, RS485, LIN总线的发展使得监控系统的通信手段多样化、高速化、安全化。法国多用核能和水力发电，其发电能力充足，据统计法国总发电量的四分之三来自核电站，六分之一来自水电站，因而其发电源干净、电价便宜，汽车工业发达，因而是世界上最早研制和推广电动汽车的国家之一。法国政府协同EDF(法国电力)公司，并与PSA公司、Renault(雷诺)汽车公司等多家公司合作，开发电动汽车。在LaRocheHe(拉罗切里市)投资生产了小型4座电动汽车50辆，并建造了12座(包括3座快速和9 座普通)充电站，目前已经投入使用并进行了超过2年的试验。日本的新能源汽车也一直处于世界领先水平，东京电力公司已宣布其成功研发出大型快速充电器，该充电器大大缩短了充电时间，这对日本电动汽车普及提供了较大的可能性。就充电桩的设计和控制为主的充电设施的建设，美国的First Solar公司最早在加州的高速上建造了5座快速充电桩，能够在240V/ 70A条件下，于3.5小时内完成对电动汽车的充电。
1.2.2国内研究现状
由于技术发展的限制，我国进入电动汽车充电技术的研究领域晚于国外，但是近年来得益于相关的扶持政策，以及高校、科研机构和企业在相关领域的合作，目前电动汽车充电技术已取得了一定的突破，电动汽车充电设施建设也呈现良好发展势头。
深圳的比亚迪公司建立了电动汽车研究所，在厂区内还建设了一些电动汽车快速充电站和充电桩。北京奥运村运行的纯电动公交车，该公交车的充电控制系统具有自主知识产权，其能源补给的方式是快速更换充电电池。该充电站到目前为止仍是世界第一的规模。深圳两座电动汽车充电站，134个充电桩正式投入使用，这是由南方电网在深圳投资建设的首批充电设施;唐山的南湖电动汽车充电站也正式地投入了商业运营，这是由华北电网建设的第一座典型大型电动汽车充电站。为加快电动汽车推广的进程，在地方政府的大力支持下，我国各地纷纷建立了电动车充电站。自2014年起，已有多个省市开始建造充电站，包括了上海、北京、浙江、湖北、河南、重庆等。北京交通大学研发的30kw大功率单体充电机，比较有代表性，该技术较为成熟，可三台并用，其输出电压为可调300V-500V，并可选择多种充电模式。同时，包括很多国内高校在内的研究机构在电动汽车充电监控领域正进行着较多的科研工作。我国2015年前陆续建设了包括36200个快速充电桩和7400个慢速充电桩，充电桩加快发展。在“十五”计划期间，为实现能源安全、改善大气环境，国家制定了跨越式发展的战略并设立了“电动汽车重大科技专项”，集中了企业、高校、科研院所的力量进行攻关，把电动汽车的产业化技术平台作为重点研究工作，并在一些关键技术上取得了较好地进展。
近年来从产品和技术两个层面上讲，国外的充电系统都取得了较好的进展:（1）充电产品随着控制技术、人工智能等先进技术的发展，摆脱了单一型，朝着多功能、更安全智能的方向发展;（2）现场工业总线技术，如CAN, RS485, LIN总线的发展使得监控系统的通信手段多样化、高速化、安全化。法国多用核能和水力发电，其发电能力充足，据统计法国总发电量的四分之三来自核电站，六分之一来自水电站，因而其发电源干净、电价便宜，汽车工业发达，因而是世界上最早研制和推广电动汽车的国家之一。法国政府协同EDF(法国电力)公司，并与PSA公司、Renault(雷诺)汽车公司等多家公司合作，开发电动汽车。在LaRocheHe(拉罗切里市)投资生产了小型4座电动汽车50辆，并建造了12座(包括3座快速和9 座普通)充电站，目前已经投入使用并进行了超过2年的试验。日本的新能源汽车也一直处于世界领先水平，东京电力公司已宣布其成功研发出大型快速充电器，该充电器大大缩短了充电时间，这对日本电动汽车普及提供了较大的可能性。就充电桩的设计和控制为主的充电设施的建设，美国的First Solar公司最早在加州的高速上建造了5座快速充电桩，能够在240V/ 70A条件下，于3.5小时内完成对电动汽车的充电。
1.2.2国内研究现状
由于技术发展的限制，我国进入电动汽车充电技术的研究领域晚于国外，但是近年来得益于相关的扶持政策，以及高校、科研机构和企业在相关领域的合作，目前电动汽车充电技术已取得了一定的突破，电动汽车充电设施建设也呈现良好发展势头。
深圳的比亚迪公司建立了电动汽车研究所，在厂区内还建设了一些电动汽车快速充电站和充电桩。北京奥运村运行的纯电动公交车，该公交车的充电控制系统具有自主知识产权，其能源补给的方式是快速更换充电电池。该充电站到目前为止仍是世界第一的规模。深圳两座电动汽车充电站，134个充电桩正式投入使用，这是由南方电网在深圳投资建设的首批充电设施;唐山的南湖电动汽车充电站也正式地投入了商业运营，这是由华北电网建设的第一座典型大型电动汽车充电站。为加快电动汽车推广的进程，在地方政府的大力支持下，我国各地纷纷建立了电动车充电站。自2014年起，已有多个省市开始建造充电站，包括了上海、北京、浙江、湖北、河南、重庆等。北京交通大学研发的30kw大功率单体充电机，比较有代表性，该技术较为成熟，可三台并用，其输出电压为可调300V-500V，并可选择多种充电模式。同时，包括很多国内高校在内的研究机构在电动汽车充电监控领域正进行着较多的科研工作。我国2015年前陆续建设了包括36200个快速充电桩和7400个慢速充电桩，充电桩加快发展。在“十五”计划期间，为实现能源安全、改善大气环境，国家制定了跨越式发展的战略并设立了“电动汽车重大科技专项”，集中了企业、高校、科研院所的力量进行攻关，把电动汽车的产业化技术平台作为重点研究工作，并在一些关键技术上取得了较好地进展。
第2章 系统总体方案
2.1 充电桩的需求分析
充电桩的电源和环境条件如下：
交流充电桩额定工作电压：AC220V士15%;
额定工作频率：50Hz士1Hz;
直流充电桩额定工作电压：三相380VAC士15%;
额定工作频率：50Hz士5%;
环境:工作温度：-20℃~+50℃；
相对湿度：5%-95%。
充电桩是直接接触用户的，在进行充电桩的设计时应充分考虑用户的体验感受，要保证用户自身的安全性、操作的方便性。
（1）充电桩桩体的高度和宽度，以及显示屏幕的位置设计应符合人体操作的方便性;
（2）充电桩通常置于室外，其整个外形的设计要采用不锈钢的结构，能防尘、防水来适应户外的使用环境;
（3）充电桩的刷卡区、显示区采用聚碳酸醋(PC)材料，该材料具有较强抗腐蚀性、具有自熄、阻燃等优点，此外，其强度和韧性很好，可承受重压。
交流充电桩额定工作电压：AC220V士15%;
额定工作频率：50Hz士1Hz;
直流充电桩额定工作电压：三相380VAC士15%;
额定工作频率：50Hz士5%;
环境:工作温度：-20℃~+50℃；
相对湿度：5%-95%。
充电桩是直接接触用户的，在进行充电桩的设计时应充分考虑用户的体验感受，要保证用户自身的安全性、操作的方便性。
（1）充电桩桩体的高度和宽度，以及显示屏幕的位置设计应符合人体操作的方便性;
（2）充电桩通常置于室外，其整个外形的设计要采用不锈钢的结构，能防尘、防水来适应户外的使用环境;
（3）充电桩的刷卡区、显示区采用聚碳酸醋(PC)材料，该材料具有较强抗腐蚀性、具有自熄、阻燃等优点，此外，其强度和韧性很好，可承受重压。
2.2 充电桩的功能需求
伴随着电动乘用车辆的逐步推广，人们对其相配套的充电设施也给予了极高的关注。如果充电站(充电桩)能够对电动汽车进行安全、智能地充电，那么电动汽车的普及进程将会加快。为了实现充电桩在管理和应用方面的智能化，就需要了解充电桩的功能需求。
经调研，电动汽车充电桩需具有下述几大功能：
(1) 要保证系统正常工作，监测和保护措施必不可少，充电桩必须具有电气保护装置，当系统发生故障时，系统规定的时间内能快速切断充电电源，确保用户的人身安全。
(2) 充电桩必须可靠运行，充电桩设备要采用模块化结构，局部故障不能整个系统的正常运作造成威胁，充电桩还必须能够并行处理多个事件。
(3) 所有登录、控制、退出等重要操作，充电桩要有相应记录，还要允许对操作记录进行查询和统计，充电桩还要有保证系统数据和信息不被窃取和破坏的安全防护。
(4) 充电桩应采用全中文图形交互界面，用户根据屏幕显示就可以实现自助充电，为人们直观清晰的充电操作提供便利。
(5) 用户在充电桩上可查询到充电时间、地点以及充电电量等基本信息的历史数据，充电桩上还应安装有嵌入式打印机，方便打印充电报表。
(6) 充电桩应能依据从电能表中导出电量信息，并计算用户充电所花费的金额，并能将数据保存备份，方便发送到后台监控系统。
(7) 充电桩系统应能实行梯形计费机制。现在，为建设低碳地球、节约资源，合理用电，全国上下开始依据梯形电价机制来设定电价收费标准，因此停车场的充电控制系统也应采取这种机制，针对不同的时间段采取不同的收费标准。
经调研，电动汽车充电桩需具有下述几大功能：
(1) 要保证系统正常工作，监测和保护措施必不可少，充电桩必须具有电气保护装置，当系统发生故障时，系统规定的时间内能快速切断充电电源，确保用户的人身安全。
(2) 充电桩必须可靠运行，充电桩设备要采用模块化结构，局部故障不能整个系统的正常运作造成威胁，充电桩还必须能够并行处理多个事件。
(3) 所有登录、控制、退出等重要操作，充电桩要有相应记录，还要允许对操作记录进行查询和统计，充电桩还要有保证系统数据和信息不被窃取和破坏的安全防护。
(4) 充电桩应采用全中文图形交互界面，用户根据屏幕显示就可以实现自助充电，为人们直观清晰的充电操作提供便利。
(5) 用户在充电桩上可查询到充电时间、地点以及充电电量等基本信息的历史数据，充电桩上还应安装有嵌入式打印机，方便打印充电报表。
(6) 充电桩应能依据从电能表中导出电量信息，并计算用户充电所花费的金额，并能将数据保存备份，方便发送到后台监控系统。
(7) 充电桩系统应能实行梯形计费机制。现在，为建设低碳地球、节约资源，合理用电，全国上下开始依据梯形电价机制来设定电价收费标准，因此停车场的充电控制系统也应采取这种机制，针对不同的时间段采取不同的收费标准。
2.3 充电桩系统的整体设计
2.3.1充电桩的工作原理
电动汽车交流充电桩采用的是交、直流供电方式，交流工作电压是220V或380V，可以针对不同型号的电动车，采用相应的电压等级进行充电，普通纯电动轿车用充电桩充满电需要4-5个小时。直流充电桩的输入电压采用三相四线AC380V,频率50HZ，可提供足够的功率，并且输出为可调直流电，因此可满足快充的要求。电动汽车充电桩、集中器、电池管理系统、充电管理平台等相辅相成，构成了充电桩系统。本文设计的充电桩系统结构图如图2.1所示。
图2.1充电桩系统结构图
电池管理系统((BMS)实时与充电桩控制器进行信息交互，目的是为了监控电池的电压、电流和温度等状态参数、预测电池的容量(SOC)避免电池出现不良现象(过放电、过充、过热和电池单体之间电压的不平衡)，使电池的存储能力和循环寿命得到最大化的保证。服务管理平台主要对电动汽车电池信息、IC卡信息以及充电桩的信息这些数据进行集中的管理。综合来讲，服务管理平台的重要功能在于充电的管理和运营、以及综合查询等。为了与客户进行直观清晰的沟通，充电桩上都有可显示重要信息的液晶显示屏方便人机交互。电动汽车充电时，显示屏上会显示充电时间、充电电量、应付金额等主要信息。
图2.1充电桩系统结构图
电池管理系统((BMS)实时与充电桩控制器进行信息交互，目的是为了监控电池的电压、电流和温度等状态参数、预测电池的容量(SOC)避免电池出现不良现象(过放电、过充、过热和电池单体之间电压的不平衡)，使电池的存储能力和循环寿命得到最大化的保证。服务管理平台主要对电动汽车电池信息、IC卡信息以及充电桩的信息这些数据进行集中的管理。综合来讲，服务管理平台的重要功能在于充电的管理和运营、以及综合查询等。为了与客户进行直观清晰的沟通，充电桩上都有可显示重要信息的液晶显示屏方便人机交互。电动汽车充电时，显示屏上会显示充电时间、充电电量、应付金额等主要信息。
2.3.2充电模式和充电终止控制方法
（1）充电模式
电池的过充电或欠电都会对电池内部的造成损坏，加速电池老化，进而影响电池性能。据分析，不恰当的充电方式是造成电池寿命减短的主要原因。因此，如何保证快速又不影响电池寿命进行充电，近年来已成为重要的研究课题。充电模式的选择决定了电池寿命的长短，其中，恒流充电、恒压充电以及分阶段充电这些方式都是较常用的充电方式。恒流充电的优点是控制方法较简单，但由马斯定律我们可知:充电电池可接受电流的能力随充电过程的进行是呈逐渐下降的趋势的，如图2.2。到充电后期，充电电流多用于电解水，会产生气体，从而使出气过甚。恒压充电方式在充电过程的初期电流过大，这对蓄电池寿命的影响是很大的，而且恒压充电模式下蓄电池极板很容易产生弯曲，进而造成电池的报废。阶段充电法实际上是恒流充电、恒压充电相结合的方法，较常用的阶段充电法包括二阶段及三阶段充电法。
图2.2蓄电池可接受充电电流曲线
三阶段充电模式，充电开始及结束这两个阶段所用的是恒电流充电，充电中间用恒电压充电。在电流衰减到预设值时，进行第二阶段向第三阶段的转换如图2.3所示。三阶段充电法是使出气量减到最少的方法，能够大大延长蓄电池寿命。
图2.3三阶段充电法充电电流、电压曲线
智能充电法是较为先进的充电方法，其原理是在整个充电的过程中动态地跟踪蓄电池可接受充电电流，应用du/dt技术，根据蓄电池的当前状态，充电电源会自动确定充电工艺参数，使充电电流始终保持在蓄电池可接受的充电电流曲线附近，从而达到最佳的充电效果。其充电特性曲线如图2.4所示。智能充电法充电安全，可靠，节能，适合对各种状态和类型的蓄电池充电。
图2.4智能充电特性曲线
（2）充电控制方法
1) 时间控制法在实践上较为简单，该方法的思想是:给充电过程中的蓄电池设定充电时间，在达到预设充电时间后中止充电。此方法的缺点是忽视了各节电池起始状态是不完全相同的这一情况，在此状况下各单体电池所需充电时间亦不尽相同，导致电池组充电结束时有些单体充不足及过充电的现象。因而，实践控制法并不能对蓄电池充电状态做出很精准的判断。
2) 温度控制法有最高温度法和温度变化率法两种。前者的依据是:充电进行中，电池的温度会随内部化学反应而逐渐上升的，尤其在补足电量后，若继续充电，电池温度会迅速上升。该方法的思想就是设定温度值，假如为45 0C，在温度达到该值时，就结束充电过程或直接进入浮充阶段。
3) 电压控制法包括最高电压法、负电压增量法和电压变化率法。前者是由充电电池的最高电压来判断充电的状态，当达到一定电压值就认为已经充满。但是随环境和充电电流大小的变化，电池充足电的最高电压也会变化的，因此每个单体电池充满后的最高电压值有一定差别，如果统一设定最高电压，就会影响蓄电池寿命。
4) 综合控制法是在前面三种控制方法各自的优缺点的基础上，在保证任何情况下均能可靠地检测电池充足电的前提下，所采用了具有温度控制、时间控制和电压控制功能的综合的控制法。近年来，综合控制法被国内外研制的快速充电器所采用。
随着电力电子、变流控制、高精度可控变流等技术的飞速发展，恒压限流充电模式已逐步取代了分阶段恒流充电模式。恒压限流充电是充电电流和充电电压连续变化的充电方式，现在主导充电工艺的就是恒压限流充电方式。因而，本设计选择了方法较为简单、较安全、效果又明显的三阶段充电方法。在充足电后选用综合控制法来作为充电终止的判断。同时，针对直流充电桩充电过程中，应对电池组中单体电池状态不均衡的问题，本文进行了均衡控制的设计研究。
电池的过充电或欠电都会对电池内部的造成损坏，加速电池老化，进而影响电池性能。据分析，不恰当的充电方式是造成电池寿命减短的主要原因。因此，如何保证快速又不影响电池寿命进行充电，近年来已成为重要的研究课题。充电模式的选择决定了电池寿命的长短，其中，恒流充电、恒压充电以及分阶段充电这些方式都是较常用的充电方式。恒流充电的优点是控制方法较简单，但由马斯定律我们可知:充电电池可接受电流的能力随充电过程的进行是呈逐渐下降的趋势的，如图2.2。到充电后期，充电电流多用于电解水，会产生气体，从而使出气过甚。恒压充电方式在充电过程的初期电流过大，这对蓄电池寿命的影响是很大的，而且恒压充电模式下蓄电池极板很容易产生弯曲，进而造成电池的报废。阶段充电法实际上是恒流充电、恒压充电相结合的方法，较常用的阶段充电法包括二阶段及三阶段充电法。
图2.2蓄电池可接受充电电流曲线
三阶段充电模式，充电开始及结束这两个阶段所用的是恒电流充电，充电中间用恒电压充电。在电流衰减到预设值时，进行第二阶段向第三阶段的转换如图2.3所示。三阶段充电法是使出气量减到最少的方法，能够大大延长蓄电池寿命。
图2.3三阶段充电法充电电流、电压曲线
智能充电法是较为先进的充电方法，其原理是在整个充电的过程中动态地跟踪蓄电池可接受充电电流，应用du/dt技术，根据蓄电池的当前状态，充电电源会自动确定充电工艺参数，使充电电流始终保持在蓄电池可接受的充电电流曲线附近，从而达到最佳的充电效果。其充电特性曲线如图2.4所示。智能充电法充电安全，可靠，节能，适合对各种状态和类型的蓄电池充电。
图2.4智能充电特性曲线
（2）充电控制方法
1) 时间控制法在实践上较为简单，该方法的思想是:给充电过程中的蓄电池设定充电时间，在达到预设充电时间后中止充电。此方法的缺点是忽视了各节电池起始状态是不完全相同的这一情况，在此状况下各单体电池所需充电时间亦不尽相同，导致电池组充电结束时有些单体充不足及过充电的现象。因而，实践控制法并不能对蓄电池充电状态做出很精准的判断。
2) 温度控制法有最高温度法和温度变化率法两种。前者的依据是:充电进行中，电池的温度会随内部化学反应而逐渐上升的，尤其在补足电量后，若继续充电，电池温度会迅速上升。该方法的思想就是设定温度值，假如为45 0C，在温度达到该值时，就结束充电过程或直接进入浮充阶段。
3) 电压控制法包括最高电压法、负电压增量法和电压变化率法。前者是由充电电池的最高电压来判断充电的状态，当达到一定电压值就认为已经充满。但是随环境和充电电流大小的变化，电池充足电的最高电压也会变化的，因此每个单体电池充满后的最高电压值有一定差别，如果统一设定最高电压，就会影响蓄电池寿命。
4) 综合控制法是在前面三种控制方法各自的优缺点的基础上，在保证任何情况下均能可靠地检测电池充足电的前提下，所采用了具有温度控制、时间控制和电压控制功能的综合的控制法。近年来，综合控制法被国内外研制的快速充电器所采用。
随着电力电子、变流控制、高精度可控变流等技术的飞速发展，恒压限流充电模式已逐步取代了分阶段恒流充电模式。恒压限流充电是充电电流和充电电压连续变化的充电方式，现在主导充电工艺的就是恒压限流充电方式。因而，本设计选择了方法较为简单、较安全、效果又明显的三阶段充电方法。在充足电后选用综合控制法来作为充电终止的判断。同时，针对直流充电桩充电过程中，应对电池组中单体电池状态不均衡的问题，本文进行了均衡控制的设计研究。
2.4充电桩实时控制系统
2.4.1系统硬件规划
电动汽车充电桩控制系统的任务主要有:控制充电桩与充电机或充电机与电动汽车的正确连接、与电池管理系统的通信、充电电池的均衡控制、与监控系统的通信以及通过人机交互面向用户提供人机交互接口等。由于电动汽车充电桩控制系统是多任务的实时系统，所以就需要选择合适的嵌入式微处理器。
嵌入式系统与通用计算机系统类似，主要由硬件和软件相结合而成。其中，硬件架构提供软件运行的平台和通信接口，其以嵌入式处理器为核心，并结合了一些外设模块，如I/O设备、配置存储器和通信模块等;软件部分由嵌入式操作系统及其应用程序构成，是以软件开发平台为核心，控制系统的运行，向上提供应用编程接口API，向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包BSP。软件和硬件就像人的大脑和肢体，它们能够协同工作，完成系统预定的任务。如图2.5所示，嵌入式系统主要有五层体系结构。
图2.5嵌入式系统体系结构图
另外，开发者可在ARM7 TDMI内核的基础上扩展各种通用的外围设备，为使系统适用于各种实际应用，还可以预留JTAG口;通过选用适当的仿真器和开发环境可实现系统程序的仿真调试;若需要采集多个信息，还可以利用内置的AD转换器可以实现多通道信号采集。其体系结构框图如图2.6所示。
图2.6 S3C44BOX微处理器体系结构框图
嵌入式系统与通用计算机系统类似，主要由硬件和软件相结合而成。其中，硬件架构提供软件运行的平台和通信接口，其以嵌入式处理器为核心，并结合了一些外设模块，如I/O设备、配置存储器和通信模块等;软件部分由嵌入式操作系统及其应用程序构成，是以软件开发平台为核心，控制系统的运行，向上提供应用编程接口API，向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包BSP。软件和硬件就像人的大脑和肢体，它们能够协同工作，完成系统预定的任务。如图2.5所示，嵌入式系统主要有五层体系结构。
图2.5嵌入式系统体系结构图
另外，开发者可在ARM7 TDMI内核的基础上扩展各种通用的外围设备，为使系统适用于各种实际应用，还可以预留JTAG口;通过选用适当的仿真器和开发环境可实现系统程序的仿真调试;若需要采集多个信息，还可以利用内置的AD转换器可以实现多通道信号采集。其体系结构框图如图2.6所示。
图2.6 S3C44BOX微处理器体系结构框图
2.4.2系统软件规划
系统软件规划主要包括嵌入式实时操作系统的选择以及嵌入式图形用户界面系统的选择。嵌入式实时操作系统是计算机操作系统中的一种系统软件，由一个个程序模块组成。它们以尽可能有效的方式组织和管理着CPU的软硬件资源，掌控控制器的工作流程，为整个系统有序高效的运行提供保障，用户可以根据需要灵活使用微控制器的某些功能。嵌入式实时操作系统又分为商用型和免费型两种类型:商用型的实时操作系统有WinCE, VxWorks, NgClears, Palm OS, QNX等，他们大都比较昂贵，但性能可靠，运行稳定，供应商通常提供周到的技术支持和售后服务;免费型的实时操作系统有Linux(含)和，他们不具备商用型实时操作系统的那些服务优势。
3 直流充电桩的设计
3.1直流充电桩原理
直流充电桩充电模块的设计是实施充电控制的核心任务，本文设计的充电模块的原理是:首先是三相交流电源经由整流滤波后，变成直流输入电压供给IGBT桥。控制器通过驱动电路作用于功率开关IGBT，使整流滤波后的直流电压转换成交流电压，这时的交流电压是脉宽调制的。接着，交流电压经高频变压器的变压隔离，再次经整流滤波得到直流脉冲，进而对电池组充电。与此同时，控制器会根据检测到的电池的端电压大小、充电电流大小实施控制策略，实时改变充电参数。其中，过流，过压、过温保护电路是为了保证系统安全、可靠的工作。设计的直流充电桩充电模块原理框图如图3.1所示。
图3.1直流充电桩充电模块原理框图
图3.1直流充电桩充电模块原理框图
3.2充电均衡控制系统的设计
电动汽车的一组电池组是由多个单体电池串联组成的，电池充电过程中每个单体电池流过的电流是相等的，但每个单体电池的容量之间存在差异，可能发生充电和放电不彻底的现象，尤其是直流充电桩大电流充电过程中，锂电池充电不完全的现象会更严重。此外，锂电池随时间会出现自然老化，造成电池容量的衰减和电池性能的下降，进而造成整个电池组的容量变小，性能下降。实际 研究表明经过使用后，电池组中的单个电池单元容量变化曲线如图3.2所示，由图可以看出电池容量的变化随使用年数的增加仍然呈正态分布，但是其曲线的均值发生了均值左移的现象(电池容量变小)，并且峭度逐渐减小，甚至有部分电池单元随使用年数的增加出现有效容量衰减为零的现象，导致电池的失效，严重影响了整个电池组的容量、性能和使用寿命。在实际使用中必须解决上述出现的电池组充电过程中容量不均衡引起的问题，需要在充电过程中采取有效的控制手段，保证蓄电池组的所有单体电池在正常的温度范围内充足电，实现电池组的均衡充电。
图3.2电池单元长期使用后容量的分布
图3.2电池单元长期使用后容量的分布
3.2.1电池组均衡电路原理
（1）电阻均衡 电池组均衡技术发展到今天，我们知道，电阻均衡视为应用范围最广、最简单的均衡方法。所有单体电池都对应连接着各自的放电电阻。该方法的均衡原理是:通过控制器的控制作用，决定某个(些)单体电池相连的场效应管Qi, Q2, ...Qn是否工作，使对应单体电池放电。电路如图3.3所示。
图3.3电阻均衡方式原理图
（2）电容均衡 电容均衡电路如3.4图所示，该电路由若干电池组成的电池组、开关阵列以及电容构成，开关阵列网络连接了N-1个电容和N节单体电池。同一个电容通过开关网络对开关的切换可以并联到相邻两节单体电池的任意一节，使能量可以在电池与电容之间进行转移、传递，通过合适的控制策略，使电池组的充放电最终达到均衡。
图3.4电容均衡方式原理
(3) 电感均衡:电感均衡方式I:该电感均衡方式是由储能元件一电感来实现能量在单体电池之间的转移，进而达到电池组能量均衡，如图3.5所示。
图3.5电感均衡方式I原理图
电感均衡方式II:图3.6描述的电感均衡控制和I同是依据buck-boost电流可逆变换器的，电量可在单体电池之间相互传递。控制系统事先分析好理想压差，若单体电池1的电压U1超过单体电池2的电压U2大于理想压差，此时，开关管Q2处于截止状态，开关管Q1会依照事先约定的开关频率实现状态的转换:导通或截止;反之，若单体电池2的电压U1高于单体电池1的电压U2超过理想压差，开关管Q1截止，开关管 Q2按照相同的开关频率导通和截止。开关管从检测到两单体电池的规定压差开始通断的切换，直至两电池的电压基本相同。
图3.6电感均衡方式II原理图
(4) 变压器均衡 在变压器均衡方式下，单体电池和变压器一一对应，变压器的副边并联于单体电池。变压器在电池组的均衡过程中起到了关键作用。图3.7中BAT1, BAT2,BAT3...BATn为单体电池，均衡器主要包括控制单元、场效应管Q1, n个DC-DC变压器。设变压器的原边电压是Up，副边电压是Us，第i节的单体电池的电压是U。若Us大于Ui，那么串联于第i节电池的二极管处于导通状态，对该电池补充充电;若Us小于Ui，串联于该电池的二极管处于截止状态，不对电池进行电量补充。依次实现对低电压的电池进行能量补充，从而达到电压均衡。
图3.7变压器均衡方式原理图
图3.3电阻均衡方式原理图
（2）电容均衡 电容均衡电路如3.4图所示，该电路由若干电池组成的电池组、开关阵列以及电容构成，开关阵列网络连接了N-1个电容和N节单体电池。同一个电容通过开关网络对开关的切换可以并联到相邻两节单体电池的任意一节，使能量可以在电池与电容之间进行转移、传递，通过合适的控制策略，使电池组的充放电最终达到均衡。
图3.4电容均衡方式原理
(3) 电感均衡:电感均衡方式I:该电感均衡方式是由储能元件一电感来实现能量在单体电池之间的转移，进而达到电池组能量均衡，如图3.5所示。
图3.5电感均衡方式I原理图
电感均衡方式II:图3.6描述的电感均衡控制和I同是依据buck-boost电流可逆变换器的，电量可在单体电池之间相互传递。控制系统事先分析好理想压差，若单体电池1的电压U1超过单体电池2的电压U2大于理想压差，此时，开关管Q2处于截止状态，开关管Q1会依照事先约定的开关频率实现状态的转换:导通或截止;反之，若单体电池2的电压U1高于单体电池1的电压U2超过理想压差，开关管Q1截止，开关管 Q2按照相同的开关频率导通和截止。开关管从检测到两单体电池的规定压差开始通断的切换，直至两电池的电压基本相同。
图3.6电感均衡方式II原理图
(4) 变压器均衡 在变压器均衡方式下，单体电池和变压器一一对应，变压器的副边并联于单体电池。变压器在电池组的均衡过程中起到了关键作用。图3.7中BAT1, BAT2,BAT3...BATn为单体电池，均衡器主要包括控制单元、场效应管Q1, n个DC-DC变压器。设变压器的原边电压是Up，副边电压是Us，第i节的单体电池的电压是U。若Us大于Ui，那么串联于第i节电池的二极管处于导通状态，对该电池补充充电;若Us小于Ui，串联于该电池的二极管处于截止状态，不对电池进行电量补充。依次实现对低电压的电池进行能量补充，从而达到电压均衡。
图3.7变压器均衡方式原理图
3.2.2集散式的双向均衡系统
图3.8所示的是集中均衡系统的结构，其原理是通过切换开关网络或继电器，均衡控制单元控制一个均衡充电单元向不同单体电池进行均衡。该均衡系统的优点在于硬件设计简单，控制逻辑不复杂;考虑到功率因素，一个均衡单元每次仅能均衡电池组内一节单体电池，从整个均衡过程来看，效率较低。
图3.8集中均衡式结构图
与集中均衡系统相比，独立均衡系统具有较高的自动化程度，可灵活控制，有较高的均衡效率，可一次对多节电池行均衡处理。图3.9是独立均衡系统，其由若干的均衡子单元构成了分散均衡系统，其原理是均衡子单元与均衡控制单元是一一对应的，通过分布的均衡控制单元控制每个均衡子单元对一节电池或者一组电池进行均衡。但是其硬件电路比较复杂，设备成本较高，控制系统复杂。
图3.9独立均衡式结构图
图3.8集中均衡式结构图
与集中均衡系统相比，独立均衡系统具有较高的自动化程度，可灵活控制，有较高的均衡效率，可一次对多节电池行均衡处理。图3.9是独立均衡系统，其由若干的均衡子单元构成了分散均衡系统，其原理是均衡子单元与均衡控制单元是一一对应的，通过分布的均衡控制单元控制每个均衡子单元对一节电池或者一组电池进行均衡。但是其硬件电路比较复杂，设备成本较高，控制系统复杂。
图3.9独立均衡式结构图
3.2.3均衡控制策略设计
（1）算法设计
假定目标电压是6N节单体电池中任意一节电池的端电压Vk，对应均衡时间是Tmin。设定6N节初始电压大小分别为Vl , V2 , V3 ... Vi ... V6n的单体电池(Vi表示第i节单体电池的端电压，V1 < V2 <... Vi ...< V6n )。假定达到目标电压巧所用均衡时间为Tj:
（3.1）
我们知道均衡的过程是动态的，任一均衡周期目标最短时间和目标电压都会实时更新的。循环均衡的终止判断是以最高单体电池电压与最低单体电池电压之差小于规定值为依据的，即
，本设计中取
，在经历若干个周期的均衡之后会实现终止的条件，均衡结束。均衡控制的流程图如图3.10所示:
图3.10均衡控制流程图
(2) 检测程序设计
检测程序的功能是确保电池组的单体电压、模块温度等基本参数在允许的范围内，并且当系统异常时能及时发出异常警报。如果在某一时刻检测到某单体电池电压异常，而且其所在模块温度高于其他电池模块，此时可将其序号记录下来，方便对其追踪观察及预测其报废时间。检测程序的流程图如图3.11所示。
图3.11检测程序流程图
(3) 均衡执行主程序
主控制器接收来自电池管理系统的信息，电池模块对应编号的单体电池是否需要均衡进行判断，若需要均衡则执行相应的充放电均衡过程。均衡执行程序流程图如图3.12所示:
图3.12均衡执行程序流程图
假定目标电压是6N节单体电池中任意一节电池的端电压Vk，对应均衡时间是Tmin。设定6N节初始电压大小分别为Vl , V2 , V3 ... Vi ... V6n的单体电池(Vi表示第i节单体电池的端电压，V1 < V2 <... Vi ...< V6n )。假定达到目标电压巧所用均衡时间为Tj:
（3.1）
我们知道均衡的过程是动态的，任一均衡周期目标最短时间和目标电压都会实时更新的。循环均衡的终止判断是以最高单体电池电压与最低单体电池电压之差小于规定值为依据的，即
，本设计中取，在经历若干个周期的均衡之后会实现终止的条件，均衡结束。均衡控制的流程图如图3.10所示:图3.10均衡控制流程图
(2) 检测程序设计
检测程序的功能是确保电池组的单体电压、模块温度等基本参数在允许的范围内，并且当系统异常时能及时发出异常警报。如果在某一时刻检测到某单体电池电压异常，而且其所在模块温度高于其他电池模块，此时可将其序号记录下来，方便对其追踪观察及预测其报废时间。检测程序的流程图如图3.11所示。
图3.11检测程序流程图
(3) 均衡执行主程序
主控制器接收来自电池管理系统的信息，电池模块对应编号的单体电池是否需要均衡进行判断，若需要均衡则执行相应的充放电均衡过程。均衡执行程序流程图如图3.12所示:
图3.12均衡执行程序流程图
3.3实验验证和结论
3.3.1实验设备
本实验以18节锂离子动力电池作为实验对象，实验条件为实验室坏境下进行，模拟电动汽车充电时的电池组均衡过程，该实验所用的仪器和设备如下：
①型号为F178的万用表一只，主要用于测量电池电压。同时该万用表还可以测量电池温度，模拟条件下为初步判断故障电池提供依据。
② 18节标称容量为10AH的型号为38120的锂电池作为实验对象，其标称电压为3.2V，最大充电电压为3.6V，放电截止电压为2V。
③一套自制的电池管理 系统作为均衡实验的必需设备。
④安泰信示波器一台，型号为ADS1102，主要用于采集实验数据;
⑤飞思卡尔(freescale)编程器及型号为LV}2146-08-E的BDM适配器一个，作为实验用调试器。
①型号为F178的万用表一只，主要用于测量电池电压。同时该万用表还可以测量电池温度，模拟条件下为初步判断故障电池提供依据。
② 18节标称容量为10AH的型号为38120的锂电池作为实验对象，其标称电压为3.2V，最大充电电压为3.6V，放电截止电压为2V。
③一套自制的电池管理 系统作为均衡实验的必需设备。
④安泰信示波器一台，型号为ADS1102，主要用于采集实验数据;
⑤飞思卡尔(freescale)编程器及型号为LV}2146-08-E的BDM适配器一个，作为实验用调试器。
3.3.2实验方法及结论
实验室条件下，以18节容量为10Ah的锂动力电池为实验对象，每六节电池为一个电池模块，共分为三个电池模块。充电开始时，对电池组进行3A电流的恒电流充电，当其总电压上升至57.6V时，充电方式由恒流充电转换为恒压充电，我们观察到充电电流不断下降，当充电电流下降至0.3A时停止充电。在该三阶段的充电模式下，系统首先确定电池组是否处于需要均衡的状态，即Vmax- Vmin>0.1 V，若不满足，说明电池组内个电池电压差别很小，呈均衡状态，不需均衡;若各单体电池电压之差大于均衡规定值，就需要开始均衡了，均衡系统接收微控制器指令，判断需要均衡的电池编号，对其实施双向均衡。不断重复上述步骤直到V18-Vl<0.1V。
图3.13表示8号电池在均衡过程中的电压变化，图3.14表示的是18节锂离子电池在经过120分钟的均衡，各单体端电压随时间变化的曲线。实验结果是，18节锂电池处于初始状态时的单体电池之间的最大压差为0.372V，经过120分钟均衡，单体电池之间最大压差降低至0.087V。该实验结果显示本文所设计的电池均衡系统使单体电池的不一致性得到了较好的控制。
图3.13表示8号电池在均衡过程中的电压变化，图3.14表示的是18节锂离子电池在经过120分钟的均衡，各单体端电压随时间变化的曲线。实验结果是，18节锂电池处于初始状态时的单体电池之间的最大压差为0.372V，经过120分钟均衡，单体电池之间最大压差降低至0.087V。该实验结果显示本文所设计的电池均衡系统使单体电池的不一致性得到了较好的控制。
