段朝偉 張 雷 劉 剛

(河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校自動(dòng)控制系，河南 新鄉(xiāng) 450003)

0 引言

綠色環(huán)保的電動(dòng)汽車(chē)是21世紀(jì)人們研究的重要課題[1]。傳統(tǒng)的汽車(chē)電池充電技術(shù)充電時(shí)間長(zhǎng)和能量可接受率不夠高的問(wèn)題也日益凸顯，電池快速、高效、安全充電的問(wèn)題是當(dāng)下急需解決的問(wèn)題。一直以來(lái)，鉛酸電池以其低廉的價(jià)格和成熟的制作技術(shù)，在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域得到了大規(guī)模的應(yīng)用。但是若使用鉛酸電池的方法不當(dāng)，不但會(huì)大大縮短電池的壽命、浪費(fèi)材料，而且還會(huì)增加使用成本。經(jīng)過(guò)調(diào)查研究得知，對(duì)電池使用時(shí)間長(zhǎng)短影響最大的是電池的充電方式。因此，找出合理的充電方式對(duì)延長(zhǎng)電池使用壽命具有積極意義[2]。

目前，一般的電池充電器一次充電時(shí)間要求達(dá)到8～16 h，顯然難以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)快速充電的要求。因此，設(shè)計(jì)一種快速、節(jié)能和安全的智能充電系統(tǒng)，是綠色環(huán)保汽車(chē)普及的重要前提。本課題將重點(diǎn)研究電池脈沖控制充電過(guò)程的監(jiān)控保護(hù)、電池充電時(shí)間以及電池能量接受率等方面的內(nèi)容。

1 系統(tǒng)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)智能充電系統(tǒng)由充電器和PC機(jī)監(jiān)控2個(gè)模塊組成，分別對(duì)應(yīng)下位機(jī)模塊和上位機(jī)模塊。智能充電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[3]。

圖1 充電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 The overall structure of the charging system

充電電路部分是系統(tǒng)的核心部件，MSP430F1612單片機(jī)作為控制器，由其產(chǎn)生PWM波控制MOSFET驅(qū)動(dòng)電路;開(kāi)關(guān)器件(場(chǎng)效應(yīng)管V)根據(jù)設(shè)定的PWM波頻率做通、斷動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)充電電路對(duì)蓄電池的快速充電。上位機(jī)PC通過(guò)RS-232總線(xiàn)與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，將充電現(xiàn)場(chǎng)的電池充電電壓、電流以及溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)瀏覽分析，便于系統(tǒng)后期的改進(jìn)[4]。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)充電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，下面主要介紹上位機(jī)模塊與下位機(jī)模塊的通信電路和下位機(jī)充電器的電路設(shè)計(jì)[5－7]。

2.1 上位機(jī)與下位機(jī)通信電路設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)與上位機(jī)PC的接口電平不同，通信電路采用RS-232總線(xiàn)技術(shù)和美信MAX232轉(zhuǎn)換芯片，既實(shí)現(xiàn)了距離為20 m左右的異步通信，又實(shí)現(xiàn)了充電過(guò)程中鉛酸電池的電壓、電流和溫度等信息的保存。上位機(jī)與下位機(jī)通信RS-232接口電路如圖2所示。

圖2 RS-232串口電路Fig.2 RS-232 serial interface circuit

MAX232芯片引腳11接收來(lái)自MSP430F1612串行發(fā)送端UTXD0(TTL/COMS電平)的信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電平信號(hào)由其引腳14發(fā)送到上位機(jī)RS-232串口的Rxd(接收端);同理，MAX232芯片引腳13接收來(lái)自PC機(jī)RS-232串口Txd(發(fā)送端)的電平信號(hào)，轉(zhuǎn)換的信號(hào)由引腳12發(fā)送到MSP430F1612單片機(jī)的接收端URXD0，從而實(shí)現(xiàn)了MSP430F1612單片機(jī)的TTL電平與PC機(jī)的有效數(shù)據(jù)交換。

2.2 下位機(jī)充電器的電路設(shè)計(jì)

2.2.1 充電器充電電路設(shè)計(jì)

充電器充電電路如圖3所示。

圖3 充電器充電電路Fig.3 The charging circuit of charger

充電電路采用220 V交流供電，經(jīng)變壓器降壓、二極管橋式電路(由 D1、D2、D3、D4組成)整流和電容 C1濾波后，在MSP430單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波的控制下，經(jīng)MOSFET驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)管V的通斷;最后經(jīng)過(guò)電感線(xiàn)圈L和電容C2的的充放電，達(dá)到對(duì)鉛酸電池充電的目的。

充電器的工作原理說(shuō)明如下。

當(dāng)通斷開(kāi)關(guān)(晶體管V)在PWM波控制下處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，整個(gè)電路形成充電回路，經(jīng)電感線(xiàn)圈L對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。由于續(xù)流二極管VD處于反向偏置狀態(tài)，二極管VD截止，此時(shí)電感線(xiàn)圈L上的電流IL隨著充電時(shí)間t的增加而增大，儲(chǔ)存在電感線(xiàn)圈內(nèi)的磁能和電容C2存儲(chǔ)能量也隨之增大。反之，在通斷開(kāi)關(guān)V置于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，充電回路重新斷開(kāi)，續(xù)流二極管VD在線(xiàn)圈L內(nèi)部產(chǎn)生的磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)單向?qū)ǎ姼芯€(xiàn)圈L、二極管VD、電池形成回路。此時(shí)電感線(xiàn)圈L通過(guò)續(xù)流二極管VD對(duì)蓄電池經(jīng)行充電，隨著充電過(guò)程中線(xiàn)圈L上磁能的減少，其流過(guò)的電流IL和電壓UL也逐漸變小，一旦UL小于電容C2上的電壓UC時(shí)，電容C2將對(duì)蓄電池繼續(xù)充電。電容C放電時(shí)間的長(zhǎng)短，由電路的時(shí)間常數(shù)τd決定，τd越大，放電時(shí)間越長(zhǎng)。為了能夠讓蓄電池連續(xù)處于連續(xù)沖電狀態(tài)，選用合適的充電電容、電感線(xiàn)圈和PWM波頻率，以減小充電時(shí)間、增強(qiáng)電壓的平穩(wěn)度，同時(shí)緩解電池的極化現(xiàn)象，使充電器有效可靠。

2.2.2 充電器控制電路

充電器控制電路主要包括外圍輸入輸出、MOSFET驅(qū)動(dòng)和電池電壓、電流、溫度檢測(cè)等電路。控制核心采用數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大且超低功耗的16位MSP430F1612單片機(jī)，其內(nèi)部固化有AD/DA轉(zhuǎn)化電路，便于處理外部傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息。

單片機(jī)MSP430F1612的控制電路如圖4所示。

圖4 MSP430F1612控制電路Fig.4 The control circuit of MSP430F1612

3 快速充電系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)控制主程序

充電器MSP430單片機(jī)控制流程圖如圖6所示。

圖5 單片機(jī)控制主程序流程圖Fig.5 The main control program flow of MCU

在MSP430單片機(jī)初始化后，根據(jù)預(yù)設(shè)的充電參數(shù)充電器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。檢測(cè)電路采集電池電壓、電流和溫度等信號(hào)后，將這些信號(hào)送顯示設(shè)備加以及時(shí)顯示，并通過(guò)RS-232總線(xiàn)傳遞到上位機(jī)PC。當(dāng)充電參數(shù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，暫停充電并啟動(dòng)報(bào)警保護(hù)，單片機(jī)會(huì)對(duì)充電電路的PWM波占空比作出相應(yīng)微調(diào)。在滿(mǎn)足現(xiàn)階段的充電要求后，重新對(duì)電池進(jìn)行充電。當(dāng)檢測(cè)到電池充滿(mǎn)電后，單片機(jī)調(diào)用充電程序，關(guān)閉充電電源、停止充電，以防止過(guò)度充電對(duì)電池造成不必要的損害。

一般來(lái)講，溫度過(guò)高引起的危害較大，所以本文針對(duì)溫度超限，設(shè)計(jì)了過(guò)溫保護(hù)程序。

3.2 上位機(jī)人機(jī)交互界面軟件設(shè)計(jì)

快速充電系統(tǒng)的上位機(jī)人機(jī)交互界面采用VC作為開(kāi)發(fā)工具。按照模塊化處理，系統(tǒng)界面設(shè)有用戶(hù)登陸、電池狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)、打印記錄等菜單，用戶(hù)可以對(duì)蓄電池的溫度、充電電壓、充電電流等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)帶放電的鉛酸電池脈沖快速充電系統(tǒng)性能，本文通過(guò)多次試驗(yàn)，采集了系統(tǒng)充電時(shí)間、能量接受率和電池溫升等重要指標(biāo)的測(cè)試平均數(shù)據(jù)。恒流恒壓、分階段變電流、帶放電的脈沖3種充電方式對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 3種充電方式試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較Tab.1 Experimental comparison of three charging ways

由表1可知，帶放電的電流脈沖充電方式較傳統(tǒng)的充電方式(以恒壓/恒流方式為例)的充電時(shí)間縮短了20%左右，充電接受率提高了近10%，雖然溫升幅度略有上升，但相差不大，都在安全范圍之內(nèi)。由此可見(jiàn)，帶放電的脈沖充電在充電時(shí)間和能量接收率方面均有不小的進(jìn)步，并有效緩解了電池的極化現(xiàn)象;后期可以在溫升方面做進(jìn)一步的改善，以加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性能[8－10]。

5 結(jié)束語(yǔ)

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，利用帶放電的脈沖充電方式雖然在溫升方面的控制還有一定的提高空間，但仍在安全控制范圍內(nèi);鑒于其在充電時(shí)間和能量接受率方面都有了很大提高，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講，該方式能滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展趨勢(shì)的要求。本文采用帶放電的脈沖充電方式，結(jié)合軟硬件的合理設(shè)計(jì)，達(dá)到了快速充電的效果。針對(duì)當(dāng)前國(guó)家大力提倡的節(jié)能環(huán)保政策，設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車(chē)鉛酸電池快速充電系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。

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