電動汽車鉛酸電池脈沖快速充電系統(tǒng)設(shè)計

段朝偉 張 雷 劉 剛

(河南機電高等專科學校自動控制系，河南 新鄉(xiāng) 450003)

0 引言

綠色環(huán)保的電動汽車是21世紀人們研究的重要課題[1]。傳統(tǒng)的汽車電池充電技術(shù)充電時間長和能量可接受率不夠高的問題也日益凸顯，電池快速、高效、安全充電的問題是當下急需解決的問題。一直以來，鉛酸電池以其低廉的價格和成熟的制作技術(shù)，在電動汽車領(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，不但會大大縮短電池的壽命、浪費材料，而且還會增加使用成本。經(jīng)過調(diào)查研究得知，對電池使用時間長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延長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間要求達到8～16 h，顯然難以滿足電動汽車快速充電的要求。因此，設(shè)計一種快速、節(jié)能和安全的智能充電系統(tǒng)，是綠色環(huán)保汽車普及的重要前提。本課題將重點研究電池脈沖控制充電過程的監(jiān)控保護、電池充電時間以及電池能量接受率等方面的內(nèi)容。

1 系統(tǒng)平臺的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個智能充電系統(tǒng)由充電器和PC機監(jiān)控2個模塊組成，分別對應(yīng)下位機模塊和上位機模塊。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單片機作為控制器，由其產(chǎn)生PWM波控制MOSFET驅(qū)動電路;開關(guān)器件(場效應(yīng)管V)根據(jù)設(shè)定的PWM波頻率做通、斷動作，從而實現(xiàn)充電電路對蓄電池的快速充電。上位機PC通過RS-232總線與單片機實現(xiàn)通信，將充電現(xiàn)場的電池充電電壓、電流以及溫度數(shù)據(jù)進行存儲，從而實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)瀏覽分析，便于系統(tǒng)后期的改進[4]。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

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

2.1 上位機與下位機通信電路設(shè)計

由于單片機與上位機PC的接口電平不同，通信電路采用RS-232總線技術(shù)和美信MAX232轉(zhuǎn)換芯片，既實現(xiàn)了距離為20 m左右的異步通信，又實現(xiàn)了充電過程中鉛酸電池的電壓、電流和溫度等信息的保存。上位機與下位機通信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接收來自MSP430F1612串行發(fā)送端UTXD0(TTL/COMS電平)的信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電平信號由其引腳14發(fā)送到上位機RS-232串口的Rxd(接收端);同理，MAX232芯片引腳13接收來自PC機RS-232串口Txd(發(fā)送端)的電平信號，轉(zhuǎn)換的信號由引腳12發(fā)送到MSP430F1612單片機的接收端URXD0，從而實現(xiàn)了MSP430F1612單片機的TTL電平與PC機的有效數(shù)據(jù)交換。

2.2 下位機充電器的電路設(shè)計

2.2.1 充電器充電電路設(shè)計

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單片機產(chǎn)生的PWM波的控制下，經(jīng)MOSFET驅(qū)動電路實現(xiàn)場效應(yīng)管V的通斷;最后經(jīng)過電感線圈L和電容C2的的充放電，達到對鉛酸電池充電的目的。

充電器的工作原理說明如下。

當通斷開關(guān)(晶體管V)在PWM波控制下處于導(dǎo)通狀態(tài)時，整個電路形成充電回路，經(jīng)電感線圈L對蓄電池進行充電。由于續(xù)流二極管VD處于反向偏置狀態(tài)，二極管VD截止，此時電感線圈L上的電流IL隨著充電時間t的增加而增大，儲存在電感線圈內(nèi)的磁能和電容C2存儲能量也隨之增大。反之，在通斷開關(guān)V置于截止狀態(tài)時，充電回路重新斷開，續(xù)流二極管VD在線圈L內(nèi)部產(chǎn)生的磁感應(yīng)電動勢驅(qū)動單向?qū)?，電感線圈L、二極管VD、電池形成回路。此時電感線圈L通過續(xù)流二極管VD對蓄電池經(jīng)行充電，隨著充電過程中線圈L上磁能的減少，其流過的電流IL和電壓UL也逐漸變小，一旦UL小于電容C2上的電壓UC時，電容C2將對蓄電池繼續(xù)充電。電容C放電時間的長短，由電路的時間常數(shù)τd決定，τd越大，放電時間越長。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、電感線圈和PWM波頻率，以減小充電時間、增強電壓的平穩(wěn)度，同時緩解電池的極化現(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)動和電池電壓、電流、溫度檢測等電路?？刂坪诵牟捎脭?shù)據(jù)處理功能強大且超低功耗的16位MSP430F1612單片機，其內(nèi)部固化有AD/DA轉(zhuǎn)化電路，便于處理外部傳遞過來的數(shù)據(jù)信息。

單片機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

3.1 單片機控制主程序

充電器MSP430單片機控制流程圖如圖6所示。

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

在MSP430單片機初始化后，根據(jù)預(yù)設(shè)的充電參數(shù)充電器對蓄電池進行充電。檢測電路采集電池電壓、電流和溫度等信號后，將這些信號送顯示設(shè)備加以及時顯示，并通過RS-232總線傳遞到上位機PC。當充電參數(shù)超過設(shè)定值時，暫停充電并啟動報警保護，單片機會對充電電路的PWM波占空比作出相應(yīng)微調(diào)。在滿足現(xiàn)階段的充電要求后，重新對電池進行充電。當檢測到電池充滿電后，單片機調(diào)用充電程序，關(guān)閉充電電源、停止充電，以防止過度充電對電池造成不必要的損害。

一般來講，溫度過高引起的危害較大，所以本文針對溫度超限，設(shè)計了過溫保護程序。

3.2 上位機人機交互界面軟件設(shè)計

快速充電系統(tǒng)的上位機人機交互界面采用VC作為開發(fā)工具。按照模塊化處理，系統(tǒng)界面設(shè)有用戶登陸、電池狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)、打印記錄等菜單，用戶可以對蓄電池的溫度、充電電壓、充電電流等信息進行實時監(jiān)控。

4 試驗結(jié)果分析

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

表1 3種充電方式試驗數(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，帶放電的脈沖充電在充電時間和能量接收率方面均有不小的進步，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一步的改善，以加強系統(tǒng)的安全性能[8－10]。

5 結(jié)束語

從試驗結(jié)果來看，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);鑒于其在充電時間和能量接受率方面都有了很大提高，長遠來講，該方式能滿足電動汽車長遠發(fā)展趨勢的要求。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，達到了快速充電的效果。針對當前國家大力提倡的節(jié)能環(huán)保政策，設(shè)計的電動汽車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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