電動(dòng)汽車電池智能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

段朝偉 ，徐海剛

(河南機(jī)電高等專科學(xué)校自控系，河南 新鄉(xiāng)450003)

隨著汽車可燃能源的供應(yīng)緊張和環(huán)保問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，電池作為新的動(dòng)力源得到了越來(lái)越多的關(guān)注，與此相關(guān)的電池充電技術(shù)研究應(yīng)用得到了發(fā)展。鉛酸電池憑借其設(shè)計(jì)工藝成熟，價(jià)格低廉，易于批量化大規(guī)模生產(chǎn)，在電動(dòng)車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，電池一旦使用不當(dāng)，不但浪費(fèi)了材料，而且致使電池的使用時(shí)間大大縮短，增加了使用成本。研究表明，蓄電池充放電過(guò)程中充電對(duì)電池使用壽命長(zhǎng)短影響最大，因而采取適當(dāng)?shù)某潆姺绞绞茄娱L(zhǎng)電池使用時(shí)間比較有效的方式。因此，設(shè)計(jì)一種快速、安全、節(jié)能的新型充電器是電動(dòng)汽車普及的重要條件［1］。

傳統(tǒng)的充電方式主要有恒流充電、恒壓充電和階段充電3 種方式，在此基礎(chǔ)上，近幾年發(fā)展了快速充電方法。用雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)鉛酸電池充電器的研究已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十年，但是針對(duì)汽車長(zhǎng)久依賴的石油資源的日益枯竭和其帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，今后電動(dòng)汽車的推廣普及是大勢(shì)所趨，這也對(duì)與之緊密相關(guān)電池充電技術(shù)提出了更新更高的要求［2］。因此，本課題將重點(diǎn)研究鉛酸蓄電池的快速充電和充電過(guò)程的監(jiān)控保護(hù)。

1 充電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

為了到電池快速安全的充電目標(biāo)，又能實(shí)時(shí)的掌握整個(gè)充電過(guò)程中電池的狀態(tài)數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)主要有2 部分組成，即上位機(jī)監(jiān)控PC 部分和下位機(jī)充電器部分，其中充電器的充放電功率電路分為單片機(jī)控制模塊和充電電路模塊，系統(tǒng)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。其中，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)充電器的上傳電池充電電壓電流以及溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，便于歷史查詢，對(duì)系統(tǒng)后期的改進(jìn)起到支持功能;而充電器則是系統(tǒng)的核心模塊，通過(guò)單片機(jī)MSP430F2274 對(duì)發(fā)出的PWM 控制信號(hào)對(duì)MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)器件(場(chǎng)效應(yīng)管V)進(jìn)行通斷控制，實(shí)現(xiàn)充電主電路的快速充電功能［3］。

圖1 充電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)由上至下的層次分布，將通過(guò)以下2個(gè)方面來(lái)闡述硬件部分電路的設(shè)計(jì):(1)上位機(jī)PC與MSP430F2274 的串口通信接口電路設(shè)計(jì);(2)充電器控制電路硬件設(shè)計(jì)。

2.1 串口通信接口電路設(shè)計(jì)

為了監(jiān)控人員能實(shí)時(shí)了解充電器中電池的充電電壓電流和溫度等信息，MSP430F2274 單片機(jī)與上位機(jī)PC 的通訊串口采用RS-232 轉(zhuǎn)換電平協(xié)議實(shí)現(xiàn)異步通信傳遞數(shù)據(jù)［4］。本系統(tǒng)利用美國(guó)美信公司開(kāi)發(fā)的MAX232 作為轉(zhuǎn)換芯片完成單片機(jī)與計(jì)算機(jī)接口的不同電氣特性轉(zhuǎn)換功能。串行通信接口電路如圖2 所示。圖2 中在C1+、C1-、C2+、C2-、V+和V-引腳處都放置1 μF 的電容實(shí)現(xiàn)充電作用，從而滿足對(duì)照的充電泵的電容要求。

圖2 串行通信接口

MSP430F2274 有兩組串行通訊接口，選用第1 組接口。MAX232 芯片T1IN(引腳11)接收來(lái)自于MSP430F2274 串行發(fā)送端UTXD0(TTL/COMS 電平，3.3 V)的數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后，±15 V 的電平信號(hào)由T1OUT(14)與PC 機(jī)RS-232 串口的接收端(Rxd);反之，R1IN(13)接收來(lái)自于PC 機(jī)RS-232 串口發(fā)送端(Txd)的±15 V 電平信號(hào)，轉(zhuǎn)換后，由R1OUT(12)發(fā)送到MSP430F2274 單片機(jī)的接收端URXD0。從而實(shí)現(xiàn)MSP430F2274 單片機(jī)的TTL 電平與PC 機(jī)的電氣特性轉(zhuǎn)換連接，可滿足20 m 距離內(nèi)的有效通信。

2.2 充電器的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 主電路設(shè)計(jì)及工作過(guò)程

充電主電路采用降壓斬波電路，其原理是由MSP430F2274 單片機(jī)輸出PWM 波通過(guò)MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管V 的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充放電，充電主電路如圖3 所示。當(dāng)開(kāi)通場(chǎng)效應(yīng)管V 處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，充電回路形成，220 V 交流電經(jīng)降壓、整流、濾波處理后，經(jīng)電感線圈L 和充電電容C2對(duì)蓄電池開(kāi)始充電，隨著充電時(shí)間增加，電感線圈L 上的電流逐漸變大，電感線圈內(nèi)儲(chǔ)存的磁能也逐漸變大，此時(shí)續(xù)流二極管VD 處于反偏截止?fàn)顟B(tài)，二極管不通電;當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管V 處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，整個(gè)回路斷開(kāi)，此時(shí)L 內(nèi)部產(chǎn)生的磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使VD 單向?qū)?，電感線圈L 內(nèi)所存的能量通過(guò)續(xù)流二極管VD 傳遞給蓄電池，隨著充電時(shí)間增加，線圈L 上的電流減小，電感電壓VL也隨之減小，當(dāng)VL低于電容C2兩端的電壓VC時(shí)，電容J 繼續(xù)對(duì)蓄電池放電。電容C 放電過(guò)程的快慢，取決于電路的時(shí)間常數(shù)τd，τd愈大，放電時(shí)間越緩慢。所以，可以選擇適當(dāng)?shù)碾娙莺碗姼幸约昂线m的PWM 波的頻率，能夠讓Buck 電路工作在連續(xù)電流狀態(tài)，同時(shí)可以減小充電時(shí)間和增強(qiáng)電壓的平穩(wěn)度。

圖3 充電主電路原理圖

2.2.2 單片機(jī)控制電路

充電器的控制電路采用TI 公司的低功耗16 bit單片機(jī)MSP430F2274F2274 單片機(jī)作為控制器，以模擬電路與數(shù)字電路結(jié)合為思路，設(shè)計(jì)了控制電路及其外圍電路、MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路和檢測(cè)輔助電路。充電主電路采用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM 波控制信號(hào)調(diào)整電池的充電電壓和電流;MSP430F2274 單片機(jī)控制電路按照給定和反饋的偏差量E 依據(jù)事先設(shè)定充電控制方案對(duì)充電電壓或電流進(jìn)行PID 調(diào)節(jié);MSP430F2274 的外圍輸入輸出電路對(duì)電池充電參數(shù)設(shè)置以及充電狀態(tài)顯示;檢測(cè)輔助電路完成電池電壓、電流以及溫度數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)采樣。

MSP430F2274 單片機(jī)控制電路如圖4 所示。

圖4 單片機(jī)控制電路原理圖

P4.1 輸出PWM 控制信號(hào)經(jīng)MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)器件場(chǎng)效應(yīng)管V 的通斷控制，達(dá)到位于電主電路的電容C 快速充放電的目的。

MSP430F2274 內(nèi)部集成有AD 轉(zhuǎn)換器，可用于接收充電電壓、充電電流和蓄電池表面溫度等檢測(cè)信號(hào)，分別引入P2 口的A0，A1，A2 引腳。使用中斷查詢方式讀取轉(zhuǎn)換值，單片機(jī)參照實(shí)時(shí)充電狀態(tài)參數(shù)，從而對(duì)充電電壓、電流進(jìn)行調(diào)整和溫度超限報(bào)警處理。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)控制主程序流程圖

單片機(jī)控制主程序流程圖如圖5 所示。

圖5 單片機(jī)控制主程序流程

單片機(jī)程序在初始化后，充電器將按照實(shí)現(xiàn)設(shè)置好的充電參數(shù)對(duì)蓄電池充電。整個(gè)充電過(guò)程，單片機(jī)將采集的充電電壓、電流以及電池表面溫度等信息，當(dāng)出現(xiàn)充電參數(shù)超限時(shí)，暫停充電。單片機(jī)將對(duì)Buck 電路的PWM 波占空比作出PID 調(diào)整，得到當(dāng)前合適PWM 控制信號(hào)，繼續(xù)完成充電。當(dāng)檢測(cè)到電池充電完成后，單片機(jī)執(zhí)行停止充電程序，防止過(guò)沖到造成對(duì)電池的損害。

3.2 上位機(jī)人機(jī)交互界面機(jī)構(gòu)

人機(jī)交互界面蓄電池智能管理系統(tǒng)采用Visual C++作為開(kāi)發(fā)工具，模塊化處理，可對(duì)蓄電池充電電壓、電流和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。電池智能管理系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖6 所示。

圖6 電池智能管理系統(tǒng)界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證蓄電池帶放電的脈沖充電方式與傳統(tǒng)的恒壓/恒流、分階段變電流充電方在能量接受率對(duì)比效果，能量轉(zhuǎn)換效率實(shí)驗(yàn)原理如圖7 所示，考慮實(shí)驗(yàn)階段的安全性要求，在輸入端采用直流24 V(正端接+12 V，負(fù)端接-12 V)進(jìn)行PWM 控制。

在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)DC24V 端消耗的電度值和負(fù)載端(LOAD)消耗的電度值，通過(guò)兩者的對(duì)比就可以得到此充電電源的能量接受效率。如圖7所示，分別檢測(cè)UT1與UT2端的電壓值，而IT1與IT2分別檢測(cè)兩端流過(guò)的電流值，以時(shí)間t=10 ms 為采樣間隔，電路工作時(shí)連續(xù)采樣100 個(gè)時(shí)刻，則電源能量接受效率的計(jì)算公式為:

設(shè)置PWM 波脈沖頻率為200 Hz，占空比為8%時(shí)，如圖7 所示，負(fù)載端充電儲(chǔ)能電容C3 兩端電壓為5 V，高端電壓為DC24.8 V，連續(xù)采樣100 個(gè)點(diǎn)的電壓和電流，可以求出:

根據(jù)能量接受效率式(1)，計(jì)算出此時(shí)電源能量轉(zhuǎn)換效率為89.5%。

圖7 能量接受效率實(shí)驗(yàn)原理圖

具體數(shù)據(jù)如充電方式實(shí)驗(yàn)表1 所示。

表1 充電方式實(shí)驗(yàn)比較

通過(guò)對(duì)比，采用變電流的脈沖充電方式比傳統(tǒng)的恒壓/恒流充電方式充電時(shí)間減少了近20%，充電接受率增加了約9%，蓄電池的溫升大致相當(dāng)?？梢?jiàn)，帶放電的脈沖充電具有充電時(shí)間和能量接收率的優(yōu)勢(shì)，對(duì)電池去極化有了部分提高，但對(duì)溫升方面性能還需進(jìn)一步完善。

5 結(jié)論

鉛酸電池快速充電系統(tǒng)，采用了電流脈沖充電方法，使用嵌入式MSP430F2274 芯片控制系統(tǒng)，PWM 控制的充放電方發(fā)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，充電時(shí)間有了很大提高，相比傳統(tǒng)充電方式，電池接受率也具有一定優(yōu)勢(shì)。但在溫升控制方面有一定的缺點(diǎn)，仍需對(duì)充電器控制電路進(jìn)一步完善。增設(shè)了上位機(jī)智能管理系統(tǒng)平臺(tái)，電池狀態(tài)信息實(shí)時(shí)可視化，人界交互界面友好。結(jié)合國(guó)家當(dāng)前電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)，本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用方面具有廣闊的前景。

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