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1、电动车智能充电器的设计摘要：基于PIC单片机和DC功率变换器设计的电动车智能快速充电器本文对这个方案做了一定的阐述，还有设计了智能充电器的硬件电路和控制软件的设计方案，该充电器的成本低，性能可靠，能正确地测量蓄电池状态，经多方面的检验测试得知和用户使用，充电效果好，效率高，充电方案新颖。该充电方案对充分发电损耗，延长蓄电池的使用寿命具有重要意义。关键词：功率变化器；快速充电；PLC 单片机；蓄电池1引言 1.1电动车的发展现状电动自行车价格低、绿色无污染、质量轻、使用方便。评价电动自行车的性能指标很多,而最能让消费者关心的就是其蓄电池的里程寿命,专家研究表明:蓄电池充电过程对其寿命影响最大,过
2、充电、充电不足以及过放电都是引起是电池故障的主要原因。因此如何正确地监控和测量蓄电池的充电状态、减少充电损耗、提高充电速度,延长蓄电池的寿命,有十分重要的经济意义。以PIC作为智能监控单元,自行设计了电动自行车智能充电器。该装置能根据蓄电池的充电特性自动调节输出电压、电流,进行智能充电,而且能对充电器运行状态进行监测,若有故障发生,能及时进行保护,从而实现现场无人值守。整个装置具有体小、质量轻、精度高、反应快等特点在以蓄电池为动力的车辆设备中, 如电动摩托车、电自行车及电动汽车等, 都涉及到蓄电池的充电问题。提高对蓄电池的充电速度, 减少充电损耗,正确地监控和测量蓄电池状态, 对充分发挥蓄电池
3、的功效、延长蓄电池的使用寿命起着重的作用。为了实现上述目标, 以某型电动摩托车为对象研制出一种实用的智能型车载蓄电池充电器。该蓄电池充电器以PIC微处理器为控制核心, 结合变换器, 对整个充电过程实行智能化监控。它可同时对摩托车的48V主电池和12V辅电池进行充电。在充电过程中, 控制电路可以根据电池的电压、电流及其它参数调整充电状态, 提高充电效率, 使充电过程维持在较理想的状态。1.2电动车铅蓄电池的概述铅蓄电池是目前唯一能大量生产供应的电动车电池。由目前的使用状况可以看出,它优点是价格低,缺点是比能量低,一次充电行驶里程约100km。一项对北美私人汽车日行程的查表明, 日行程在160km
4、以下的占90 % ,其余10 %日行程超过240km甚至更高。因此有人出若能将铅蓄电池比能量适当提高,使一次充电行程达到160km,同时开展快速充电的研究,就有可能使价格低廉的铅蓄电池满足大多数城市中心区短途运输及交通用电动车的要求。为此,1992 年由国际铅锌组织联合世界铅蓄电池制造厂商成立的“先进铅蓄电池联合体”制定了先进铅蓄电池的研制目标为:比能量50Whkg/1 (一次充电行程160km)比功率150Wkg- 1价格小于150美元/ kWh循环寿命大于500次快充性能。其价格及比功率已为一般铅蓄电池所具备, 因而改进的主要力量集中在比能量,循环寿命及快充性能3项指标：(1) 比能量提高
5、比能量主要从减轻板栅重量及提高正极活性物质利用率着手。研究表明, 提高铅锡合金中锡的含量可以增强板栅耐腐性及抗蠕变强度, 从而可以减轻板栅重量（锌 含量0. 5 %1 %)。在正极活性物质中添加一些有叫强吸酸能力强的添加剂(如发泡聚丙烯) 可以提高正极活性物质利用率约10 %。(2) 循环寿命研究结果表明有4 种方法可提高铅蓄电池的循环寿命: 1.板栅合金采用锡含量高的铅锡合金, 可以克服因板栅蠕变而造成的早期失效。(ii) 为了防止极板膨胀, 采用加大极板法向压力,试验证明将法向压力从8kpa 增至40kpa ,可使循环寿命由200 次提高到700 次。为此需改进隔膜材料以免在受压情况下松散
6、。 (iii) 采用合理的充电制度,尤其要精确掌握充电后期的充电量及充电速率,以保证充足电。(iv) 改进负极膨胀剂以避免延长充放循环寿命后,负极活性物质硬化。(3) 快速充电由于近期快速充电技术的发展,使传统的铅蓄电池快速充电性能不好的概念已有所改变。实验证明,多数阀控式铅酸蓄电池可以承受快速充电制度(50 % soc , 5min ;80 % soc , 15min) 。而且,合理的快速充电制度及方法,对延长电池寿命不但无害而且有利。国已将快速充电方法由单组电池扩展应用到整个电池组,并且在车载情况下进行试验。1998 公布的ALABC 的报告表明,通过研究改进,阀控式铅酸蓄电池的比能量有望
7、提高到改进前的2倍, 循环寿命有可能提高到原有的10倍,而充电时间缩短一个数量级。目前ALABC正在力支持各有我国在“八五”计划期间, 国家科委和国家计委就把电动车用铅蓄电池的研究和开发列为重点项目予以支持。许多从事电动车设计和研制的单位认为, 虽然铅蓄电池比能量低, 但在我国期望将公交车、出租车放在电动车使用的首要地位的情况下,铅蓄电池以其价格廉,能够大量生产供应的优势, 被列入近期电动车产业化工程项目计划中还是可行的。列出我电动车用密封铅蓄电池的近期研究发展目标,其中第一阶段强调电池总体性能的提高,第二段把重点放在电池循环寿命及电池性能的均匀一致性的改进上。19911995 期间,保定金风
8、电池有限公司、轻工业化学电源研究所等单位参与电动车用密封铅蓄电池的研制工作。其中用负极仍为涂膏平板电极。试制结果表明,我国的电动车用铅蓄电池除循环寿命外其余各项达到第一阶段研制目标。目前风帆公司及镇江蓄电池厂的密铅蓄电池已在我国改装车上试用，其中在面包车上采用20只12V150Ah 电池, 最高车速80km/ h , 充电一次行驶100km;使用10 只12V150Ah 电池组,车速可达80km/ h ,充电一次行驶100km，在其中还存在一些题,个别电池累计行车里程不足1000km就需更换。电中期目标性能的对照。可以看出,ZEBR电池已达到中期目标, 个别项目还超过指标要求。其中初始生产价格
9、虽然还达不到标, 因该电池的材料成本只占售价的20 % ,因此大量生产后的降价余地较大据估算,生产量达30万组电池时, 价格即可降至150 美元/ kWh。另外该电池虽然自放电很低几乎为零,但由电池组工作温度高，停车时的热损失以及启动时需要长时间加热等缺点, 使该电池只适用于常运转的车队车辆,不太适合于私人小轿车。1.3 电动车智能充电器的概述现代信息技术的飞速发展，智能化成为工业装置的发展趋势，在充电器的发展领域里，智能化的充电器的发展是迅速的，其动力首先来自电力系统的可靠性随着与自动化越来越高的要求等方面。现代的电动车智能充电器的设备都要求在检测、控制及保护等方面完全智能化和自动化。电动车
10、智能充电器的理论基础一般包括电器学的基本理论和信息科学的基本理论，其中与智能充电器关系最大的是信息处理技术。为满足电动车智能充电器的可靠性要求，检测技术必须得到最优的发展，这一信息技术要求设备能自诊断、运行状态可以控制、能及时的发现故障的前兆和来源，这些都与充电器的智能化基本要求都是一致的。电动车智能充电器的智能控制系统也是非常重要的，它也可以说成是电动车的智能控制器，它是智能充电器的大脑和心脏，其性能关系到智能充电器功能的实现和工作是的可靠性。一个功能完备的智能充电器必须具备灵敏准确的感知功能，还要具备正确的思维与判断功能以及有效的执行功能。控制器也是智能充电器的一个重要的执行机构，它也有很
11、重要的任务，它的主要任务是要将现场测量信号提供给主控单元，并由其发出指令对被监控和保护的对象及智能充电器自身执行正确的操作。为此，必须首先取得与被监控和保护对象的有关信息，这些信息根据不同的原理进行综合的逻辑判断，最后做出决断，并付诸执行。1.3.1 电动车智能充电器的控制器概述电动车智能充电器要有一个很好的智能控制系统，因为这个系统的好与坏直接影响着智能充电器工作性能的优劣、正确与错误。如果从计算机的角度出发，可将智能充电器的控制器看成是面向实际过程的计算机系统。这个控制器的基本构成是：把电压和电流输送给信息预处理，然后传送给主控单元，最后决断结果。这个智能化充电器的特点如下：1、 设备具有
12、独立的监控、测量、保护、操作功能，并且具备一定的能力；2、 可以允许不同的制造商，不同类型的产品互联，甚至互访；3、 能包容采用不同的介质，不同通信协议的网段；4、 必须得到各类实时数据在网络中传输的实性和准确性；5、 内部系统运行必须稳定、可靠、以保证现场设备安全运行。1.3.2智能充电器的电磁兼容原理智能充电器是传统的电器与计算机技术、数据处理技术、控制技术、传感器技术、网络通信技术、电力电子技术等相互结合的产物。智能充电器从本质上说是一种机电一体化设备，也是一种强电和弱电相混合的系统。由于强电和弱电共居一体，使其电磁兼容性逐渐成为系统设计、制造、调试中需要考虑的重要问题了，要想使智能充电
13、器正常而又可靠地工作，就必须很好的解决电磁兼容的问题。电磁兼容的定义是：装置能在规定的电磁环境中正常的工作而不对该环境或其他设备造成不容许扰动的能力。它包括两方面的含义：第一，设备或系统应具备有抵抗给定电磁干扰的能力，并且有一定的安全余量，即它应不因受到处于同一电磁环境中的其他设备或系统发射的电磁干扰而产生不容许的工作性能降低；第二，设备或系统不产生超过规定限度的电磁干扰，即它不能产生使处于同一电磁环境中的其他设备或系统出现超过规定限度的工作性能降级的电磁。因此对智能充电器来说电磁兼容性设计的任务就是采取适应的措施保证系统中的信号不会受到干扰，所以在设计电动车智能充电器的时候还要考虑到中心处理
14、信号，这样便于使充电器在使用时候达到一个最佳的状态。1.3.3充电器的选择充电器有快充和慢充之分, 慢充对电池的寿命影响不大, 价格比较便宜, 但充满电要等待15 h 左右, 如果追求短时间充电的话, 可以选择使用智能控制的快速充电器( 价格比慢充的要高, 具有自动停充、过热保护以及涓流充电等功能) , 能在约几个小时内充满。因为其带有微处理控制器, 通常会决定什么时候电池充满了电, 然后根据设计的不同, 完全关掉充电器或转向涓流充电, 能有效避免对电池造成损害。新买的镍氢充电电池最好是先放电( 特别是使用没有防止过充和过热保护等保护装置的快充) , 就是放在用电器中正常使用, 当电器提示没有
15、电了再充电。请勿将新旧电池或充电状态不同的电池放在一起使用, 也不要将容量、种类、品牌不同的电池放在一起使用, 应使用优质充电器给电池充电。2.智能充电器系统硬件设计2.1充电器的工作原理目前, 电动自行车主要以铅酸蓄电池为动力。铅酸蓄电池的主要优点是: 电池容量大、价格便宜并具有无记忆效应; 但存在的缺点是: 体积大、重量重和不能过充或过放。根据铅酸蓄电池的上述特点, 铅酸蓄电池的充电过程一般分为四个阶段: 涓流充电快速充电均充电浮充电 1, 2 , 如图2.1 所示图 2.1 铅酸蓄电池要求的充电电压、电流曲线根据充电前蓄电池残余电量的不同, 每次充电的时间将有所不同。(1) 涓流充电若蓄
16、电池在充电初期已处于深度放电状态,为避免对蓄电池充电电流过大,造成热失控, 微处理器通过监测蓄电池的电压,对蓄电池实行稳定小电流涓流充电。在涓流充电阶段,电池电压开始上升,当电池电压上升到能接受大电流充电的阀值时则转入快速充电阶段。(2) 快速充电该阶段为大电流恒流充电,电池电压上升较快,当电压上升至均充电压阀值时,则转入均充阶段。(3) 均充电该阶段为恒压充电,它可使电池容量快速恢复。这时充电电流逐渐减小,当电流下降至某一固定值时,自动转入浮充电。(4) 浮充电该阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量,此时标志着充电过程结束。2.2 充电器的电路设计充电器的系统结构框图如图2 .2所示。图
17、2.2 充电器原理框图2.3充电器监控电路的设计监控电路的核心是PIC16C73,它是一种低功耗8位微处理器,内部带有程序存储器和数据存储器(RAM ) ,程序运行速度快(晶振为20MHz 时, 指令执行周期为200 n s)PIC16C73芯片对外有3个口(共22 位) , 5路8位高速通道, 3个定时器和计数器, 2个捕捉点和比较点 PWM模块, 2个串行通讯口。芯片具有一定的功能,并提供对软件运行出错的保护。充电器监控电路具有以下功能:(1) P IC16C73的4路A通道完成对2路蓄电池的充电电流和充电电压的检测。(2) 通过P IC16C73的I2C串行通讯接口于MAX1668相连,
18、并对48 V、12 V蓄电池的温度、功率变换器的温度及环境温度进行检测,如图2.3所示。图2.3温度检测电路MAX1668温度传感器可同时监视4路温度且无须校准。通过串行接口I2C进行编程。它是一种新颖、灵巧、易用的传感器。当PIC16C73经MAX1168检测到48V或12V蓄池温度5时, 即终止对蓄电池的充电,以避免继续充电导致电池过热损坏; 当检测到环温度25时, 蓄电池的给定浮充电压以-3的斜率递减,进行温度补偿; 当功率变换器的温度85时,则控制电路关闭主电路的输出,进入保护状态。(3) 根据充电的不同阶段和具体要求, PIC16C73的2路PWM输出固定频率不同占空比的信号,经外部
19、滤波器滤波,给调节器送出所需的给定值,如图2.4 所示。在给定精度要求不高合,此法比较简便实用。图2.4模拟给定信号的产生(4) 由PIC16C73的PB口与MC4066模拟电子开关组成的逻辑电路实现恒流与恒压调节控制之间的转换,以满足充电不同阶段的需要,如图2.5 所示。(5) PIC16C73有25mA的驱动能力,由PB口输出直接驱动L ED发光管,显示指示充电、充电完毕及电池故障等状态。图2.5 恒流与恒压调节控制电路2.4功率变换部分用集成PWM控制芯片TL494结合半桥式功率变换电路共同组成充电器的功率变换部分。图2.6TL 494 驱动控制电路(1) TL494内部有2个误差放大器
20、, 其中一个误差放大器从1 脚输入调节器的输出信号, 2- 3脚引入阻容校正。另一个误差放大器的作用是限流保护比较器。上下2个主要的功率管开通时的死区时间由4 脚外接电平决定。TL 494驱动控制电路原理图,如图2.6所示。(2) 半桥式功率变换电路原理图,如图2.7所示。在半桥式功率变换器中,功率管所承受的最大电压与正激式或反激式变换器中功率管承受的电压相比减小了一半。这样可以选用耐压值低的MO SFET管,使导电阻相应下降,同时也降低了导通损耗。图2.6 TL 494 驱动控制电路图2.7半桥式功率变换电路3 智能充电器的软件设计3.1控制程序和监控子程序设计智能充电器软件主要包括:主程序
21、和显示与按键部分程序组成,它们之间用串口通信。主程序根据显示与按键程序传回来的信息,确定具体的工作状态,从而采取相应的方式来控制程序;主程序还包括与智能电池通信以获得相关电压、电流温度等信息;实时地进行充电曲线的控制、终止条件检测和给显示与按键部分传递信息等功能。在正常运行过程中,PIC单片机不断与智能电池、与51单片机通信,以获得相关信息和进行实时显示。在充电过程中,PIC单片机还会根据电池电压变化进行实时控制和终止别。上述两部分是软件中很难处理的技术,其质量的好坏直接决定智能充电器的性能。单片机对正在充电的电池进行实时电压、电流、温度取样,经A/ D转换输入单片机。单片机根据电池不同的充电
22、状态采取不同的充电算法,通过D/ A 转换输出反馈电压,对电源行控制,通过改变电池组端电压来达到控制充电过程的目的。充电器的工作状态由L ED(发光二极管) 指示。P IC系列单片机采用哈佛结构, 程序和数据存储器总线相互独立。指令运行周期短, 在20MHz的指令周期为200 ns (PIC16CXX)。根据要求进行了充电器控制软件的设计实验表明, 该控制软件满足充电器的控制功能要求。软件流程图如图2.8、图2.9 所示。图.控制软件流程图图2.9监测子程序(MV IT) 流程图3.2通信子程序设计充电器与智能电池通信是本系统的一个特点。在充电之前,充电器发送读数据指令到智能池,智能电池接收到
23、后返回相关信息,如:电池类型、额定容量、剩余电压等。这些信息通过显示部分进行显示。其目的是便于操作者掌握电池的基本特征,从而进行充电前的选择。当充电时,充电器与智能电池进行信息传输,传输的内容是电池当前电压、充电电流和电池当前温度等信息;当电池出现故障时,还会把故障信息传到充电器,充电器停止操作并报警。本系统中充电器与智能电池通信是借助于SM2Bus 通信总线。主程序流程框图如图2.10所示,系统上电初始化后,主控单片机PIC 先后与E2 PROM、智能电池和负责显示和按键的51 单片机通信。获取相关数据后进行解析,得到具体信息后进入各子程序。若出现故障,相应故障标志位置1 ,程序跳转到故障处
24、理子程序,在故障处理子程序中,系统关断输出并与51 单片机通信,将故障信息传给51 单片机,显示故障信息。在正常运行过程中,PIC 单片机不断与智能电池、与51 单片机通信,以获得相关信息和进行实时显示。图2.10主程序流程框图4结束语该充电器成本低, 经用户试用, 效果良好, 具有较广阔的市场前景。采用PIC 单片机控制电路设计的智能充电器,能够实现对电车的蓄电池进行充电,并能够根据充电过程自动调整控制参数以及故障自诊断,可以实现充电过程的无人值守,延长电池的使用寿命。由于设计时间短,在硬件设计与充电算法方面还存在不足,有待于以后不断改进。因电动车智能充电器对可靠性要求很高, 因此除了要对整
25、体结构进行合理设计外, 还要对保护电路进行完善考虑。为此, 在充电器中设置了输入欠压、过压及过流; 输出过流、过压及短路; 功率管过流及过热保护; 蓄电池的过热保护。电动摩托车充电器已制造出实验样机, 相关参数如下:输入电压: AC220 V; 主充电器输出电压: DC48 V; 输出最大电流: 6 A; 输出电压: DC12V; 输出最大电流: 1. 5 A; 最大输出功率: 400W;DCD C 变换器工:50kHz。我们坚信，电动自行车使用铅蓄电池是一个潜在的巨大的持久性产业，经过几年的努力它一定会演变成现实的生产了，给人们的生活和工作带来巨大的变化的。参考文献 1桂长清. 通信用阀控蓄电池检测与维护技术J . 蓄电池, 1998 (3) : 28- 33. 2姜绍信. 铅酸蓄电池的快速充电M . 天津: 天津科学技术出版社, 1984. 47- 85 3 蔡纯洁, 邢武. PIC 1617单片机原理和应用M . 合肥: 中国科学技术大学出版社, 1997. 243- 306.
