電動汽車鉛酸電池脈沖快速充電系統設計

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 450003)

0 引言

綠色環保的電動汽車是21世紀人們研究的重要課題[1]。傳統的汽車電池充電技術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，在電動汽車領域得到了大規模的應用。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。經過調查研究得知，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，設計一種快速、節能和安全的智能充電系統，是綠色環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控保護、電池充電時間以及電池能量接受率等方面的內容。

1 系統平臺的總體結構設計

整個智能充電系統由充電器和PC機監控2個模塊組成，分別對應下位機模塊和上位機模塊。智能充電系統的總體結構框圖如圖1所示[3]。

圖1 充電系統的整體結構設計框圖Fig.1 The overall structure of the charging system

充電電路部分是系統的核心部件，MSP430F1612單片機作為控制器，由其產生PWM波控制MOSFET驅動電路;開關器件(場效應管V)根據設定的PWM波頻率做通、斷動作，從而實現充電電路對蓄電池的快速充電。上位機PC通過RS-232總線與單片機實現通信，將充電現場的電池充電電壓、電流以及溫度數據進行存儲，從而實現歷史數據瀏覽分析，便于系統后期的改進[4]。

2 系統的硬件電路設計

根據充電系統的整體結構，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計[5－7]。

2.1 上位機與下位機通信電路設計

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總線技術和美信MAX232轉換芯片，既實現了距離為20 m左右的異步通信，又實現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串行發送端UTXD0(TTL/COMS電平)的信號，經轉換后的電平信號由其引腳14發送到上位機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(發送端)的電平信號，轉換的信號由引腳12發送到MSP430F1612單片機的接收端URXD0，從而實現了MSP430F1612單片機的TTL電平與PC機的有效數據交換。

2.2 下位機充電器的電路設計

2.2.1 充電器充電電路設計

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單片機產生的PWM波的控制下，經MOSFET驅動電路實現場效應管V的通斷;最后經過電感線圈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(晶體管V)在PWM波控制下處于導通狀態時，整個電路形成充電回路，經電感線圈L對蓄電池進行充電。由于續流二極管VD處于反向偏置狀態，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，儲存在電感線圈內的磁能和電容C2存儲能量也隨之增大。反之，在通斷開關V置于截止狀態時，充電回路重新斷開，續流二極管VD在線圈L內部產生的磁感應電動勢驅動單向導通，電感線圈L、二極管VD、電池形成回路。此時電感線圈L通過續流二極管VD對蓄電池經行充電，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將對蓄電池繼續充電。電容C放電時間的長短，由電路的時間常數τd決定，τd越大，放電時間越長。為了能夠讓蓄電池連續處于連續沖電狀態，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、增強電壓的平穩度，同時緩解電池的極化現象，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驅動和電池電壓、電流、溫度檢測等電路。控制核心采用數據處理功能強大且超低功耗的16位MSP430F1612單片機，其內部固化有AD/DA轉化電路，便于處理外部傳遞過來的數據信息。

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 快速充電系統的軟件設計

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，根據預設的充電參數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。當充電參數超過設定值時，暫停充電并啟動報警保護，單片機會對充電電路的PWM波占空比作出相應微調。在滿足現階段的充電要求后，重新對電池進行充電。當檢測到電池充滿電后，單片機調用充電程序，關閉充電電源、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，設計了過溫保護程序。

3.2 上位機人機交互界面軟件設計

快速充電系統的上位機人機交互界面采用VC作為開發工具。按照模塊化處理，系統界面設有用戶登陸、電池狀態、歷史數據、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控。

4 試驗結果分析

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

表1 3種充電方式試驗數據比較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。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象;后期可以在溫升方面做進一步的改善，以加強系統的安全性能[8－10]。

5 結束語

從試驗結果來看，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;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展趨勢的要求。本文采用帶放電的脈沖充電方式，結合軟硬件的合理設計，達到了快速充電的效果。針對當前國家大力提倡的節能環保政策，設計的電動汽車鉛酸電池快速充電系統具有廣闊的發展前景。

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