車載智能充電器的設計與實現

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(無錫工藝職業技術學院, 江蘇 宜興 214206)

車載智能充電器的設計與實現

范雪，張愛良，張偉

(無錫工藝職業技術學院,江蘇宜興214206)

設計一款車載智能充電器，根據電池容量、當前電壓值及電池溫度調節充電電流、充電電壓及充電時間；并通過充電器閉環拓撲反饋系統實時評估電池狀態、對充電流程及模式進行動態調整，確保充電最優化及效率最大化；文章根據車載電池使用說明及充電需求，提出一種智能充電流程，并重新設計工作模式與功能，對充電器的軟件及硬件系統進行探索開發；實驗結果表明智能充電器不僅可提高充電效率，對電池的壽命維護及安全使用都有巨大改善。

智能充電器;電流選擇;溫度保護;車載充電器;智能控制

0 引言

車載蓄電池的使用壽命一般為兩年至三年，主要與充放電次數及充電時工作模式有關。當車載電池處于“饑餓”狀態時，需要立即進行能量補給，一旦電池電壓過低，不僅汽車發動失敗，電池極有可能會被“餓死”。目前，市場上不同型號的車載電池，只能用其配套充電器進行充電，而且充電器的充電過程僅僅是“恒定電流直沖”，且充電器的充電狀態不可獲知，無法對電池性能及充電要求進行判斷，這種充電器充電方法對電池損傷非常大，也不利于環保節能。因此，根據電池類型、電池容量、充電需求及客戶使用習慣，設計一款多功能、高充電效率、電池兼容性強、節能環保的智能充電器，是符合工業要求及社會需求的。

電動車車載電池容量一般在10～30 Ah之間，機動車車載電池容量根據轎車的類型、啟動要求及使用環境，從40～300 Ah不等。電池容量變化范圍如此之大，若使用傳統的直充充電器根本無法滿足所有充電器的充電要求。目前，針對智能充電器的研究有程廣明[3]的智能鋰電池充電器，針對鋰電池的化學性質，提出的快速充電流程及方法；曹玲玲[5]在研究無線智能充電器的同時，提出了一種高效率充電器的硬件及軟件設計方法；周玲[7]提出利用單片機智能控制充電流程，根據AD采集信號分析充電結果并自動控制充電流程。車載智能充電器的研究對提高充電效率、節約能源、提高電池循環利用率有很大改善，本文從市場及客戶需求出發，設計一款針對電動車載電池及機動車載電池均滿足需求的12 V車載智能充電器。

1 智能充電器設計方案

1.1 充電器結構設計

智能充電器是一款能量轉換單元，將電源能量以最大效率轉換為電池化學能，為電池提供能量。充電器結構主要分為兩部分：能量部分和控制部分。能量部分為充電器的工作提供能量支持，進行能量轉換；控制部分則控制充電器的工作狀態及工作模式選擇、充電流程和報警保護等功能。充電器的核心部件為控制部分，根據電池工作當前狀態控制充電器工作模式，并根據反饋信息控制充電器工作流程。如圖1為充電器的結構框圖。

圖1 智能充電器結構框圖

1.2 充電流程設計

傳統充電器的充電流程簡單，僅僅采用“恒定電流直沖”的方式進行充電。在充電過程中，無法判斷電池是否異常、充電過程是否順利、電池能量飽和程序、何時結束充電、溫度是否過高等問題，因此，電池在充電過程中存在極大的風險，很可能會出現因溫度過高或電流過大而引發的爆炸、或電池過度充電導致的電池失水損傷等一系列后果，不僅影響電池壽命，也帶來安全隱患。

智能充電器在充電流程的設計過程中，針對上述問題做了系統研究，不僅改進了充電流程，使充電流程隨電池狀態的變化而改變；而且也從硬件及軟件的角度進行了專門設計，力求達到充電最優化。

智能充電器根據電池充電過程中的電壓及電流狀態，對充電器的輸出進行調整，并根據電池容量的變化，改變其充電狀態。本文提出一種改進的智能充電流程，如下：

1)電池分析。充電器接入電源，處理器開始工作，首先測量充電前電池的初始電壓值，分析電池的飽和程度及電壓特征；

2)處理器根據電池的當前電壓值選擇充電模式。當電池初始電壓低于10 V時，選擇0.05倍率電池容量的小電流充電1小時，充電完成后，再次檢測電池電壓，判斷電池電壓是否高于12 V時，如果是，則進入第3)步，否則，再次執行第2)步；當電池初始電壓高于10 V時，進入第3)步，確認初始充電電流；

3)處理器根據電池電壓變化判斷電池能量，確定充電電流。根據標準時間內電池電壓起伏壓差閾值確定恒流充電期間的充電電流，逐步試探，直至達到所需充電電流標準為止；

4)恒流充電。當電池電壓達到最高電壓14.4 V時，充電器跳出恒流充電階段，進入恒壓充電階段。

5)恒壓充電。控制電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，直至設定閾值，關閉繼電器，充電恒壓結束。進行錯誤檢測模式；

6)復檢。如果電池無損傷，充電器至少應充至電池容量的95%，且電池電壓穩定。判斷電池在一段時間內的無干擾電壓壓降，如果電壓壓降變化劇烈，則電池損傷，已不適合繼續使用；如果壓降變化緩慢，判斷電池正常，進入脈沖維護充電階段；

7)電池已接近飽和，為保證電池容量接近100%，充電器每隔一段時間閉合一次繼電器，繼續為電池提供短時間小電流補充充電，并且檢測電池電壓，如果電池電壓低于13 V，則充電器回到1)開始重新充電。圖2為充電器的充電流程曲線。

圖2 智能充電器充電流程

2 硬件設計

2.1 硬件設計框圖

控制模塊是整個充電器系統的核心，控制充電器的工作模式選擇、充電流程控制，維護電池壽命，充電器報警等功能。圖3為充電器硬件設計框圖。

圖3 充電器硬件設計框圖

2.2 控制模塊設計原理圖

充電器處理器采用意法半導體公司推出的STM32F101微處理器，采用高性能的CORTEX-M3內核，具有成本低、功耗低、集成度高、結構簡單等特點；并且包含了十分豐富的功能模塊，能滿足充電器的智能多功能應用。

2.3 電流選擇電路

根據充電器工作流程，在充電初始階段，充電器對電池進行預估判斷，選擇控制電流輸出，在隨后的充電過程中，微控制器根據電池容量、電池電壓及溫度實時對充電電流進行調節。微控制器配置4個IO口進行電流輸出，根據需要選擇IO口工作。

2.4 熱敏電阻

充電電流隨著電池容量的增加而增大，因此，溫度也隨之升高。溫度過高，不僅對電池壽命有損傷，還會引起電池爆炸、充電器燃燒等危險狀況。在充電過程中，需要實時檢測電池及充電器溫度，一旦達到危險溫度值，立即降低充電電流或停止充電并報警。

充電器內采用負溫度系統熱敏電阻TSM1A103F，它是一種半導體電阻，阻值隨著溫度的升高而降低。在25 ℃時其零阻值電阻為10 kΩ，根據數據手冊參數B值與AD采集電壓來確定當前溫度值。公式1為B值與溫度的關系公式。

(1)

由B值可反推得當前溫度值。

2.5 反接保護

圖4 充電器電流選擇電路

在充電器工作過程中，經常會因電池標識不清而導致電池反接、或者電池接頭松動等原因而導致電池接線端短路或開路，因此，充電器硬件需要進行反接保護設計，以避免充電器短路或反接造成瞬間沖擊電流過大而燒毀電路板。當反接或短路時，先判斷輸入電流，電源輸出線電流接近為零，沒有輸入信號，此時并不能判斷電池是處于充飽狀態而無法吸收電能或者電池斷開或損壞，再判斷電源輸出電壓，如果電壓低于某一設定閾值，則可判斷電池斷開，否則，電池已充飽。

圖5 充電器反接保護電路

3 軟件設計

3.1 充電流程軟件設計

智能充電器在軟件設計方面有以下幾點創新：

1)由于目前市場上電池種類眾多，電池容量不一，因此，在充電過程中充分考慮電池容量，根據電池容量控制充電流程；

2)為避免小容量電池大電流充電引發的電池失水，充電器根據電池容量選擇充電電流與充電時間，最大可能避免對電池造成永久性傷害；

3)閉環控制充電流程，在充電過程中根據當前電池電壓調整充電電流；

4)在充電結束后，脈沖電流維護充電，充電容量達100%。

智能充電器軟件充電流程如圖6所示，充電過程中，充電器上電以后，控制器開始工作，EEPROM中記錄上次充電器充電流程及電池電壓值，重新判斷電池狀態，若電池處于低電壓狀態，則先為電池補充充電；若電池狀態正常，則開始進行充電流程，先進行恒流充電狀態，之后，通過判斷電池電壓的值來確定是否進入恒壓狀態，再通過判斷電流值來確定是否跳出恒流狀態，此時，電池容量需要充到90%以上。充電器的主要充電時間需要根據電池容量與電池狀態進行判斷。此時，經過一小段時間的過程判斷，確定電池是否受到損傷，如果受到損傷，充電器報警燈亮，充電流程中止。如果電池未受到損傷，則主要充電流程結束，進行脈沖充電階段。

圖6 軟件充電流程

3.2 充電流程軟件設計

系統的開發環境采用IAR公司開發的IAR for ARM軟件，采用J-link仿真器進行在線調試與燒錄，并且可以在開發的過程中對系統進行在線測試與更新，簡單便捷。充電器控制程序使用C語言編寫，在程序開發與編譯時，需要調用STM32庫函數，該庫函數是ST公司已封閉好的一個函數調用包，在開發時只需直接調用該庫函數基本功能，便可完成相關功能。

系統的上位機用戶界面可采用微軟公司開發的Visual Studio 2015編寫，根據實際應用需要與用戶習慣設計用戶界面。圖6為智能充電器數據接收串口設計。

電池在充電過程中，用戶很難觀察到具體充電流程，因此，設計智能充電器串口通信助手可實時觀察充電狀態與流程，串口通信助手通過232串口與PC機進行連接，可通過軟件設置將充電流程及警報信息實時發送到串口界面，用戶可根據接收的數據進行相應處理。用戶也可以通過串口助手發送數據到充電器，充電器根據用戶指令進行相應操作。

圖7 充電器數據接收串口界面

4 測試結果

將兩組容量為60 Ah，額定電壓為14.4 V的電池分別放電至12 V以下，靜置12小時以上，等兩組電池狀態穩定后，分別對兩組充電器，即直充充電器與智能充電器進行充電測試，直至充電流程至脈沖充電時為止，經測試，結果如表1所示。

通過對智能充電器流程的智能設計，對充電效率進行測試，結果表明通過智能化充電，效率比原有直流恒充的的效率高達0.2%。表1為滿負載情況下，充電器充電效率對比。

表1 兩組充電器充電效率對比

5 結束語

提出一款基于STM32微處理器的新型智能車載充電器，從系統架構、硬件設計、軟件開發及流程設計等方面均做了分析介紹，并設計上位機界面，不僅能夠根據電池特性實現對電池無損傷自適應充電，而且能夠通過上位機界面實時觀測充電流程及電池狀態。避免了電池在充電過程中出現過充、誤充、爆炸等狀況的發生，延長電池壽命。通過測試證明，該智能充電器在提高充電效率、延長電池壽命方面有突出優勢。

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ResearchandDesignonVehicleSmartCharger

Fan Xue, Zhang Ailiang, Zhang Wei

(Wuxi Institute of Arts amp; Technology,Yixing 214206, China)

Design an vehicle smart charger, according to the battery capacity、current voltage value and battery temperature to control charging current and choose charging time, and evaluate the battery status, select charging mode. Design vehicle charger work mode and charging step, and operate charger hardware and software system, according to the vehicle battery user manual and user demand, and explain the specific functions of the charger. It is verified through the experiment that, the smart charger not only greatly improve the charging efficiency, but also maintain the battery life and safety.

smart charger; current selection; temperature protection; vehicle charger; intelligent control

2017-02-24；

2017-03-24。

范 雪(1986-)，女，遼寧撫順人，碩士，助教，中級工程師，主要從事物聯網技術方向的研究。

1671-4598(2017)09-0123-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.032

TP23

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