中心議題：
- 蓄電池充電器的原理與硬件設(shè)計(jì)
- 蓄電池充電器的充電策略與算法設(shè)計(jì)
解決方案：
- 蓄電池恒流充電電流的選擇
- 蓄電池恒壓充電電壓的選擇
影響電動(dòng)車蓄電池性能的因素多種多樣，如電動(dòng)車的裝配性能、行駛電流、充電策略等。其中蓄電池的充電過程對(duì)其壽命影響最大，過充電、充電不足是引起蓄電池故障的主要原因。所以，必須通過設(shè)計(jì)合理的充電策略和充電算法以有效地減少蓄電池的損傷、減少充電損耗、提高充電速度。本文在研究電動(dòng)車用蓄電池特性及其充電策略和充電算法的基礎(chǔ)上，研制了一款基于P IC16C712單片機(jī)的4段式（涓流短時(shí)充電、恒流快速充電、恒壓均衡充電、浮充電） 48V （20A·h）蓄電池充電器。該充電器以P IC16C712作為實(shí)時(shí)監(jiān)控和中心控制單元，采用PWM DC-DC全橋變換器作為主電路，使得該充電器能夠根據(jù)蓄電池的充電特性自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓、電流，進(jìn)行智能充電，并且能夠?qū)Τ潆娖鞯倪\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，若有異常，能及時(shí)地進(jìn)行保護(hù)。此外，該充電器還具有體積小、重量輕、精度高、充電速度快、性能穩(wěn)定等顯著優(yōu)點(diǎn)。
1 蓄電池充電器的原理與硬件設(shè)計(jì)
1. 1 蓄電池充電器的總體設(shè)計(jì)
目前，電動(dòng)車電池作為一種儲(chǔ)能裝置，主要以鉛酸蓄電池為主，充電器是專門針對(duì)鉛酸蓄電池所設(shè)計(jì)的。傳統(tǒng)的蓄電池充電器采用電流/電壓負(fù)反饋的方法來達(dá)到恒流/恒壓充電的目的，為了實(shí)現(xiàn)充電過程各種工作參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測及智能多段式充電策略的精確控制，引入電流/電壓反饋環(huán)，應(yīng)用P IC16C712 單片機(jī)及相應(yīng)的控制電路，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，電路圖如圖2所示。
圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖
圖2 電路原理圖
由圖1和圖2可以看出，蓄電池充電器主要由開關(guān)電源單元（電源變壓器、整流電路及濾波電路）和監(jiān)測與控制單元（傳感器、電源專用集成芯片UC3875及微控制器P IC16C712）兩部分組成。
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在開關(guān)電源單元，單相220V /50Hz的交流電需經(jīng)過全橋整流及大電容低頻濾波穩(wěn)壓，然后經(jīng)過4只IGBT器件IGBTl ~ IGBT4 組成的全橋逆變器可得到脈寬可調(diào)的高頻交流電。經(jīng)高頻變壓器耦合到副邊，再經(jīng)整流管D9 和D10整流和電感L2、電容C5 濾波，由此可以得到大小可變的低紋波直流電壓。
根據(jù)實(shí)際需要，監(jiān)測與控制單元選擇的單片機(jī)型號(hào)是由M ICROCH IP公司推出的P IC16C712,其內(nèi)部有容量為1KB ×14 的EPROM、128 ×8 的RAM,此外，還包括4個(gè)8位A /D, 3個(gè)定時(shí)器和1個(gè)CCP模塊。充電器的電壓和電流控制信號(hào)是由P IC16C712的CCP模塊輸出，經(jīng)過F /V轉(zhuǎn)換之后輸入到由美國Unitrode公司生產(chǎn)的移相式開關(guān)電源專用集成芯片UC3875的誤差放大器輸入端E /A + ,反相輸入端E /A - 接主電路輸出直流電流或直流電壓反饋信號(hào)，二者之間的切換由P IC16C712單片機(jī)控制中間繼電器實(shí)現(xiàn)。
1. 2 蓄電池充電器的溫度信號(hào)采集電路
在充電過程中，蓄電池的溫度是一個(gè)非常重要的參數(shù)。因?yàn)殂U酸蓄電池的電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，其值為- 4mV /℃，對(duì)于一個(gè)在環(huán)境溫度為25℃時(shí)工作很理想的充電器在環(huán)境溫度降到0℃時(shí)，蓄電池將出現(xiàn)充電不足的現(xiàn)象；而當(dāng)環(huán)境溫度升高到50℃時(shí)，蓄電池將出現(xiàn)過充電的現(xiàn)象，這將導(dǎo)致蓄電池壽命縮短。
因此，設(shè)計(jì)良好的充電器應(yīng)具有溫度檢測功能并能夠根據(jù)不同的環(huán)境溫度調(diào)整充電過程中的各轉(zhuǎn)換電壓值；同時(shí)，充電器還應(yīng)具備溫度保護(hù)功能，在充電過程中，當(dāng)蓄電池溫度超出限定的溫度范圍時(shí)充電器應(yīng)立即停止充電或進(jìn)入涓流充電，并且PIC16C712應(yīng)點(diǎn)亮故障指示燈以提示用戶出現(xiàn)何種異常。
由上分析可知，溫度檢測的準(zhǔn)確性將在很大程度上影響充電器的性能。為此，利用LM61B IM3溫度傳感器設(shè)計(jì)了溫度檢測電路，如圖3所示，該傳感器可以測量的溫度范圍為- 25℃~ + 85℃，線性度為10mV /℃，即：
圖3 溫度采集電路圖
2 蓄電池充電器的充電策略與算法設(shè)計(jì)
2. 1 蓄電池充電器的充電流程
根據(jù)鉛酸蓄電池的特點(diǎn)，將其充電過程分為4個(gè)階段：涓流短時(shí)充電、恒流快速充電、恒壓均衡充電、浮充電。其中第一階段和第二階段均為恒流充電，采取這種策略是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)研究證明多段恒流充電有利于充入更多的電量且可以減少對(duì)蓄電池的損傷、延長使用壽命。充電過程中各個(gè)階段充電電壓、充電電流隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。
圖4 充電流程曲線。
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（1）涓流短時(shí)充電（ T0 - T1 ）
蓄電池在充電初期可能已處于深度放電狀態(tài)（或可能已經(jīng)處于受損的狀態(tài)） ,為避免對(duì)蓄電池充電電流過大造成"熱失控", P IC16C712單片機(jī)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測蓄電池的電壓，對(duì)蓄電池進(jìn)行穩(wěn)定的小電流涓流充電，這樣有利于激活蓄電池內(nèi)的反應(yīng)物質(zhì)，部分恢復(fù)受損的蓄電池單元。在涓流充電階段，蓄電池電壓開始緩慢上升，當(dāng)蓄電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時(shí)則轉(zhuǎn)入恒流快速充電階段。
（2）恒流快速充電（ T1 - T2 ）
該階段充電電流保持恒定，蓄電池電壓上升較快，當(dāng)電壓上升至均衡充電壓閾值時(shí)，則轉(zhuǎn)入恒壓均衡充電階段。
（3）恒壓均衡充電（ T2 - T3 ）
該階段充電電壓保持恒定，蓄電池容量快速恢復(fù)。充電電流逐漸減小，當(dāng)電流下降至某一閾值時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充電階段。
（4）浮充電（ T3 - ）
該階段主要用來補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量，此時(shí)標(biāo)志著充電過程結(jié)束。
2. 2 蓄電池充電器的關(guān)鍵技術(shù)
2. 2. 1 蓄電池恒流充電電流的選擇
充電過程中包含兩個(gè)恒流充電過程：涓流短時(shí)充電和恒流快速充電。
涓流短時(shí)充電電流的選擇應(yīng)該根據(jù)蓄電池的剩余電量進(jìn)行選擇。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)于放電深度為80% ~100%的蓄電池，充電電流定在0. 2~0. 4A比較合適。
恒流快速充電電流的選擇要綜合考慮蓄電池容量、內(nèi)阻、對(duì)充電時(shí)間的要求、制造成本等多方面因素。按照應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，普遍認(rèn)為，該充電電流設(shè)置為0. 15~0. 3 C對(duì)蓄電池比較合適。電動(dòng)自行車用48V （20A·h）鉛酸蓄電池時(shí)采用的是20℃標(biāo)稱，但是實(shí)際容量往往只能達(dá)到15~17A·h.因此，依據(jù)該經(jīng)驗(yàn)看法，充電電流應(yīng)大致定在2. 25~5. 1 A之間，平均為3. 675A.
有設(shè)計(jì)者認(rèn)為減小充電電流具有3個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：
（1）可以使單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量降低，有利于在蓄電池的使用壽命末期和夏季保證充電質(zhì)量；
（2）可以減少極化（歐姆極化、濃差極化、電化學(xué)極化）現(xiàn)象的影響，有利于冬季充電；
（3）可以降低充電器的輸出功率，制造成本下降。但是也有設(shè)計(jì)者認(rèn)為，電動(dòng)車用蓄電池以較大電流短時(shí)間放電，充電接受率高， 所以可以增大充電電流（甚至推薦為5A）以提高充電速度。
通過對(duì)浙江天能、浙江超威、英國IBT和日本松下等電動(dòng)車用48V （ 20A·h）蓄電池進(jìn)行了長期的可靠性實(shí)驗(yàn)。在充電時(shí)，采用平均值為3. 5A并根據(jù)環(huán)境溫度動(dòng)態(tài)小幅度調(diào)整的恒流快速充電電流，蓄電池沒有明顯發(fā)熱，充電過程穩(wěn)定可靠。
2. 2. 2 蓄電池恒壓充電電壓的選擇
恒壓充電電壓的選擇非常關(guān)鍵，因?yàn)樗荒茉诤軐挼姆秶鷥?nèi)調(diào)整。確定這個(gè)參數(shù)不但需要對(duì)蓄電池有較為深人的了解，還需要對(duì)充電策略等因素進(jìn)行考慮。
蓄電池在充電時(shí)，正極上的析氧速率與施加的充電電壓成正比，而氧傳輸?shù)截?fù)極并溶解在負(fù)極表面液膜中進(jìn)行還原的速度受到限制，即氧的析出快于還原時(shí)，復(fù)合效率就下降，造成失水。通常情況下， 48V 閥控鉛酸蓄電池的浮充電壓設(shè)置在55 -55. 6 V,可以保證蓄電池長期處于充電狀態(tài)且極少失水。循環(huán)使用蓄電池最高充電電壓為58. 8V,如果超過就會(huì)使復(fù)合效率急劇下降，從而影響電池的使用壽命。
2. 2. 3 蓄電池是否充滿的判定
對(duì)蓄電池在充電過程中是否已充滿的判斷是充電器的重要指標(biāo)。如果蓄電池未充滿而錯(cuò)判為充滿將導(dǎo)致蓄電池欠充；反之，則將導(dǎo)致蓄電池過充。這兩種情況都會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的壽命。目前判斷蓄電池是否充滿的控制準(zhǔn)則有：定時(shí)控制、電壓控制（包含最高電壓、電壓負(fù)增量、電壓零增量等）、溫度控制（包括最高溫度、最高溫升、溫度變化率等）、電流控制（包含最小電流、電流變化量等）、動(dòng)態(tài)內(nèi)阻控制等。
在實(shí)際應(yīng)用中，如果以單一的控制的方式都將不可避免地存在缺陷。比如，在恒壓均衡充電過程中，電壓保持恒定，電流會(huì)隨著充電的進(jìn)程逐漸減小，當(dāng)小到一定程度電流將會(huì)恒定，不再下降，這時(shí)的電能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)很低，電能主要用于電解水，一般認(rèn)為這個(gè)電流為蓄電池恒壓均衡充電的殘余電流。然而，殘余電流的大小將隨著環(huán)境溫度的變化而變化，也就是說殘余電流是一個(gè)受內(nèi)、外界多重因素影響的動(dòng)態(tài)值。若沒有溫度控制，最高充電電壓和切換電流都只能設(shè)置成定值，而這個(gè)定值無論如何設(shè)置，都只能在一個(gè)相對(duì)較小的范圍內(nèi)成為最佳設(shè)置。為此，設(shè)計(jì)的充電器通過對(duì)電壓、電流、溫度等工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并按模糊理論的評(píng)判規(guī)則對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行綜合分析，從而確定蓄電池是否充滿。
2. 3 蓄電池充電器的軟件架構(gòu)
P IC16C712單片機(jī)的軟件模塊主要完成對(duì)傳感器的輸入信號(hào)進(jìn)行采集、對(duì)電源專用芯片UC3875進(jìn)行控制、對(duì)異常進(jìn)行處理等工作。在設(shè)計(jì)過程中，軟件系統(tǒng)每隔10 s檢測一次電壓和電流； 每隔20 s檢測一次溫度。如有異常，系統(tǒng)將通過LED提示用戶出現(xiàn)何種異常并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。整個(gè)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，如圖5所示。
圖5 軟件架構(gòu)
