电动汽车铅酸电池脉冲快速充电系统设计

段朝伟 张 雷 刘 刚

(河南机电高等专科学校自动控制系，河南 新乡 450003)

0 引言

绿色环保的电动汽车是21世纪人们研究的重要课题[1]。传统的汽车电池充电技术充电时间长和能量可接受率不够高的问题也日益凸显，电池快速、高效、安全充电的问题是当下急需解决的问题。一直以来，铅酸电池以其低廉的价格和成熟的制作技术，在电动汽车领域得到了大规模的应用。但是若使用铅酸电池的方法不当，不但会大大缩短电池的寿命、浪费材料，而且还会增加使用成本。经过调查研究得知，对电池使用时间长短影响最大的是电池的充电方式。因此，找出合理的充电方式对延长电池使用寿命具有积极意义[2]。

目前，一般的电池充电器一次充电时间要求达到8～16 h，显然难以满足电动汽车快速充电的要求。因此，设计一种快速、节能和安全的智能充电系统，是绿色环保汽车普及的重要前提。本课题将重点研究电池脉冲控制充电过程的监控保护、电池充电时间以及电池能量接受率等方面的内容。

1 系统平台的总体结构设计

整个智能充电系统由充电器和PC机监控2个模块组成，分别对应下位机模块和上位机模块。智能充电系统的总体结构框图如图1所示[3]。

图1 充电系统的整体结构设计框图Fig.1 The overall structure of the charging system

充电电路部分是系统的核心部件，MSP430F1612单片机作为控制器，由其产生PWM波控制MOSFET驱动电路;开关器件(场效应管V)根据设定的PWM波频率做通、断动作，从而实现充电电路对蓄电池的快速充电。上位机PC通过RS-232总线与单片机实现通信，将充电现场的电池充电电压、电流以及温度数据进行存储，从而实现历史数据浏览分析，便于系统后期的改进[4]。

2 系统的硬件电路设计

根据充电系统的整体结构，下面主要介绍上位机模块与下位机模块的通信电路和下位机充电器的电路设计[5－7]。

2.1 上位机与下位机通信电路设计

由于单片机与上位机PC的接口电平不同，通信电路采用RS-232总线技术和美信MAX232转换芯片，既实现了距离为20 m左右的异步通信，又实现了充电过程中铅酸电池的电压、电流和温度等信息的保存。上位机与下位机通信RS-232接口电路如图2所示。

图2 RS-232串口电路Fig.2 RS-232 serial interface circuit

MAX232芯片引脚11接收来自MSP430F1612串行发送端UTXD0(TTL/COMS电平)的信号，经转换后的电平信号由其引脚14发送到上位机RS-232串口的Rxd(接收端);同理，MAX232芯片引脚13接收来自PC机RS-232串口Txd(发送端)的电平信号，转换的信号由引脚12发送到MSP430F1612单片机的接收端URXD0，从而实现了MSP430F1612单片机的TTL电平与PC机的有效数据交换。

2.2 下位机充电器的电路设计

2.2.1 充电器充电电路设计

充电器充电电路如图3所示。

图3 充电器充电电路Fig.3 The charging circuit of charger

充电电路采用220 V交流供电，经变压器降压、二极管桥式电路(由 D1、D2、D3、D4组成)整流和电容 C1滤波后，在MSP430单片机产生的PWM波的控制下，经MOSFET驱动电路实现场效应管V的通断;最后经过电感线圈L和电容C2的的充放电，达到对铅酸电池充电的目的。

充电器的工作原理说明如下。

当通断开关(晶体管V)在PWM波控制下处于导通状态时，整个电路形成充电回路，经电感线圈L对蓄电池进行充电。由于续流二极管VD处于反向偏置状态，二极管VD截止，此时电感线圈L上的电流IL随着充电时间t的增加而增大，储存在电感线圈内的磁能和电容C2存储能量也随之增大。反之，在通断开关V置于截止状态时，充电回路重新断开，续流二极管VD在线圈L内部产生的磁感应电动势驱动单向导通，电感线圈L、二极管VD、电池形成回路。此时电感线圈L通过续流二极管VD对蓄电池经行充电，随着充电过程中线圈L上磁能的减少，其流过的电流IL和电压UL也逐渐变小，一旦UL小于电容C2上的电压UC时，电容C2将对蓄电池继续充电。电容C放电时间的长短，由电路的时间常数τd决定，τd越大，放电时间越长。为了能够让蓄电池连续处于连续冲电状态，选用合适的充电电容、电感线圈和PWM波频率，以减小充电时间、增强电压的平稳度，同时缓解电池的极化现象，使充电器有效可靠。

2.2.2 充电器控制电路

充电器控制电路主要包括外围输入输出、MOSFET驱动和电池电压、电流、温度检测等电路。控制核心采用数据处理功能强大且超低功耗的16位MSP430F1612单片机，其内部固化有AD/DA转化电路，便于处理外部传递过来的数据信息。

单片机MSP430F1612的控制电路如图4所示。

图4 MSP430F1612控制电路Fig.4 The control circuit of MSP430F1612

3 快速充电系统的软件设计

3.1 单片机控制主程序

充电器MSP430单片机控制流程图如图6所示。

图5 单片机控制主程序流程图Fig.5 The main control program flow of MCU

在MSP430单片机初始化后，根据预设的充电参数充电器对蓄电池进行充电。检测电路采集电池电压、电流和温度等信号后，将这些信号送显示设备加以及时显示，并通过RS-232总线传递到上位机PC。当充电参数超过设定值时，暂停充电并启动报警保护，单片机会对充电电路的PWM波占空比作出相应微调。在满足现阶段的充电要求后，重新对电池进行充电。当检测到电池充满电后，单片机调用充电程序，关闭充电电源、停止充电，以防止过度充电对电池造成不必要的损害。

一般来讲，温度过高引起的危害较大，所以本文针对温度超限，设计了过温保护程序。

3.2 上位机人机交互界面软件设计

快速充电系统的上位机人机交互界面采用VC作为开发工具。按照模块化处理，系统界面设有用户登陆、电池状态、历史数据、打印记录等菜单，用户可以对蓄电池的温度、充电电压、充电电流等信息进行实时监控。

4 试验结果分析

为了检验带放电的铅酸电池脉冲快速充电系统性能，本文通过多次试验，采集了系统充电时间、能量接受率和电池温升等重要指标的测试平均数据。恒流恒压、分阶段变电流、带放电的脉冲3种充电方式对比数据如表1所示。

表1 3种充电方式试验数据比较Tab.1 Experimental comparison of three charging ways

由表1可知，带放电的电流脉冲充电方式较传统的充电方式(以恒压/恒流方式为例)的充电时间缩短了20%左右，充电接受率提高了近10%，虽然温升幅度略有上升，但相差不大，都在安全范围之内。由此可见，带放电的脉冲充电在充电时间和能量接收率方面均有不小的进步，并有效缓解了电池的极化现象;后期可以在温升方面做进一步的改善，以加强系统的安全性能[8－10]。

5 结束语

从试验结果来看，利用带放电的脉冲充电方式虽然在温升方面的控制还有一定的提高空间，但仍在安全控制范围内;鉴于其在充电时间和能量接受率方面都有了很大提高，长远来讲，该方式能满足电动汽车长远发展趋势的要求。本文采用带放电的脉冲充电方式，结合软硬件的合理设计，达到了快速充电的效果。针对当前国家大力提倡的节能环保政策，设计的电动汽车铅酸电池快速充电系统具有广阔的发展前景。

[1]孙逢春.电动汽车：21世纪的重要交通工具[M].北京：北京理工大学出版社，1997：4 －20.

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