一種可視化智能充電機的設(shè)計

1 概述

隨著全球綠色能源計劃的推進，電動車、電動汽車有了迅猛發(fā)展，這種發(fā)展勢頭有持續(xù)高升的趨勢。在美國加州，電動車輛占有80%的市場份額，而且這種比例仍將進一步擴大。如此大的銷售量就使得它的價格、壽命非常敏感。而占整機價格20%的鉛酸蓄電池的壽命無疑是我們關(guān)注的焦點。業(yè)界廣為流傳的一句話就是：電池不是用壞的，是充壞的。原因是隨著電池的使用，電池的特性發(fā)生了變化，而充電器的充電方式不能跟隨電池特性而變化，導(dǎo)致電池逐漸被充壞。目前市場上的充電裝置不能有效控制充電過程，容易造成電池欠充、過充甚至被損壞的惡果。電池充滿時，電池會發(fā)熱，這時若沒有熱保護電路則會造成過充電，還會因為高溫而造成電池外殼變形。針對此問題筆者設(shè)計了一種新型充電器。它分兩部分：智能充電機本體和上位機界面。它可以提供多種充電模式，并可設(shè)置充電的一些參數(shù)，并可以實時地進行數(shù)據(jù)采集并存入數(shù)據(jù)庫，然后分析結(jié)果，確定蓄電池的性能狀況、使用狀況和電解液濃度，以便及時對蓄電池進行維護。電動車、電動汽車的電池一般有多個單體電池組成，在上位機上可以設(shè)置單體的個數(shù)、容量，還可以對某一已編號的電池組的歷史充電曲線進行查詢，所以此系統(tǒng)通用性較強。也就是說此系統(tǒng)可以對不同型號的各類電池進行充電維護。智能充電器是可以脫離上位機獨立工作的，它有一套默認的設(shè)置，當(dāng)沒有收到上位機的命令時它會按照默認設(shè)置工作，此時只能對某一種電池組充電。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

充電器一般放在車庫里，而上位機軟件則需要裝在居室中的PC機上，為實現(xiàn)系統(tǒng)兩部分間的數(shù)據(jù)傳輸，我們權(quán)衡價格和實用性選取長線傳輸： RS - 485通信。它的通信距離可達1. 2 Km,而且價格相對低廉。系統(tǒng)的充電機本體部分我們選用價格低廉的holtek單片機作為主控制芯片，上位機軟件則用VB進行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫通過VB提供的數(shù)據(jù)庫管理工具建立。

3 智能充電機本體設(shè)計

充電機本體實際上是一個實時監(jiān)測和控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它按照接收到的上位機命令完成對蓄電池充電過程的監(jiān)控，并實時地將檢測到的充電參數(shù)返回給上位機，這些參數(shù)包括蓄電池端電壓、充電電流和電池溫度等。圖2的主充電路實現(xiàn)充電電流、電壓的控制，是充電機的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。圖3的均衡電路解決由于電池制造工藝的不同等原因引起的電量不均衡； 485接口電路實現(xiàn)充電機本體與上位機的通信；電流、電壓、溫度檢測電路實時地檢測充電的電流、電壓和電池溫度。

圖1 充電機結(jié)構(gòu)框圖

圖2 主充電路

圖3 均衡電路

在主充電路中， 220 V電壓經(jīng)變壓器降壓后，由整流器整流和大電容C1 平滑濾波，作為直流充電電源。MOSFET、二極管D1、電感L1 和電容C2 構(gòu)成主充電路。在工作過程中， PWM控制信號的高電平脈沖出現(xiàn)，使MOSFET導(dǎo)通之后，電感L1 的電流不斷增大，電容C2 充電，主充變換器不斷存儲能量，同時通過電感L2 對電池充電，此時，續(xù)流二極管因反向偏置而截止。經(jīng)過PWM高電平脈沖持續(xù)時間后， PWM信號變低，MOSFET截止，電感L1 中的電流減小， L1 兩端的感應(yīng)電動勢使續(xù)流二極管導(dǎo)通， L1 中的存儲電流和電容C2 存儲電荷向電池充電。經(jīng)過PWM信號的低電平持續(xù)時間后， PWM信號的又一高電平脈沖到來，再度使MOSFET導(dǎo)通，上述過程循環(huán)交替。電感L2 的作用是平滑充電電流[ 4 ] .

在均衡電路中，以4節(jié)電池為例，當(dāng)對第二節(jié)電池均衡時，開啟MOS管Q2,蓄電池C2通過Q2給電感L1、L2充電，然后關(guān)斷MOS管Q2,則電感L1中的電流通過二極管D1回饋給蓄電池C1,電感L2中的電流通過二極管D3和D4回饋給蓄電池C3和C4,以達到各個單體均衡的效果。

4 上位機界面設(shè)計及數(shù)據(jù)庫的建立

長期的用戶調(diào)研和質(zhì)量服務(wù)告訴我們，上位機界面開發(fā)的總體任務(wù)是：方便用戶設(shè)置和修正充電參數(shù)，解決由于鉛酸蓄電池的使用及維護保養(yǎng)不到位造成的蓄電池早期報廢問題。為了使用戶在使用過程中及時發(fā)現(xiàn)蓄電池存在的問題，從而及時采取相應(yīng)的補救措施，為此我們使用VB開發(fā)出了上位機軟件，它具有可視化、簡單易學(xué)、操作簡便的特點，并具備從充電參數(shù)設(shè)置、繪制充電曲線、存儲充電曲線、充電過程分析、充電記錄的查詢、刪除、打印到充電報警等全套充電分析功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.

圖4 上位機界面框圖

在參數(shù)設(shè)置中可以對框圖中所示的條目進行設(shè)置，使得該系統(tǒng)具有很強的通用性。電動車電池一般由幾個單體組合而成，可以選擇單體個數(shù)以確定電池組的電壓和容量。該系統(tǒng)提供了如框圖所示的三種充電模式，一般新電池前五次充電要進行初充電以充分激活電解質(zhì)，當(dāng)單體電量不同時要均衡充電，其余時正常充電。還可以按照需求設(shè)置不同充電階段的充電時間，來滿足各種電池的不同需求；實時充電曲線實時地顯示充電電流、電壓和電池溫度；歷史充電曲線可以顯示該電池組充電歷史；通過分析充電過程曲線即可了解電池存在的問題，如：蓄電池缺乏電解液、電解液比重不符合要求或蓄電池單體存在差異等，從而及時的對電池進行保養(yǎng)；該系統(tǒng)還提供了按日期或電池編號查詢、刪除充電記錄的數(shù)據(jù)庫功能，方便了操作；報警提示用來告知用戶充電的過壓、過流、過熱情況以及充電是否結(jié)束。

4. 1 上位機界面的設(shè)計

按照圖4所示的功能框圖設(shè)計的VB界面如圖5.

圖5 系統(tǒng)主界面

4. 1. 1 充電曲線的繪制

首先繪制坐標(biāo)系，包括定位坐標(biāo)原點、繪制X軸（充電時間值） 、Y軸（充電電流、充電電壓、充電溫度值） 、標(biāo)注軸上的刻度線以及打印與刻度線對應(yīng)的刻度值；然后要繪制曲線，由于傳到上位機上的數(shù)據(jù)是具有相等時間間隔的一些點，而我們要繪制曲線，所以我們用拋物線法進行曲線擬合。具體方法如下：

給定N個點P1 , P2 , ……, PN ,對相鄰三點Pi , Pi + 1 , Pi + 2及Pi + 1 , Pi + 2 , Pi + 3 , i = 1……N - 2,反復(fù)用拋物線算法擬合，然后對相鄰拋物線在公共區(qū)間Pi + 1到Pi + 2范圍內(nèi)，用權(quán)函數(shù)t與1 - t進行調(diào)配，使其混合為一條曲線，可表示為：

其中， Si 為Pi , Pi + 1 , Pi + 2三點決定的拋物線曲線， Si + 1為Pi + 1 , Pi + 2 , Pi + 3三點決定的拋物線曲線，混合后的曲線S在Pi + 1到Pi + 2公共段內(nèi)，是Si 的后半段與Si + 1的前半段加權(quán)混合的結(jié)果。S 曲線在公共段內(nèi)的參數(shù)方程可寫為：

其中t2 ∈[ 0, 0. 5 ], t1 = t2 + 0. 5∈[ 0. 5, 1 ]。

式中a1x , b1x , c1x , a1y , b1y , c1y為Si 段曲線的系數(shù)，由Pi , Pi + 1 , Pi + 2三點控制，參變量為t1 ,在公共段范圍內(nèi)t1∈[0. 5, 1 ];式中a2x , b2x , c2x , a2y , b2y , c2y為Si + 1段曲線的系數(shù)，由Pi + 1 , Pi + 2 , Pi + 3三點控制，參變量為t2 ,在公共段范圍內(nèi)t2 ∈[0, 0. 5 ]。

顯然，當(dāng)t1 = 0. 5, t2 = 0時， S = Si;當(dāng)t1 = 1, t2 = 0. 5時， S = Si + 1。

用這種方法擬合的自由曲線，在P2 到PN - 1各已知點的左、右側(cè)能達到一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，而當(dāng)曲線兩端沒有一定的端點條件限制時，則曲線各有一段曲線不是加權(quán)混合的形式，而只是S1 的前半段和SN - 2的后半段。繪制的電流充電曲線如圖6所示：

圖6 電流充電曲線

4. 2 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計了三個數(shù)據(jù)庫，用于標(biāo)準(zhǔn)充電曲線存儲、實際充電曲線存儲及分析結(jié)果存儲。使用VB6. 0提供的數(shù)據(jù)庫管理工具可視化數(shù)據(jù)管理器建立。其中實際充電曲線數(shù)據(jù)表如表1所示，數(shù)據(jù)庫的建立方便了對電池的查詢、分析，同時也方便了管理。

表1 實際充電曲線數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語

本文率先在行業(yè)內(nèi)提出將數(shù)據(jù)庫技術(shù)、可視化技術(shù)及PC機等應(yīng)用于智能充電機中，從而簡化了充電操作，方便了參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整（友好的操作界面） ,擴大了充電機的適用范圍，降低了用戶的使用成本，提升了整個系統(tǒng)的技術(shù)先進性。更關(guān)鍵的是為用戶對蓄電池關(guān)鍵部件的科學(xué)管理提供了一個良好的平臺，為有效提高蓄電池使用壽命提供了保障。