電動(dòng)車用48V （20A·h）蓄電池充電器的研究

近年來，電動(dòng)車作為一種新型的綠色交通工具得到了迅猛的發(fā)展，并呈現(xiàn)出向大功率、高速化和功能多樣化的發(fā)展趨勢。因此，電動(dòng)車對(duì)蓄電池的使用壽命、續(xù)行里程等性能提出的要求比以往更加苛刻。實(shí)驗(yàn)研究表明：影響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。

為此，開發(fā)一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具備適用功率大( 100 ~500W ) 、性能可靠等特點(diǎn)的電動(dòng)車用48V (20A·h)蓄電池充電器以滿足電動(dòng)摩托車、卡丁車、沙地車等電動(dòng)車發(fā)展的迫切需要。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 充電器原理與硬件設(shè)計(jì)

1. 1 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。

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 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 充電策略與算法設(shè)計(jì)

2. 1 充電流程