電動汽車多功能充電系統(tǒng)技術(shù)原理及應(yīng)用

引言

由于石油危機(jī)和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染，電動汽車發(fā)展已經(jīng)是大勢所趨。蓄電池為電動汽車提供動力，而蓄電池充電性能直接影響蓄電池的使用和壽命，蓄電池一般分為鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。由于蓄電池種類繁多且容量不一，不同種類和容量的蓄電池往往需要不同的充電器匹配，如果蓄電池的充電器匹配不好會出現(xiàn)過充過熱等不安全現(xiàn)象，從而影響蓄電池的正常使用并縮短蓄電池壽命。因此，設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)控制的能為各類蓄電池充電的多功能充電系統(tǒng)是十分必要的。多功能充電系統(tǒng)能快速穩(wěn)定地為不同類型和不同容量的蓄電池充電，我們在軟件上針對不同類型的蓄電池設(shè)計(jì)了相應(yīng)的充電方法，使每種蓄電池都能在最佳充電方法下充電。對于不同容量的蓄電池，在選擇好充電方法時(shí)只要設(shè)定充電參數(shù)即可快速穩(wěn)定地為蓄電池充電。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用移相全橋軟開關(guān)電路，即將Boost電路與全橋變換器合成一起組成單級PFC電路，該電路結(jié)構(gòu)簡單、效率高，可以實(shí)現(xiàn)對輸入電流的整定，又可以工作在較大功率場合，發(fā)揮了全橋電路的優(yōu)勢。

系統(tǒng)主要由充電主電路和充電控制回路組成，圖1為多功能充電系統(tǒng)硬件原理圖。

1.1 系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)采用了開關(guān)電源技術(shù)，最大功率為3500W，先將220V單相工頻交流電，經(jīng)4個(gè)二極管組成全橋電路進(jìn)行整流，再經(jīng)過大電容濾波得到300V左右的直流電，此時(shí)直流電中紋波較大。直流電通過由4個(gè)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)組成的全橋逆變器，得到電壓可調(diào)的高頻交流電，經(jīng)高頻變壓器耦合到副邊，再經(jīng)全橋整流，最后經(jīng)電感電容濾波得到紋波很小的直流電為蓄電池充電。多功能充電系統(tǒng)能為不同類型的蓄電池及容量不同的蓄電池充電，其充電過程中的充電電壓、電流通過單片機(jī)實(shí)時(shí)控制，整個(gè)充電系統(tǒng)為反饋控制系統(tǒng)，單片機(jī)通過實(shí)時(shí)檢測充電過程中的電流、電壓及溫度監(jiān)測整個(gè)充電過程，有效地避免了充電過程中過流、過壓及過熱現(xiàn)象，使充電過程安全穩(wěn)定地進(jìn)行。

逆變橋前的空氣開關(guān)是為了防止電路中出現(xiàn)短路或大電流損壞蓄電池或電子器件。單片機(jī)通過檢測充電電流、電壓及溫度與充電前的設(shè)定值進(jìn)行比較，控制輸出4路PWM波到4個(gè)IGBT的柵極，從而控制其集電極到發(fā)射極電流通斷時(shí)間，達(dá)到控制輸出電壓的目的。

由于IGBT需隔離驅(qū)動，本設(shè)計(jì)選用了三菱公司IBGT專用驅(qū)動芯片M57962L，圖2是其應(yīng)用電路。

由于選用了4只IGBT組成全橋逆變器，每個(gè)IGBT需要一個(gè)M57962L芯片驅(qū)動，而每個(gè)M57662L芯片需要3個(gè)電壓等級即15V、l0V、5v為其供電，其中5v電壓同時(shí)為MC9S12XS128單片機(jī)供電，本文設(shè)計(jì)了一款功率為50W的變壓器，為單片機(jī)及4個(gè)M57962L芯片供電，其次級繞組輸出3組電壓，經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓后，得到上述所需的3個(gè)電壓。

1.2 充電控制回路

選用飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)作為控制核心進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，其內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器8KB、程序存儲器128KB，2個(gè)SCI、1個(gè)SPI、1個(gè)IIC、1個(gè)CAN、16路A/D、8路PWM、8路ECT模塊，其工作頻率為80MHz，運(yùn)算速度快，處理能力大大提高。該芯片集成了l6路l2位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，能直接對蓄電池的充電電壓、電流及溫度進(jìn)行檢測，8路PWM可直接輸出到M57962L芯片控制IGBT的通斷，簡化了單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)。

1.2.1 電壓檢測

本系統(tǒng)選用電阻分壓式結(jié)構(gòu)，并聯(lián)在充電電路中監(jiān)測電壓信號，電壓信號從PAD0口經(jīng)單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換器傳至單片機(jī)進(jìn)行處理，這種結(jié)構(gòu)能根據(jù)外面的實(shí)際電壓自動選用相應(yīng)的量程檢測電壓，使電壓越小時(shí)，檢測到的電壓精度越高，有助于更精確地控制充電過程中的充電電壓的變化。

1.2.2 電流檢測

本系統(tǒng)選用霍爾式電流傳感器檢測充電電流信號，并將檢測到的電流信號經(jīng)過一定的換算處理從PAD1口經(jīng)單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器傳至單片機(jī)進(jìn)行處理，該傳感器精度高，能精確的檢測到充電電流0.1A的變化。

1.2.3 溫度檢測

本系統(tǒng)選用熱敏電阻檢測充電過程中電池溫度信號，實(shí)際應(yīng)用時(shí)將熱敏電阻貼在電池上檢測電池溫度，該熱敏電阻能準(zhǔn)確檢測到充電過程中電池溫度的變化量，溫度信號經(jīng)PAD2口傳至單片機(jī)進(jìn)行處理，防止充電過程中電池過熱，使充電過程能平穩(wěn)、安全的進(jìn)行。

1.2.4 液晶顯示模塊

本系統(tǒng)選用帶中文字庫的12864液晶屏，液晶屏模塊與單片機(jī)的PA、PB口相連。

能實(shí)時(shí)顯示充電過程中的充電電壓、充電電流以及電池的端電壓和溫度，并在空閑時(shí)能顯示日歷、4路PWM波的占空比等。

1.2.5 按鍵輸入

選用4x4矩陣鍵盤。通過按鍵可切換到蓄電池充電方法選擇、充電參數(shù)設(shè)定、日歷調(diào)整、4路PWM波的占空比顯示及充電電壓、充電電流、電池的端電壓和溫度顯示等界面。

1.2.6 PWM輸出

PWM的輸出頻率由一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)定的高頻交流電交變周期決定，本系統(tǒng)PWM波形選用左對齊的方式，每路PWM的占空比：[(PWMPERx—PWMDTYx)/PWMPERx]×100%，其中PWMPERx表示PWM通道寄存器，PWMDTYx表示PWM通道占空比寄存器。

2 軟件設(shè)計(jì)

多功能充電系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件用C語言編寫，經(jīng)過匯編、仿真調(diào)試寫入單片機(jī)的內(nèi)部程序存儲器中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)層次化、功能模塊化，軟件的可讀性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性強(qiáng)。

多功能充電系統(tǒng)針對不同類型的蓄電池，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的充電方法，軟件主要由初始化、充電前電池好壞檢測、充電階段和充電保護(hù)等部分組成。

本系統(tǒng)主要應(yīng)用磷酸鐵鋰進(jìn)行試驗(yàn)，其充電階段由小電流充電階段、恒流充電階段、恒壓充電階段3部分組成，其程序流程圖如圖3所示。

充電階段：電池檢測程序完成后，開始對電池進(jìn)行小電流充電，充電速率約為1/5C左右;當(dāng)小電流充電至電池電壓達(dá)到參考值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入恒流充電階段，此階段為蓄電池的快速充電階段，充電速率為1-2C;當(dāng)充電電壓達(dá)到設(shè)定的電池的最大充電電壓時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入恒壓充電階段，隨著電池電壓逐漸上升，充電電流逐漸減小;當(dāng)充電電流減d,N設(shè)定參考值時(shí)，系統(tǒng)判斷蓄電池充足停止充電。

充電保護(hù)部分：充電過程中不斷監(jiān)測電池電壓是否超過安全值、溫度或溫度變化率是否達(dá)到限定值，如有上述情況立即終止充電。檢測電池電壓是為了防止鋰離子電池和鉛蓄電池過充，檢測溫度和溫度變化率是否達(dá)到限定值，是為了防止鎳氫和鎳鎘電池過充。

上述充電階段是針對鋰離子電池設(shè)計(jì)的，實(shí)際中主要用磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對于其它類型蓄電池，在軟件上設(shè)定了相應(yīng)的充電方法：鉛蓄電池充電階段同鋰離子電池，即先小電流預(yù)充，再恒流充電、最后恒壓充電，當(dāng)恒壓充電電流小到一定程度時(shí)，系統(tǒng)判斷電池充足并停止充電;鎳鎘電池，先小電流預(yù)充，再快速恒流充電，當(dāng)檢測到電池電壓第一次下降時(shí)，系統(tǒng)判斷電池充足并停止充電;鎳氫電池，先小電流預(yù)充，再快速恒流充電，當(dāng)電池電壓出現(xiàn)零增長時(shí)，判斷電池充足并停止充電。

鉛蓄電池和鋰離子電池自放電率低，電池充滿后可直接停止充電，鎳氫和鎳鎘電自放電率高，如夜間無人看守充電時(shí)，可在電池充足后采用涓流充電方式給電池補(bǔ)充電荷，使蓄電池保持充足電狀態(tài)。

3 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的多功能充電系統(tǒng)能正常工作，輸出的直流電壓平穩(wěn)、紋波小，充電過程控制精度高，能快速穩(wěn)定地為各類蓄電池充電，并在蓄電池充滿電后及時(shí)停止充電，有實(shí)際應(yīng)用推廣價(jià)值。