电动车用48V （20A·h）

在研究电动车用蓄电池特性及其充电策略和充电算法的基础上，研制了一款基于P IC16C712单片 机的4段式（涓流短时充电、恒流快速充电、恒压均衡充电、浮充电） 48V （20A·h）蓄电池充电器。该充电 器能够对充电过程进行实时监测与控制，使充电过程按设定的理想充电曲线进行。测试表明，该充电器既能完 成快速充电又能对蓄电池进行有效的保护。 近年来，电动车作为一种新型的绿色交通工具得到了迅猛的发 展，并呈现出向大功率、高速化和功能多样化的发展趋势。因此，电动车对蓄电池的使用寿命、续行里程等性 能提出的要求比以往更加苛刻。实验研究表明：影响蓄电池性能的因素多种多样，如电动车的装配性能、行驶 电流、充电策略等。 其中蓄电池的充电过程对其寿命影响最大，过充电、充电不足是引起蓄电池故障的主 要原因。所以，必须通过设计合理的充电策略和充电算法以有效地减少蓄电池的损伤、减少充电损耗、提高充 电速度。 为此，开发一种具有自主知识产权，具备适用功率大（ 100 ~500W ） 、性能可靠等特点的电 动车用48V （20A·h）蓄电池充电器以满足电动摩托车、卡丁车、沙地车等电动车发展的迫切需要。该充电器 以P IC16C712作为实时监控和中心控制单元，采用PWM DC-DC全桥变换器作为主电路，使得该充电器能够 根据蓄电池的充电特性自动调节输出电压、电流，进行智能充电，并且能够对充电器的运行状态进行实时监 测，若有异常，能及时地进行保护。此外，该充电器还具有体积小、重量轻、精度高、充电速度快、性能稳定 等显着优点。 1 充电器原理与硬件设计 1. 1 总体设计 目前，电动车电池作为一种储能装置，主 要以铅酸蓄电池为主，充电器是专门针对铅酸蓄电池所设计的。传统的蓄电池充电器采用电流/电压负反馈的方 法来达到恒流/恒压充电的目的，为了实现充电过程各种工作参量的实时监测及智能多段式充电策略的精确控 制，引入电流/电压反馈环，应用P IC16C712 单片机及相应的控制电路，其硬件结构框图如图1所示，电路图 如图2所示。 图2 电路原理图 由图1和图2可以看出，蓄电池充电器主要由开关电源单元（电源变压器、整流电路及滤波电 路）和监测与控制单元（传感器、电源专用集成芯片UC3875及微控制器P IC16C712）两部分组成。 在开关 电源单元，单相220V /50Hz的交流电需经过全桥整流及大电容低频滤波稳压，然后经过4只IGBT器件IGBTl ~ IGBT4 组成的全桥逆变器可得到脉宽可调的高频交流电。经高频变压器耦合到副边，再经整流管D9和D10 整流和电感L2、电容C5 滤波，由此可以得到大小可变的低纹波直流电压。 根据实际需要，监测与控制单元选 择的单片机型号是由M ICROCH IP公司推出的P IC16C712,其内部有容量为1KB ×14 的EPROM、 128 ×8 的RAM,此外，还包括4个8位A /D, 3个定时器和1个CCP模块。充电器的电压和电流控制信号是由P IC16C712的CCP模块输出，经过F /V转换之后输入到由美国Unitrode公司生产的移相式开关电源专用集成芯 片UC3875的误差放大器输入端E /A + ,反相输入端E /A - 接主电路输出直流电流或直流电压反馈信号，二者 之间的切换由P IC16C712单片机控制中间继电器实现。 1. 2 温度信号采集电路 在充电过程中，蓄电池的温 度是一个非常重要的参数。因为铅酸蓄电池的电压具有负温度系数，其值为- 4mV /℃，对于一个在环境温度为 25℃时工作很理想的充电器在环境温度降到0℃时，蓄电池将出现充电不足的现象；而当环境温度升高到50℃ 时，蓄电池将出现过充电的现象，这将导致蓄电池寿命缩短。 因此，设计良好的充电器应具有温度检测功能并 能够根据不同的环境温度调整充电过程中的各转换电压值；同时，充电器还应具备温度保护功能，在充电过程 中，当蓄电池温度超出限定的温度范围时充电器应立即停止充电或进入涓流充电，并且PIC16C712应点亮故障 指示灯以提示用户出现何种异常。 由上分析可知，温度检测的准确性将在很大程度上影响充电器的性能。为 此，利用LM61B IM3温度传感器设计了温度检测电路，如图3所示，该传感器可以测量的温度范围为- 25℃~ + 85℃，线性度为10mV /℃，即： 图3 温度采集电路图 2 充电策略与算法设计 2. 1 充电流程 根据铅酸蓄电池的特点，将其充电过 程分为4个阶段：涓流短时充电、恒流快速充电、恒压均衡充电、浮充电。其中第一阶段和第二阶段均为恒流充 电，采取这种策略是因为实验研究证明多段恒流充电有利于充入更多的电量且可以减少对蓄电池的损伤、延长 使用寿命。充电过程中各个阶段充电电压、充电电流随时间变化的曲线如图4所示。 图4 充电流程曲线。 （1）涓流短时充电（ T0 - T1 ） 蓄电池在充电初期可能已处于深度放电状态 （或可能已经处于受损的状态） ,为避免对蓄电池充电电流过大造成"热失控", P IC16C712单片机通过实时监 测蓄电池的电压，对蓄电池进行稳定的小电流涓流充电，这样有利于激活蓄电池内的反应物质，部分恢复受损 的蓄电池单元。在涓流充电阶段，蓄电池电压开始缓慢上升，当蓄电池电压上升到能接受大电流充电的阈值时 则转入恒流快速充电阶段。 （2）恒流快速充电（ T1 - T2 ） 该阶段充电电流保持恒定，蓄电池电压 上升较快，当电压上升至均衡充电压阈值时，则转入恒压均衡充电阶段。 （3）恒压均衡充电（ T2 - T3 ） 该阶段充电电压保持恒定，蓄电池容量快速恢复。充电电流逐渐减小，当电流下降至某一阈值时，自动 转入浮充电阶段。 （4）浮充电（ T3 - ） 该阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，此时标志 着充电过程结束。 2. 2 关键技术 2. 2. 1 恒流充电电流的选择 充电过程中包含两个恒流充电过程： 涓流短时充电和恒流快速充电。 涓流短时充电电流的选择应该根据蓄电池的剩余电量进行选择。经过大量 的实验研究表明，对于放电深度为80% ~100%的蓄电池，充电电流定在0. 2~0. 4A比较合适。 恒流快 速充电电流的选择要综合考虑蓄电池容量、内阻、对充电时间的要求、制造成本等多方面因素。按照应用经 验，普遍认为，该充电电流设置为0. 15~0. 3 C对蓄电池比较合适。电动自行车用48V （20A·h）铅酸蓄电池