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(無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 宜興 214206)

車載智能充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

范雪，張愛良，張偉

(無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇宜興214206)

設(shè)計(jì)一款車載智能充電器，根據(jù)電池容量、當(dāng)前電壓值及電池溫度調(diào)節(jié)充電電流、充電電壓及充電時(shí)間；并通過充電器閉環(huán)拓?fù)浞答佅到y(tǒng)實(shí)時(shí)評估電池狀態(tài)、對充電流程及模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保充電最優(yōu)化及效率最大化；文章根據(jù)車載電池使用說明及充電需求，提出一種智能充電流程，并重新設(shè)計(jì)工作模式與功能，對充電器的軟件及硬件系統(tǒng)進(jìn)行探索開發(fā)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明智能充電器不僅可提高充電效率，對電池的壽命維護(hù)及安全使用都有巨大改善。

智能充電器;電流選擇;溫度保護(hù);車載充電器;智能控制

0 引言

車載蓄電池的使用壽命一般為兩年至三年，主要與充放電次數(shù)及充電時(shí)工作模式有關(guān)。當(dāng)車載電池處于“饑餓”狀態(tài)時(shí)，需要立即進(jìn)行能量補(bǔ)給，一旦電池電壓過低，不僅汽車發(fā)動(dòng)失敗，電池極有可能會被“餓死”。目前，市場上不同型號的車載電池，只能用其配套充電器進(jìn)行充電，而且充電器的充電過程僅僅是“恒定電流直沖”，且充電器的充電狀態(tài)不可獲知，無法對電池性能及充電要求進(jìn)行判斷，這種充電器充電方法對電池?fù)p傷非常大，也不利于環(huán)保節(jié)能。因此，根據(jù)電池類型、電池容量、充電需求及客戶使用習(xí)慣，設(shè)計(jì)一款多功能、高充電效率、電池兼容性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保的智能充電器，是符合工業(yè)要求及社會需求的。

電動(dòng)車車載電池容量一般在10～30 Ah之間，機(jī)動(dòng)車車載電池容量根據(jù)轎車的類型、啟動(dòng)要求及使用環(huán)境，從40～300 Ah不等。電池容量變化范圍如此之大，若使用傳統(tǒng)的直充充電器根本無法滿足所有充電器的充電要求。目前，針對智能充電器的研究有程廣明[3]的智能鋰電池充電器，針對鋰電池的化學(xué)性質(zhì)，提出的快速充電流程及方法；曹玲玲[5]在研究無線智能充電器的同時(shí)，提出了一種高效率充電器的硬件及軟件設(shè)計(jì)方法；周玲[7]提出利用單片機(jī)智能控制充電流程，根據(jù)AD采集信號分析充電結(jié)果并自動(dòng)控制充電流程。車載智能充電器的研究對提高充電效率、節(jié)約能源、提高電池循環(huán)利用率有很大改善，本文從市場及客戶需求出發(fā)，設(shè)計(jì)一款針對電動(dòng)車載電池及機(jī)動(dòng)車載電池均滿足需求的12 V車載智能充電器。

1 智能充電器設(shè)計(jì)方案

1.1 充電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能充電器是一款能量轉(zhuǎn)換單元，將電源能量以最大效率轉(zhuǎn)換為電池化學(xué)能，為電池提供能量。充電器結(jié)構(gòu)主要分為兩部分：能量部分和控制部分。能量部分為充電器的工作提供能量支持，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換；控制部分則控制充電器的工作狀態(tài)及工作模式選擇、充電流程和報(bào)警保護(hù)等功能。充電器的核心部件為控制部分，根據(jù)電池工作當(dāng)前狀態(tài)控制充電器工作模式，并根據(jù)反饋信息控制充電器工作流程。如圖1為充電器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 智能充電器結(jié)構(gòu)框圖

1.2 充電流程設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)充電器的充電流程簡單，僅僅采用“恒定電流直沖”的方式進(jìn)行充電。在充電過程中，無法判斷電池是否異常、充電過程是否順利、電池能量飽和程序、何時(shí)結(jié)束充電、溫度是否過高等問題，因此，電池在充電過程中存在極大的風(fēng)險(xiǎn)，很可能會出現(xiàn)因溫度過高或電流過大而引發(fā)的爆炸、或電池過度充電導(dǎo)致的電池失水損傷等一系列后果，不僅影響電池壽命，也帶來安全隱患。

智能充電器在充電流程的設(shè)計(jì)過程中，針對上述問題做了系統(tǒng)研究，不僅改進(jìn)了充電流程，使充電流程隨電池狀態(tài)的變化而改變；而且也從硬件及軟件的角度進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，力求達(dá)到充電最優(yōu)化。

智能充電器根據(jù)電池充電過程中的電壓及電流狀態(tài)，對充電器的輸出進(jìn)行調(diào)整，并根據(jù)電池容量的變化，改變其充電狀態(tài)。本文提出一種改進(jìn)的智能充電流程，如下：

1)電池分析。充電器接入電源，處理器開始工作，首先測量充電前電池的初始電壓值，分析電池的飽和程度及電壓特征；

2)處理器根據(jù)電池的當(dāng)前電壓值選擇充電模式。當(dāng)電池初始電壓低于10 V時(shí)，選擇0.05倍率電池容量的小電流充電1小時(shí)，充電完成后，再次檢測電池電壓，判斷電池電壓是否高于12 V時(shí)，如果是，則進(jìn)入第3)步，否則，再次執(zhí)行第2)步；當(dāng)電池初始電壓高于10 V時(shí)，進(jìn)入第3)步，確認(rèn)初始充電電流；

3)處理器根據(jù)電池電壓變化判斷電池能量，確定充電電流。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)電池電壓起伏壓差閾值確定恒流充電期間的充電電流，逐步試探，直至達(dá)到所需充電電流標(biāo)準(zhǔn)為止；

4)恒流充電。當(dāng)電池電壓達(dá)到最高電壓14.4 V時(shí)，充電器跳出恒流充電階段，進(jìn)入恒壓充電階段。

5)恒壓充電?？刂齐姵仉妷汉愣?，充電電流逐漸下降，直至設(shè)定閾值，關(guān)閉繼電器，充電恒壓結(jié)束。進(jìn)行錯(cuò)誤檢測模式；

6)復(fù)檢。如果電池?zé)o損傷，充電器至少應(yīng)充至電池容量的95%，且電池電壓穩(wěn)定。判斷電池在一段時(shí)間內(nèi)的無干擾電壓壓降，如果電壓壓降變化劇烈，則電池?fù)p傷，已不適合繼續(xù)使用；如果壓降變化緩慢，判斷電池正常，進(jìn)入脈沖維護(hù)充電階段；

7)電池已接近飽和，為保證電池容量接近100%，充電器每隔一段時(shí)間閉合一次繼電器，繼續(xù)為電池提供短時(shí)間小電流補(bǔ)充充電，并且檢測電池電壓，如果電池電壓低于13 V，則充電器回到1)開始重新充電。圖2為充電器的充電流程曲線。

圖2 智能充電器充電流程

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)框圖

控制模塊是整個(gè)充電器系統(tǒng)的核心，控制充電器的工作模式選擇、充電流程控制，維護(hù)電池壽命，充電器報(bào)警等功能。圖3為充電器硬件設(shè)計(jì)框圖。

圖3 充電器硬件設(shè)計(jì)框圖

2.2 控制模塊設(shè)計(jì)原理圖

充電器處理器采用意法半導(dǎo)體公司推出的STM32F101微處理器，采用高性能的CORTEX-M3內(nèi)核，具有成本低、功耗低、集成度高、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)；并且包含了十分豐富的功能模塊，能滿足充電器的智能多功能應(yīng)用。

2.3 電流選擇電路

根據(jù)充電器工作流程，在充電初始階段，充電器對電池進(jìn)行預(yù)估判斷，選擇控制電流輸出，在隨后的充電過程中，微控制器根據(jù)電池容量、電池電壓及溫度實(shí)時(shí)對充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。微控制器配置4個(gè)IO口進(jìn)行電流輸出，根據(jù)需要選擇IO口工作。

2.4 熱敏電阻

充電電流隨著電池容量的增加而增大，因此，溫度也隨之升高。溫度過高，不僅對電池壽命有損傷，還會引起電池爆炸、充電器燃燒等危險(xiǎn)狀況。在充電過程中，需要實(shí)時(shí)檢測電池及充電器溫度，一旦達(dá)到危險(xiǎn)溫度值，立即降低充電電流或停止充電并報(bào)警。

充電器內(nèi)采用負(fù)溫度系統(tǒng)熱敏電阻TSM1A103F，它是一種半導(dǎo)體電阻，阻值隨著溫度的升高而降低。在25 ℃時(shí)其零阻值電阻為10 kΩ，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊參數(shù)B值與AD采集電壓來確定當(dāng)前溫度值。公式1為B值與溫度的關(guān)系公式。

(1)

由B值可反推得當(dāng)前溫度值。

2.5 反接保護(hù)

圖4 充電器電流選擇電路

在充電器工作過程中，經(jīng)常會因電池標(biāo)識不清而導(dǎo)致電池反接、或者電池接頭松動(dòng)等原因而導(dǎo)致電池接線端短路或開路，因此，充電器硬件需要進(jìn)行反接保護(hù)設(shè)計(jì)，以避免充電器短路或反接造成瞬間沖擊電流過大而燒毀電路板。當(dāng)反接或短路時(shí)，先判斷輸入電流，電源輸出線電流接近為零，沒有輸入信號，此時(shí)并不能判斷電池是處于充飽狀態(tài)而無法吸收電能或者電池?cái)嚅_或損壞，再判斷電源輸出電壓，如果電壓低于某一設(shè)定閾值，則可判斷電池?cái)嚅_，否則，電池已充飽。

圖5 充電器反接保護(hù)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 充電流程軟件設(shè)計(jì)

智能充電器在軟件設(shè)計(jì)方面有以下幾點(diǎn)創(chuàng)新：

1)由于目前市場上電池種類眾多，電池容量不一，因此，在充電過程中充分考慮電池容量，根據(jù)電池容量控制充電流程；

2)為避免小容量電池大電流充電引發(fā)的電池失水，充電器根據(jù)電池容量選擇充電電流與充電時(shí)間，最大可能避免對電池造成永久性傷害；

3)閉環(huán)控制充電流程，在充電過程中根據(jù)當(dāng)前電池電壓調(diào)整充電電流；

4)在充電結(jié)束后，脈沖電流維護(hù)充電，充電容量達(dá)100%。

智能充電器軟件充電流程如圖6所示，充電過程中，充電器上電以后，控制器開始工作，EEPROM中記錄上次充電器充電流程及電池電壓值，重新判斷電池狀態(tài)，若電池處于低電壓狀態(tài)，則先為電池補(bǔ)充充電；若電池狀態(tài)正常，則開始進(jìn)行充電流程，先進(jìn)行恒流充電狀態(tài)，之后，通過判斷電池電壓的值來確定是否進(jìn)入恒壓狀態(tài)，再通過判斷電流值來確定是否跳出恒流狀態(tài)，此時(shí)，電池容量需要充到90%以上。充電器的主要充電時(shí)間需要根據(jù)電池容量與電池狀態(tài)進(jìn)行判斷。此時(shí)，經(jīng)過一小段時(shí)間的過程判斷，確定電池是否受到損傷，如果受到損傷，充電器報(bào)警燈亮，充電流程中止。如果電池未受到損傷，則主要充電流程結(jié)束，進(jìn)行脈沖充電階段。

圖6 軟件充電流程

3.2 充電流程軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境采用IAR公司開發(fā)的IAR for ARM軟件，采用J-link仿真器進(jìn)行在線調(diào)試與燒錄，并且可以在開發(fā)的過程中對系統(tǒng)進(jìn)行在線測試與更新，簡單便捷。充電器控制程序使用C語言編寫，在程序開發(fā)與編譯時(shí)，需要調(diào)用STM32庫函數(shù)，該庫函數(shù)是ST公司已封閉好的一個(gè)函數(shù)調(diào)用包，在開發(fā)時(shí)只需直接調(diào)用該庫函數(shù)基本功能，便可完成相關(guān)功能。

系統(tǒng)的上位機(jī)用戶界面可采用微軟公司開發(fā)的Visual Studio 2015編寫，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要與用戶習(xí)慣設(shè)計(jì)用戶界面。圖6為智能充電器數(shù)據(jù)接收串口設(shè)計(jì)。

電池在充電過程中，用戶很難觀察到具體充電流程，因此，設(shè)計(jì)智能充電器串口通信助手可實(shí)時(shí)觀察充電狀態(tài)與流程，串口通信助手通過232串口與PC機(jī)進(jìn)行連接，可通過軟件設(shè)置將充電流程及警報(bào)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到串口界面，用戶可根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。用戶也可以通過串口助手發(fā)送數(shù)據(jù)到充電器，充電器根據(jù)用戶指令進(jìn)行相應(yīng)操作。

圖7 充電器數(shù)據(jù)接收串口界面

4 測試結(jié)果

將兩組容量為60 Ah，額定電壓為14.4 V的電池分別放電至12 V以下，靜置12小時(shí)以上，等兩組電池狀態(tài)穩(wěn)定后，分別對兩組充電器，即直充充電器與智能充電器進(jìn)行充電測試，直至充電流程至脈沖充電時(shí)為止，經(jīng)測試，結(jié)果如表1所示。

通過對智能充電器流程的智能設(shè)計(jì)，對充電效率進(jìn)行測試，結(jié)果表明通過智能化充電，效率比原有直流恒充的的效率高達(dá)0.2%。表1為滿負(fù)載情況下，充電器充電效率對比。

表1 兩組充電器充電效率對比

5 結(jié)束語

提出一款基于STM32微處理器的新型智能車載充電器，從系統(tǒng)架構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)及流程設(shè)計(jì)等方面均做了分析介紹，并設(shè)計(jì)上位機(jī)界面，不僅能夠根據(jù)電池特性實(shí)現(xiàn)對電池?zé)o損傷自適應(yīng)充電，而且能夠通過上位機(jī)界面實(shí)時(shí)觀測充電流程及電池狀態(tài)。避免了電池在充電過程中出現(xiàn)過充、誤充、爆炸等狀況的發(fā)生，延長電池壽命。通過測試證明，該智能充電器在提高充電效率、延長電池壽命方面有突出優(yōu)勢。

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ResearchandDesignonVehicleSmartCharger

Fan Xue, Zhang Ailiang, Zhang Wei

(Wuxi Institute of Arts amp; Technology,Yixing 214206, China)

Design an vehicle smart charger, according to the battery capacity、current voltage value and battery temperature to control charging current and choose charging time, and evaluate the battery status, select charging mode. Design vehicle charger work mode and charging step, and operate charger hardware and software system, according to the vehicle battery user manual and user demand, and explain the specific functions of the charger. It is verified through the experiment that, the smart charger not only greatly improve the charging efficiency, but also maintain the battery life and safety.

smart charger; current selection; temperature protection; vehicle charger; intelligent control

2017-02-24；

2017-03-24。

范 雪(1986-)，女，遼寧撫順人，碩士，助教，中級工程師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)09-0123-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.032

TP23

A