梁建智，朱名強，潘知南，李和明

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造工程學(xué)院，廣西 南寧 530007）

在“碳達峰、碳中和”背景下，電動車產(chǎn)業(yè)迎來了新的發(fā)展機遇，電動車因價格便宜、環(huán)保經(jīng)濟、操作簡單、停車方便，已經(jīng)成為人民短途出行的主要交通工具，數(shù)據(jù)顯示，我國的電動車保有量已經(jīng)超過3.5億輛[1]，并且還在以每年15%的速度增長。鉛酸動力電池價格便宜、性能穩(wěn)定，是電動車的主要動力源，但是傳統(tǒng)的電動車充電器充電方法單一，充電時間長、效率低，導(dǎo)致鉛酸動力電池過充和析氣，影響鉛酸動力電池的使用性能和使用壽命[2-5]，甚至?xí)l(fā)火災(zāi)事故。此外，由于電池組電壓不同，傳統(tǒng)的電動車充電器往往不能通用。針對上述問題，采用模塊化設(shè)計方法設(shè)計一款基于STC8A8K64S4A12 單片機的智能電動車充電器，該智能電動車充電器能夠采用優(yōu)化的三段式充電方法對48 V、60 V 和72 V 的鉛酸動力電池組進行智能充電，鉛酸動力電池過充電量小，能夠大大延長使用壽命。同時，其內(nèi)部設(shè)置有兩個溫度傳感器，當(dāng)溫度達到設(shè)定閾值時，會啟動風(fēng)扇或者停止充電，保護智能電動車充電器不起火。

1 設(shè)計方案

智能電動車充電器設(shè)計方案如圖1 所示，其主要包括電源模塊、電壓采樣模塊、電流采樣模塊、溫度檢測模塊、數(shù)控模塊、單片機控制模塊、顯示模塊等。

圖1 智能電動車充電器設(shè)計方案框圖

2 電路設(shè)計

2.1 電源模塊電路設(shè)計

2.1.1 主電源模塊電路設(shè)計

主電源模塊電路設(shè)計如圖2 所示，由于單相市電不穩(wěn)定，為了防止電壓波動大導(dǎo)致智能電動車充電器過流燒毀元器件，在單相市電電源接口處設(shè)計一個延時熔斷保險管Fu1，220 V 電源經(jīng)過延時熔斷保險管Fu1，然后經(jīng)過共模電感T3 消除220 V 共模干擾信號，再經(jīng)過熱敏電阻R1 和壓敏電阻R4。其中，熱敏電阻R1 是為了防浪涌電流，保護其他元器件；壓敏電阻R4 是為了防止電網(wǎng)中的瞬時超高電壓和雷擊電壓流入后面的電路中，起到過壓保護作用。C13和C14 為Y 電容，分別接在火線和零線上，并回到地線，把輸入火線和零線的感應(yīng)脈沖電壓旁路接入大地，起到電源濾波作用，消除共模干擾；C3 為X 電容，接在火線和零線之間，起到電源濾波作用，消除差模干擾。L1、C7、C8 和后面的L2、C9、C10 分別組成兩個π 型濾波電路，這個π 型濾波電路屬于低通濾波，在高頻下產(chǎn)生高阻抗，在低頻下產(chǎn)生低阻抗，隔絕高頻信號，消除高頻信號干擾，再經(jīng)過4 個二極管整流和π型濾波電路，輸出310 V直流電。

圖2 主電源模塊電路

310 V 直流電經(jīng)過4 個啟動電阻（R5、R7、R10、R11）給啟動電容C16 充電，當(dāng)啟動電容C16 電壓達到16 V 時，集成芯片UC3844 的7 腳閥門打開，啟動電容C16 向集成芯片UC3844 放電，集成芯片UC3844 的6 腳發(fā)出一個脈沖，使用MOS 管導(dǎo)通和截止，MOS 管導(dǎo)通后，電流從初級線圈經(jīng)MOS 管和R23 流到GND1。此時高頻變壓器產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，經(jīng)過二極管D7 整流后向啟動電容C16 充電，使啟動電容C16 保持16 V 以上的電壓，給集成芯片UC3844長期供電。高頻變壓器初級線圈旁接RCD 尖峰吸收電路，該電路由電阻R8、電容C4 和二極管D5 組成，RCD 尖峰吸收電路主要是吸收振蕩線圈產(chǎn)生的反向電動勢，起到保護MOS 管的作用。

MOS 管驅(qū)動電路由集成芯片UC3844 的6 腳、下拉電阻R17 和MOS 管Q1 組成，下拉電阻R17 能夠釋放MOS 管的柵極的感應(yīng)電荷，起到保護MOS 管的作用，集成芯片UC3844 的6 腳輸出高電平時MOS 管導(dǎo)通，輸出低電平時MOS管截止。

MOS 管過流過壓保護電路由集成芯片UC3844的3 腳，電容C22，電阻R18、R19、R21、R22、R23 和R24 組成。其中，R21、R22 和R23 并聯(lián)組成電流取樣電阻；R19 是電流反饋電阻；R24 是最大過流保護調(diào)節(jié)電阻，改變R24 的大小可以改變MOS 管最大電流保護的數(shù)值；電容C22 是濾波電容，主要作用是濾除取樣電流的尖峰雜波；R18 是驅(qū)動超壓保護電阻，主要作用是檢測集成芯片UC3844 的6 腳輸出的高壓干擾，將高壓干擾信號傳送到集成芯片UC3844 的3 腳，迫使集成芯片UC3844 的3 腳電壓升高，使集成芯片UC3844的6腳輸出斷開。

集成芯片UC3844 的4 腳是振蕩腳，RC 振蕩電路由振蕩電阻R20 和振蕩電容C21 組成，振蕩頻率由電阻R20和電容C21的充放電系數(shù)決定。

2.1.2 輔助電源模塊電路設(shè)計

為了使單片機供電電源不受主電源影響，單獨給單片機設(shè)計一個輔助電源供電，如圖3 所示。輔助電源電路在設(shè)計上和主電源電路有所區(qū)別，輔助電源電路采用的是可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431 和線性光耦PC817 組成穩(wěn)壓電路，使輔助電源電路穩(wěn)定輸出直流12 V 電壓。R12 和R15 是分壓電阻，目的是使TL431參考端電壓保持2.5 V。直流12 V 電壓經(jīng)過R12 分壓取樣后輸送到TL431 的1 腳，如果輸出電壓小于12 V，那么TL431 的1 腳的參考電壓就小于2.5 V，流經(jīng)TL431 和線性光耦PC817 的電流變小，光耦的發(fā)光二極管變暗，導(dǎo)致光耦三極管的導(dǎo)通程度變?nèi)酰刃щ娮枳兇?，光耦將等效電阻?shù)值反饋給電源管理芯片MIP0222，電源管理芯片MIP0222 控制輸出電流增大，使高頻變壓器輸出電壓變大，實現(xiàn)穩(wěn)壓效果。同理，如果輸出電壓大于12 V，那么TL431 的1腳的參考電壓就大于2.5 V，流經(jīng)TL431 和線性光耦PC817 的電流變大，光耦的發(fā)光二極管變亮，導(dǎo)致光

耦三極管的導(dǎo)通程度變強，等效電阻變小，光耦將等效電阻數(shù)值反饋給電源管理芯片MIP0222，電源管理芯片MIP0222 控制輸出電流變小，使高頻變壓器輸出電壓變小，實現(xiàn)穩(wěn)壓效果。

因為單片機使用的是直流5 V 電壓，還需要將直流12 V 電壓轉(zhuǎn)換為直流5 V 電壓，如圖4 所示。本電路采用78M05 芯片，該芯片具有過載保護、短路保護和溫度保護功能，在芯片輸入和輸出端使用雙電容濾波，在輸出端設(shè)計發(fā)光二極管作為直流5 V電源指示。

圖4 直流12 V轉(zhuǎn)5 V電路

2.2 采樣模塊電路設(shè)計

2.2.1 電流采樣模塊電路設(shè)計

電流采樣模塊電路如圖5 所示，圖5 中電阻R36為電流采樣電阻，阻值為0.01 Ω，充電電流在采樣電阻R36 上形成一個電壓U，在將這個電壓U 輸送去LM358 之前，增加一個濾波電容C34，電容C34 能夠濾波抑制干擾信號，濾除電壓峰值影響，經(jīng)過R34 輸送到LM358 的3 腳，經(jīng)過運算放大器放大后再通過RC 濾波電路濾波輸送到單片機的P1.6 引腳。其中，運算放大器放大的倍數(shù)為101 倍，單片機的P1.6 引腳內(nèi)有AD 轉(zhuǎn)換模塊，可將模擬量采樣電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，完成電流采樣。

圖5 電流采樣模塊電路

2.2.2 電壓采樣模塊電路設(shè)計

電壓采樣模塊電路設(shè)計同樣是使用LM358 雙運算放大器，如圖6 所示。圖6 中先采用電阻R42 和電阻R44 分壓，其中電阻R44 是電壓采樣電阻，在將采樣電壓輸送去LM358 之前增加一個濾波電容C37，電容C37 能夠濾波抑制干擾信號，濾除電壓峰值影響。采樣電壓輸送到LM358 雙運算放大器的5 腳后，先經(jīng)過運算放大器一比一增益，再經(jīng)過RC 濾波電路濾波后輸送到單片機的P1.7 引腳，單片機的P1.7 引腳內(nèi)有AD 轉(zhuǎn)換模塊，可將模擬量采樣電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，完成電壓采樣。

圖6 電壓采樣模塊電路

2.3 單片機控制模塊電路設(shè)計

單片機控制模塊電路如圖7 所示，智能電動車充電器采用STC8A8K64S4A12 單片機作為控制核心，該單片機具有超強的抗干擾能力，功耗低，運行速度快，并且該單片機內(nèi)部集成高精度的R/C 時鐘，可以不用接外部晶振和外部復(fù)位電路。MCU 內(nèi)部提供3個可選時鐘源內(nèi)部，提供22 個中斷源，4 個中斷優(yōu)先級，5 個16 位定時器，4 個高速串口，4 組16 位PCA模塊，16 組PWM 輸出，10 個12 位高精度ADC 數(shù)模轉(zhuǎn)換通道，DMA 支持TFT彩屏[6]。

圖7 單片機控制模塊電路

2.4 數(shù)控模塊電路設(shè)計

數(shù)控模塊電路如圖8 所示，單片機通過對智能電動車充電器輸出的電壓和電流信號進行采樣，根據(jù)采樣結(jié)果控制P1.0 和P1.1 接口輸出相應(yīng)頻率及占空比的PWM 信號，通過LM358 雙運算放大器跟采樣電流和采樣電壓比較，最終把信號傳遞給光耦PC817，從而改變集成芯片UC3844 的1 腳的電壓，集成芯片UC3844 調(diào)整開關(guān)管的占空比，實現(xiàn)對輸出電壓電流的控制。

圖8 數(shù)控模塊電路

2.5 人機交互模塊電路設(shè)計

人機交互電路采用按鍵作為輸入，TFT-LCD 液晶顯示器和發(fā)光二極管作為顯示輸出。

2.5.1 鍵盤輸入模塊電路設(shè)計

人機交互電路中，按鍵作為輸入，可以向控制單片機輸入傳遞指令和數(shù)據(jù)。本設(shè)計根據(jù)實際，采用4個獨立按鍵作為輸入，如圖9 所示，按鍵S1 作為設(shè)置鍵，按鍵S2 作為增加鍵或者向上切換界面，按鍵S3作為減少鍵或者向下切換界面，按鍵S4 作為確定鍵?？蓪崿F(xiàn)定時充電、充電模式選擇、充電電壓選擇等功能。

圖9 鍵盤輸入模塊電路

2.5.2 彩屏顯示模塊電路設(shè)計

本彩屏顯示模塊采用的是3.2 寸TFT-LCD 液晶顯示器，分辨率為240*320，LCD 顯示由ILI9341液晶控制器驅(qū)動，兼容直流5 V 和3.3 V 供電，支持橫屏顯示和豎屏顯示，支持26.2 萬色RGB 顯示。ILI9341 液晶控制器自帶顯存，顯存為172 800，能夠保存兩幀RGB 數(shù)據(jù)[7]，ILI9341 液晶控制器與STC8A8K64S4A12 單片機連接，如圖10 所示。TFTLCD 液晶顯示器可以顯示充電模式、充電曲線、電量、充電電壓、充電電流、定時充電時間、剩余充電時間、預(yù)計充滿時間等充電信息。

圖10 彩屏顯示模塊電路

2.6 充電狀態(tài)顯示模塊電路設(shè)計

充電狀態(tài)顯示模塊電路如圖11 所示，直流5 V 經(jīng)過電阻分壓連接紅色發(fā)光二極管，再接到單片機的引腳P2.7，當(dāng)電流檢測大于350 mA 時，單片機引腳P2.7 輸出低電平，紅色發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，顯示為充電狀態(tài)。直流5 V經(jīng)過電阻分壓連接綠色發(fā)光二極管，再接到單片機的引腳P2.6，當(dāng)電流檢測小于350 mA 時，單片機引腳P2.6 輸出低電平，綠色發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，顯示脈沖充電狀態(tài)。

圖11 充電狀態(tài)顯示模塊電路

2.7 溫度監(jiān)測模塊電路設(shè)計

溫度監(jiān)測模塊電路如圖12 所示，該模塊采用DS18B20 溫度傳感器作為檢測單元，該傳感器是一種單總線數(shù)字式傳感器，用一根線就可以實現(xiàn)雙向通信，DS18B20 溫度傳感器將傳感元件和轉(zhuǎn)換電路全部集成在芯片上，使用過程中不需要外圍電路，采集的溫度數(shù)值直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，單總線串行傳送，傳輸穩(wěn)定性高，具有較強的抗干擾能力[8]。

圖12 溫度監(jiān)測模塊電路

2.8 蜂鳴器報警模塊電路設(shè)計

蜂鳴器報警模塊電路如圖13 所示，該電路采用三極管驅(qū)動蜂鳴器，當(dāng)溫度采樣信號高于設(shè)定報警閾值，單片機控制P3.6 輸出低電平，三極管Q3 導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報警信號。

圖13 蜂鳴器報警模塊電路

2.9 散熱風(fēng)扇驅(qū)動模塊電路設(shè)計

散熱風(fēng)扇驅(qū)動模塊電路如圖14 所示，當(dāng)溫度傳感器檢測智能電動車充電器溫度過高時，單片機的P0.7 引腳輸出高電平控制三極管Q4 導(dǎo)通，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，給智能電動車充電器散熱降溫。

圖14 散熱風(fēng)扇驅(qū)動模塊電路

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是智能電動車充電器控制的核心，軟件設(shè)計是否合理對鉛酸動力電池使用壽命有很大的影響，所以在進行軟件設(shè)計時要深入了解鉛酸動力電池固有的充電特性，才能設(shè)計出合理的控制方案。目前市面上的電動車充電器比較流行使用三段式充電方法，也就是恒流—恒壓—浮充，但是該充電方法并不完全適用于電動車鉛酸動力電池，因為浮充階段是小電流充電階段，該階段鉛酸動力電池過充電時間和充電量無法確定，容易導(dǎo)致鉛酸動力電池充電不足或過充電量大、電池變形等情況，影響鉛酸動力電池的使用壽命[9]，因此必須優(yōu)化三段式充電方法的浮充階段。

鉛酸動力電池充電方法還有多段恒流充電法、間歇充電方法和脈沖充電法等，其中，脈沖充電法具有去極化效果，能使鉛酸動力電池產(chǎn)生熱量少，失水也少，充放電特性更佳，具有更長久的使用壽命[10]。因此將三段式充電方法的浮充階段改為定時脈沖充電方法，脈沖充電時間控制在0.5 h~2.0 h。

智能電動車充電器系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計方法設(shè)計，主要分為主程序模塊、中斷程序模塊、采樣程序模塊、彩屏顯示程序模塊等。主程序主要是對單片機系統(tǒng)進行初始化，初始化完成后，需要根據(jù)實際的鉛酸動力電池組電壓（48 V、60 V 和72 V）設(shè)置電池組充電參數(shù)（充電電壓、充電電流），根據(jù)需要也可以設(shè)定充電時長。充電參數(shù)設(shè)置完成后釋放充電信號，智能充電器系統(tǒng)進入充電程序，三段式充電開始，第一階段為恒流充電，當(dāng)鉛酸動力電池電壓達到設(shè)定閾值后轉(zhuǎn)為第二階段恒壓充電，當(dāng)充電電流小于0.35 A時轉(zhuǎn)為第三階段脈沖充電，脈沖充電時間控制在0.5 h~2.0 h，當(dāng)脈沖充電時間達到設(shè)定值時停止充電。如果設(shè)置定時，當(dāng)定時時間大于充滿電時間，按正常充滿電后停止充電；當(dāng)定時時間小于正常充滿電時間，按定時時間停止充電，主程序流程圖如圖15所示。

圖15 主程序流程圖

4 硬件制作與測試

為了減少智能電動車充電器的內(nèi)部干擾，方便維修維護，將智能電動車充電器硬件按照主電源模塊、輔助電源模塊、單片機模塊、顯示模塊、定時顯示模塊等制作PCB 板，并在PCB 板上焊接相應(yīng)的電子元件，焊接好的輔助電源模塊電路、單片機模塊電路及顯示模塊電路分別如圖16、圖17 所示，智能電動車充電器成品如圖18 所示。長時間使用該智能電動車充電器對48 V、60 V 和72 V 鉛酸動力電池組進行充電測試，結(jié)果顯示：使用設(shè)計優(yōu)化后的充電器充電提高了充電效率，延長了鉛酸動力電池的使用壽命，充電效果良好。

圖16 輔助電源模塊電路

圖17 單片機模塊電路及顯示模塊電路

圖18 智能電動車充電器成品

5 結(jié)束語

本文采用模塊化設(shè)計方法設(shè)計了一款基于STC8A8K64S4A12 單片機的智能電動車充電器，該智能電動車充電器能夠在顯示屏上實時顯示充電模式、充電曲線、電量、充電電壓、充電電流、定時充電時間、剩余充電時間、預(yù)計充滿時間等充電信息，在48 V、60 V和72 V鉛酸動力電池組上通用，采用優(yōu)化三段式充電的方式，即恒流—恒壓—定時脈沖充電方法。該智能電動車充電器具備三段式充電的優(yōu)點，同時過充電量小，能夠有效防止充電過程中出現(xiàn)充電不足、誤充等情況，經(jīng)過長時間測試驗證，該智能電動車充電器能夠提高充電效率，延長鉛酸動力電池的使用壽命。