电动车用48V ( 20A·h) 蓄电池充电器的研究

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1 硬件结构框图

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

P IC16C712单片机的软件模块主要完成对传感器的输入信号进行采集、对电源专用芯片UC3875进行控制、对异常进行处理等工作。在设计过程中，软件系统每隔10 s检测一次电压和电流; 每隔20 s检测一次温度。如有异常，系统将通过LED提示用户出现何种异常并采取相应的保护措施。整个系统的软件架构，如图5所示。

图5 软件架构

3 结 论

对充电器样机进行的测试表明蓄电池充电器具有如下特性：

(1)输入电压： 220 Vac;

(2)输出电压： 40~60V;

(3)输出电流： 10A;

(4)功率因数： > 0. 99;

(5)充电噪声： 20dB;

(6)充电时间： 6~8h;

(7)充电效率： > 85%;

(8)充电温升： 15℃;

(9)质 量： 0. 6kg.

此外，充电器还具有故障诊断功能。当充电回路电流或电压过大、开路、短路时，充电器自动切断主电路，同时点亮相应的LED故障指示灯指示故障原因，具有良好的保护特性。