【正文】 是重量大、 比能量低。而鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等目前都存在大容量制造技術(shù)不成熟的問題，只能實(shí)現(xiàn)中小容量電池的規(guī)模化生產(chǎn)，不能滿足大功率動力的需求。鉛酸蓄電池自發(fā)明以來，至今已有 150年的歷史，技術(shù)十分成熟。在現(xiàn)階段，以電動助力車為主的小型電動車輛目前也主要以鉛酸蓄電池作為動力電源，在這一市場上，鉛酸蓄電池由于具備突出的性電動車充電站充電電路設(shè)計(jì) 2 價比優(yōu)勢，占據(jù)了 95%以上的市場份額。 課題研究的內(nèi)容 本課題通過采用單片機(jī)技術(shù)和 RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動車充電站設(shè)計(jì) ,主要有三個功能，電量檢測功能、 RFID電子錢包功能和充電功能。如圖 1所 示： 圖 1 基于 RFID的電動車充電站示意圖 此設(shè)計(jì)的內(nèi)容是將 220V市電通過一系列的轉(zhuǎn)換與控制輸出穩(wěn)定的 48V電壓對電動車進(jìn)行充電。本文通過六部分電路的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)充電的功能，即交流 220V整流濾波電路、充電主電路、單片機(jī)電路、信號采樣與放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電源模塊電路。該電路能夠 采用 單片機(jī) (MCU)實(shí)時檢測充電 電流 和蓄電池電壓的實(shí)際值， 分級 控制開關(guān)電源的脈沖頻率和實(shí)時調(diào)節(jié)脈沖占空比，從而調(diào)節(jié)充電電流和電壓，實(shí)現(xiàn)對蓄電池的分級慢脈沖充電 。 設(shè)計(jì)中系 統(tǒng)可以分為控制部分和信號檢測部分。用橋式整流、濾波將 220V交流電轉(zhuǎn)換成 311V直流電，經(jīng)變壓器反饋振蕩得到 48V充電電壓，在設(shè)計(jì)過程方面，從總體方案、單元電路、元器件選擇和設(shè)計(jì)等都進(jìn)行了細(xì)致 的介紹。 2 充電原理 蓄電池與充電技術(shù) 蓄電池通常是指鉛酸蓄電池，屬于 二次電池 。它的工作原理：充電時利用外部的電能使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能儲存為化學(xué)能，需要放電時再次把化學(xué) 能轉(zhuǎn)換為電能輸出。 電化學(xué)反應(yīng)方程式如下： PbO2 + 2H2SO4 + Pb → PbSO4 + 2H2O2 + PbSO4 (放電反應(yīng) ) （ 1） PbSO4 + 2H2O2 + PbSO4 → PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充電反應(yīng) ) （ 2） 電池充電通常要完成兩個任務(wù)，首先是盡可能快地使電池恢復(fù)額定容量，另一是使用小電流充電，補(bǔ)充電池因自放電而損失的能量，以維持電池的額定容量 [1]。在充電過電量測量模塊 電源模塊 鍵盤模塊 單片機(jī)小系統(tǒng) RFID 模塊 顯示模塊 充電接口 電動車充電站充電電路設(shè)計(jì) 3 程中 ， 鉛酸電池負(fù)極板上 的硫酸鉛逐漸析出鉛，正極板上的硫酸鉛逐漸生成二氧化鉛。當(dāng)正負(fù)極板上的硫酸鉛完全生成鉛和二氧化鉛后，電池開始發(fā)生過充電反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和氧氣。這樣 ， 在密封鉛酸蓄電池中，采用中等充電速率時，氫氣和氧氣能夠重新化合為水。過充電開始的時間與充電的速率有關(guān)。當(dāng)充電速率大于 C/5時，電池容量恢復(fù)到額定容量的 80%以前，即開始發(fā)生過充電反應(yīng)。只有充電速率小于 C/100，才能使電池在容量恢復(fù)到 100%后，出現(xiàn)過充電反應(yīng)。為了使電池容量恢復(fù)到 100%，必須允許一定的過充電反應(yīng)。過充電反應(yīng)發(fā)生后，單格電池的電壓迅速上升，達(dá)到一定 數(shù)值后，上升速率減小，然后電池電壓開始緩慢下降。由此可知，電池充足電后，維持電容容量的最佳方法就是在電池組兩端加入恒定的電壓。浮充電壓下，充入的電流應(yīng)能補(bǔ)充電池因自放電而失去的能量。浮充電壓不能過高，以免因嚴(yán)重的過充電而縮短電池壽命。采用適當(dāng)?shù)母〕潆妷?，密封鉛酸蓄電池的壽命可達(dá) 10年以上。實(shí)踐證明，實(shí)際的浮充電壓與規(guī)定的浮充電壓相差 5%時，免維護(hù)蓄電池的壽命將縮短一半。鉛酸電池在環(huán)境溫度為 25℃ 時工作 在理想狀態(tài) ，當(dāng)環(huán)境溫度降到 0℃ 時，電池就不能充足電，當(dāng)環(huán)境溫度上升到 50℃ 時，電池將因嚴(yán)重的過充電而縮短壽命 。因此，為了保證在很寬的溫度范圍內(nèi)，都能使電池剛好充足電，充電器的各種轉(zhuǎn)換電壓必須隨電池電壓的溫度系數(shù)而變。 蓄電池的充電原理 理論和實(shí)踐證明，蓄電池的充放電是一個復(fù)雜的電化學(xué)過程。一般地說 ,充電電流在充電過程中隨時間呈指數(shù)規(guī)律下降 ,不可能自動按恒流或恒壓充電。充電過程中影響充電的因素很多 ,諸如電解液的濃度、極板活性物的濃度、環(huán)境溫度等的不同 ,都會使充電產(chǎn)生很大的差異。隨著放電狀態(tài)、使用和保存期的不同 ,即使是相同型號、相同容量的同類蓄電池的充電也大不一樣。 上世紀(jì) 60年代中期，美國科學(xué)家馬斯對開口蓄 電池的充電過程作了大量的試驗(yàn)研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖 2所示。實(shí)驗(yàn)表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時間，并且對電池的容量和壽命也沒有影響。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線，從而奠定了快速充電方法的研究方向 [2]。 圖 2 最佳充電曲線 t i 0 電動車充電站充電電路設(shè)計(jì) 4 由圖 2可以看出：初始充電電流很大，但是衰減很快。主要原因是充電過程中產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。在密封式蓄電池充電過程中，內(nèi)部產(chǎn)生氧氣和氫氣，當(dāng)氧氣不能被及時吸收時，便堆積在正 極板（正極板產(chǎn)生氧氣），使電池內(nèi)部壓力加大，電池溫度上升，同時縮小了正極板的面積，表現(xiàn)為內(nèi)阻上升，出現(xiàn)所謂的極化現(xiàn)象。 充電方法研究 常規(guī)充電制度是依據(jù) 1940年前國際公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)法則設(shè)計(jì)的。其中最著名的就是 “ 安培小時規(guī)則 ” ：充電電流安培數(shù)，不應(yīng)超過蓄電池待充電的安培時數(shù)。實(shí)際上，常規(guī)充電的速度被蓄電池在充電過程中的溫升和氣體的產(chǎn)生所限制。這個現(xiàn)象對蓄電池充電所必須的最短時間具有重要意義。一般來說，常規(guī)充電有 恒流充電、恒壓充電法、階段充電法。 恒流充電法 恒流充電，又叫定電流充電法， 恒流充 電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強(qiáng)度不變的充電方法，如圖 3所示。 而 電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的 。 在充電過程中，由于蓄電池的段電壓逐漸升高，為了保持充電電流的恒定，必須相應(yīng)提高充電電壓。采用恒流充電法，可以將不同容量的蓄電池串聯(lián)在一起進(jìn)行充電。但是各個蓄電池的容量應(yīng)當(dāng)盡可能相同，否則應(yīng)當(dāng)以容量最小的蓄電池計(jì)算充電電流。 恒流充電法的優(yōu)點(diǎn)是可以任意選擇充電電流，有益于延長蓄電池的使用壽命。缺點(diǎn)是充電時間長，并且需要經(jīng)常調(diào)整充電電流。充電曲線如下圖所示 ： 圖 3 恒流充電曲線 恒壓充電法 恒壓充電又叫定電壓充電法，在充電過程中，始終保持一個恒定的充電電壓，絕大多數(shù)汽車都采用這種充電方法對車載蓄電池進(jìn)行充電。充電初期，由于蓄電池的端電壓較低，充電電路輸出電壓與蓄電池的電壓差較大，所以充電電流也大。隨著充電的進(jìn)行，蓄電池端電壓逐漸上升，充電電路輸出電壓與蓄電池的電壓差也減小，所以充電電流減充電電壓 充電電 流 t u,i 0 電動車充電站充電電路設(shè)計(jì) 5 小。 如果充電電路輸出電壓不足，則充電很短時間就導(dǎo)致充電電流下降為零，過早地結(jié)束了充電，長期如此，勢必導(dǎo)致 蓄電池長期充電不足，容量下降，壽命縮短。如果充電電路輸出電壓過高，充電電流將顯著增大，即使蓄電池已經(jīng)充足電，但端電壓仍然低于充電器的輸出電壓，充電電流仍然純在，充電始終在進(jìn)行，勢必導(dǎo)致蓄電池過充電，加快電解液的消耗，使用壽命縮短。 與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電，如圖 4 所示 ： 圖 4 恒壓充電法曲線 階段充電法 此方法包括二階段充電法和三階段充電法。 二階段法采用恒電流和恒電壓相結(jié)合的快速充電方 法，如圖 3所示。首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩 階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。如圖 5所示： 圖 5 二階段法曲線 三階段充電法在充電開始和結(jié)束時采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為充電電流 充電電壓 0 恒流 恒壓 t u,i 充電電壓 充電電流 u,i t 0 電動車充電站充電電路設(shè)計(jì) 6 一種快速充電方法使用，受到一定的限制。 四階段充電法 目前 ， 電動自行車主要以鉛酸蓄電池為動力。鉛酸蓄電池的主要優(yōu)點(diǎn)是： 電池容量大、價格便宜并具有無記憶效應(yīng) 。但存在的缺點(diǎn)是： 體積大、重量重和不能過充或過放。根據(jù)鉛酸蓄電池的上述特點(diǎn)， 鉛酸蓄電池的充電過程一般分為四個階段： 預(yù)充電、脈沖快速充電、補(bǔ)足充電、浮充電 。 （ 1）預(yù)充電 對長期不用的電池、新電池或在充電初期已處于深度放電狀態(tài)的蓄電池充電時，一開始就采用快速充電會影響電池的壽命。為了避免這一問題要先對蓄電池實(shí)行穩(wěn)定小電流充電，使電池電壓上升，當(dāng)電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時再進(jìn)行大電流快速充電。 （ 2） 脈沖快速充電 在快速充電過程中，采用分級定電流脈沖快速充電法， 將充電電流分成三級，開始充電時采用大電流，隨著電池容量的增加，電壓逐漸升高，電流等級開始降低，使充電電流的脈沖幅度和寬度隨蓄電池端電壓的升高而分級減小。采用這種方法可以消除充電接近充滿時易出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象及過充電問題。 （ 3） 補(bǔ)足充電 快速充電終止后，電池并不一定充足電，為了保證電池充入 100％的電量，對電池還要進(jìn)行補(bǔ)足充電。此階段充電采用恒壓充電，可使電池容量快速恢復(fù)。此時充電電流逐漸減小，當(dāng)電流下降至某一閾值時，轉(zhuǎn)入浮充階段。 （ 4） 浮充電 此階段主要用來補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量，只要電池接在充電 電路 上并且接通電源，充電 電路 就會給電池不斷補(bǔ)充電荷，這樣可使電池總處于充足電狀態(tài)。此時也標(biāo)志著充電過程已結(jié)束。 3 總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)題目的要求，系統(tǒng)采用開關(guān)電源，通過脈沖電流的方式來實(shí)現(xiàn)充電的目的。由市電送來的 220V交流電經(jīng)整流、濾波后，經(jīng)脈沖變壓器降壓送給蓄電池進(jìn)行充電。系統(tǒng)可以分為控制部分和信號檢測部分。 控制部分則包括單片機(jī)模塊、電源通斷控制模塊、開關(guān)管驅(qū)動模塊三個基本部分。信號檢測部分由充電電流測量及充電電壓測量模塊組成，其中電流測量用以測量蓄電池充電時的充電電流，電壓測量模塊模塊 測量蓄電池充電時蓄電池的實(shí)時電壓。這兩個實(shí)時信號反饋給單片機(jī)，由單片機(jī)判斷后，控制 PWM波形的占空比。從而控制充電電壓和電流的大小。當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到額定值后，說明蓄電動車充電站充電電路設(shè)計(jì) 7 電池已經(jīng)充滿電，單片機(jī)控制開關(guān)，斷開電源，停止充電。 方案比較與選擇 對系統(tǒng)信號進(jìn)行采樣和控制，一般有兩到三種方法，傳統(tǒng)的方法多數(shù)是將充電的電壓和電流信號反饋回 PWM 信號發(fā)生器，由 PWM 信號發(fā)生器控制開關(guān)管通斷的占空比完成的，現(xiàn)在比較新的方法是單片機(jī)和用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 （ 1）方案一：用 PWM 信號發(fā)生器 (比如 UC3842)實(shí)現(xiàn)的方案。蓄電 池充電時，電壓、電流采樣電路將蓄電池的電壓、電流信號進(jìn)行采樣，采樣的信號經(jīng)過各種處理后，分別送進(jìn) PWM 信號發(fā)生器的電壓和電流反饋引腳。 PWM 信號發(fā)生器對反饋回來的電壓、電流信號進(jìn)行分析，然后調(diào)整 PWM 輸出信號的占空比。這個 PWM 信號送給開關(guān)電源開關(guān)管，從而調(diào)節(jié)開關(guān)管在一個周期內(nèi)關(guān)斷和導(dǎo)通的時間，也就是控制了高頻變壓器通斷的時間，從而實(shí)現(xiàn)控制高頻變壓器輸出電壓和電流的大小。這種方法是目前市場充電器流行使用的方法，也是一種很技術(shù)非常成熟的方法。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是，技術(shù)簡單、成熟、有多年的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)、所需的元器件少、 成本低，但其在沒充滿電的情況下就會產(chǎn)生過充電的現(xiàn)象，增加蓄電池的損耗，使蓄電池的壽命減少，方案圖如圖 6所示： 圖 6 方案一 （ 2）方案二：用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的方案。由 AT89C51 系列單片機(jī)代替 PWM 信號發(fā)生器輸出 PWM 波形控制開關(guān)管在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通與斷開。電壓、電流采樣電路將蓄電池的電壓、電流信號進(jìn)行采樣，采樣信號分別送進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將電壓和電流的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字信號送入單片機(jī)（ MCU），由單片機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行分析和處理。然后單片機(jī)調(diào)整 PWM 輸出信號的占空比。這個脈沖寬度調(diào)制（ PWM）信號送給開關(guān)電源開關(guān)管，從而調(diào)節(jié)開關(guān)