【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(wèn)題，只能實(shí)現(xiàn)中小容量電池的規(guī)?；a(chǎn)，不能滿足大功率動(dòng)力的需求。鉛酸蓄電池自發(fā)明以來(lái)，至今已有 150年的歷史，技術(shù)十分成熟。在現(xiàn)階段，以電動(dòng)助力車為主的小型電動(dòng)車輛目前也主要以鉛酸蓄電池作為動(dòng)力電源，在這一市場(chǎng)上，鉛酸蓄電池由于具備突出的性電動(dòng)車充電站充電電路設(shè)計(jì) 2 價(jià)比優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了 95%以上的市場(chǎng)份額。 課題研究的內(nèi)容 本課題通過(guò)采用單片機(jī)技術(shù)和 RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車充電站設(shè)計(jì) ,主要有三個(gè)功能，電量檢測(cè)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(dòng)車充電站示意圖 此設(shè)計(jì)的內(nèi)容是將 220V市電通過(guò)一系列的轉(zhuǎn)換與控制輸出穩(wěn)定的 48V電壓對(duì)電動(dòng)車進(jìn)行充電。本文通過(guò)六部分電路的設(shè)計(jì)來(lái)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(hào)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(shí)檢測(cè)充電 電流 和蓄電池電壓的實(shí)際值， 分級(jí) 控制開(kāi)關(guān)電源的脈沖頻率和實(shí)時(shí)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(duì)蓄電池的分級(jí)慢脈沖充電 。 設(shè)計(jì)中系 統(tǒng)可以分為控制部分和信號(hào)檢測(cè)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(guò)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(shí)利用外部的電能使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能儲(chǔ)存為化學(xué)能，需要放電時(shí)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(gè)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(guò)電量測(cè)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(dòng)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(kāi)始發(fā)生過(guò)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(shí)，氫氣和氧氣能夠重新化合為水。過(guò)充電開(kāi)始的時(shí)間與充電的速率有關(guān)。當(dāng)充電速率大于 C/5時(shí)，電池容量恢復(fù)到額定容量的 80%以前，即開(kāi)始發(fā)生過(guò)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(guò)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(guò)充電反應(yīng)。過(guò)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(kāi)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(guò)高，以免因嚴(yán)重的過(guò)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(shí)，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(shí)工作 在理想狀態(tài) ，當(dāng)環(huán)境溫度降到 0℃ 時(shí)，電池就不能充足電，當(dāng)環(huán)境溫度上升到 50℃ 時(shí)，電池將因嚴(yán)重的過(guò)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(gè)復(fù)雜的電化學(xué)過(guò)程。一般地說(shuō) ,充電電流在充電過(guò)程中隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降 ,不可能自動(dòng)按恒流或恒壓充電。充電過(guò)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(huì)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(hào)、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(guó)科學(xué)家馬斯對(duì)開(kāi)口蓄 電池的充電過(guò)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(shí)間，并且對(duì)電池的容量和壽命也沒(méi)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(dòng)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(guò)程中產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。在密封式蓄電池充電過(guò)程中，內(nèi)部產(chǎn)生氧氣和氫氣，當(dāng)氧氣不能被及時(shí)吸收時(shí)，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(shí)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(guó)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(shí)規(guī)則 ” ：充電電流安培數(shù)，不應(yīng)超過(guò)蓄電池待充電的安培時(shí)數(shù)。實(shí)際上，常規(guī)充電的速度被蓄電池在充電過(guò)程中的溫升和氣體的產(chǎn)生所限制。這個(gè)現(xiàn)象對(duì)蓄電池充電所必須的最短時(shí)間具有重要意義。一般來(lái)說(shuō)，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(guò)程的進(jìn)行而逐漸下降的 。 在充電過(guò)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(gè)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(zhǎng)蓄電池的使用壽命。缺點(diǎn)是充電時(shí)間長(zhǎng)，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(guò)程中，始終保持一個(gè)恒定的充電電壓，絕大多數(shù)汽車都采用這種充電方法對(duì)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(dòng)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(shí)間就導(dǎo)致充電電流下降為零，過(guò)早地結(jié)束了充電，長(zhǎng)期如此，勢(shì)必導(dǎo)致 蓄電池長(zhǎng)期充電不足，容量下降，壽命縮短。如果充電電路輸出電壓過(guò)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?cè)冢潆娛冀K在進(jìn)行，勢(shì)必導(dǎo)致蓄電池過(guò)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(guò)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(kāi)始和結(jié)束時(shí)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(shí)，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(dòng)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(dòng)自行車主要以鉛酸蓄電池為動(dòng)力。鉛酸蓄電池的主要優(yōu)點(diǎn)是： 電池容量大、價(jià)格便宜并具有無(wú)記憶效應(yīng) 。但存在的缺點(diǎn)是： 體積大、重量重和不能過(guò)充或過(guò)放。根據(jù)鉛酸蓄電池的上述特點(diǎn)， 鉛酸蓄電池的充電過(guò)程一般分為四個(gè)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(duì)長(zhǎng)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(shí)，一開(kāi)始就采用快速充電會(huì)影響電池的壽命。為了避免這一問(wèn)題要先對(duì)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(shí)再進(jìn)行大電流快速充電。 （ 2） 脈沖快速充電 在快速充電過(guò)程中，采用分級(jí)定電流脈沖快速充電法， 將充電電流分成三級(jí)，開(kāi)始充電時(shí)采用大電流，隨著電池容量的增加，電壓逐漸升高，電流等級(jí)開(kāi)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(jí)減小。采用這種方法可以消除充電接近充滿時(shí)易出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象及過(guò)充電問(wèn)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(duì)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(shí)充電電流逐漸減小，當(dāng)電流下降至某一閾值時(shí)，轉(zhuǎn)入浮充階段。 （ 4） 浮充電 此階段主要用來(lái)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(huì)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(shí)也標(biāo)志著充電過(guò)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(kāi)關(guān)電源，通過(guò)脈沖電流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)充電的目的。由市電送來(lái)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(hào)檢測(cè)部分。 控制部分則包括單片機(jī)模塊、電源通斷控制模塊、開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊三個(gè)基本部分。信號(hào)檢測(cè)部分由充電電流測(cè)量及充電電壓測(cè)量模塊組成，其中電流測(cè)量用以測(cè)量蓄電池充電時(shí)的充電電流，電壓測(cè)量模塊模塊 測(cè)量蓄電池充電時(shí)蓄電池的實(shí)時(shí)電壓。這兩個(gè)實(shí)時(shí)信號(hào)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(shuō)明蓄電動(dòng)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(kāi)關(guān)，斷開(kāi)電源，停止充電。 方案比較與選擇 對(duì)系統(tǒng)信號(hào)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(hào)反饋回 PWM 信號(hào)發(fā)生器，由 PWM 信號(hào)發(fā)生器控制開(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)。 （ 1）方案一：用 PWM 信號(hào)發(fā)生器 (比如 UC3842)實(shí)現(xiàn)的方案。蓄電 池充電時(shí)，電壓、電流采樣電路將蓄電池的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣的信號(hào)經(jīng)過(guò)各種處理后，分別送進(jìn) PWM 信號(hào)發(fā)生器的電壓和電流反饋引腳。 PWM 信號(hào)發(fā)生器對(duì)反饋回來(lái)的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行分析，然后調(diào)整 PWM 輸出信號(hào)的占空比。這個(gè) PWM 信號(hào)送給開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)管，從而調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)關(guān)斷和導(dǎo)通的時(shí)間，也就是控制了高頻變壓器通斷的時(shí)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(chǎng)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(jiǎn)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(méi)充滿電的情況下就會(huì)產(chǎn)生過(guò)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(hào)發(fā)生器輸出 PWM 波形控制開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通與斷開(kāi)。電壓、電流采樣電路將蓄電池的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣信號(hào)分別送進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將電壓和電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)（ MCU），由單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析和處理。然后單片機(jī)調(diào)整 PWM 輸出信號(hào)的占空比。這個(gè)脈沖寬度調(diào)制（ PWM）信號(hào)送給開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)管，從而調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)