【正文】 此 ， 在我國有著得天獨(dú)厚的發(fā)展條件和廣闊的應(yīng)用前景。這四類電池的性能和優(yōu)缺點(diǎn)如表 1所示： 表 1 各材料電池性能比較 性能等指標(biāo) 鉛酸蓄電池 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池 電池容量 3Ah3000Ah 100mAh7Ah 10mAh3Ah 50mAh50Ah 重量比能量 35Wh/Kg 50Wh/Kg 70Wh/Kg 120Wh/Kg 體積比能量 90Wh/L 100Wh/L 140Wh/L 360Wh/L 工作溫度 40~60℃ 40~50℃ 40~50℃ 20~60℃ 大電流放電性能 高 較高 較低 較低 充放電壽命 較低 一般 高 高 記憶效應(yīng) 無 有 略有 無 安全性 高 較高 較高 較低 回收循環(huán)利用 高 低 低 低 技術(shù)成熟度 高 較高 較高 一般 成本 低 較低 較高 高 鉛酸蓄電池的主要優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、成本低、容量大、大電流放電性能好、使用溫度范圍廣、安全性高，并且能夠做到完全回收和再生利用，缺點(diǎn)是重量大、 比能量低。 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 ,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。 設(shè)計中系 統(tǒng)可以分為控制部分和信號檢測部分。 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]。過充電開始的時間與充電的速率有關(guān)。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。采用適當(dāng)?shù)母〕潆妷海芊忏U酸蓄電池的壽命可達(dá) 10年以上。 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。 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。主要原因是充電過程中產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。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。 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 。 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。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 5 小。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。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。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) 。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。此階段充電采用恒壓充電，可使電池容量快速恢復(fù)。 3 總體設(shè)計方案 系統(tǒng)設(shè)計 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。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。 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)。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。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。當(dāng)蓄電池充電滿后，由單片機(jī)輸出信號控制開關(guān)斷開電源，充電器便停止對蓄電池的充電。用狀態(tài)機(jī)來控制 A/D 采樣，包括將采得的數(shù)據(jù)存入 RAM，整個采樣周期需要 4至 5個狀態(tài)即可完成。然后 FPGA 調(diào)整 PWM 輸出信號的占空比。 FPGA 的晶振頻率一般為幾十兆赫茲，故信號的采樣頻率高。方案二成本比方案一略高一點(diǎn)，易于接受，而且編程沒有那么的復(fù)雜，在本次設(shè)計選擇此方案。單片機(jī)通過軟件將送進(jìn)來的電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為實(shí)際值，并將它們與上一次的實(shí)際值進(jìn)行比較，然后再調(diào)節(jié)輸出的 PWM 波形的頻率和占空比，并控制指示燈的亮滅來指示充電的過程。其中 AT89C51 是我們在學(xué)習(xí)生活中常常用到或見到的，它的功能非常強(qiáng)大，在許多方面都得到應(yīng)用。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。當(dāng) CPU以總線方式訪問片外存儲器時， P2輸出高 8位地址。其內(nèi)部有一個 8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量 ? CLK：時鐘脈沖輸入端。下降沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換，之后 EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正 在進(jìn)行。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn) A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送?？蓳?jù)此設(shè)計一個延時子程序， A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。該四放大器可以工作在低到 32伏的電源下 。 LM324本身具有許多特點(diǎn)，比如：一是具有短路保護(hù)輸出；二是真差動輸入級；三是可單電源工作；四是低偏置電流，最大為 100nA；五是每個封裝含有四個運(yùn)算放大器；六是具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ埽黄呤枪材７秶鷶U(kuò)展到負(fù)電源；八是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列；九是輸入端具有靜電保護(hù)功能。 功能模塊電路設(shè)計 整流濾波電路設(shè)計 交流 220V整流濾波電路由繼電器電路、橋形濾波整流電路和保護(hù)電路組成。三極管 Q3用于將光電耦合器 NEC2501的信號放大，以確保有效的驅(qū)動繼電器，其中R1 R17和 R18為限流電阻。由于 C31～ C34兩端的電壓不能突變， C31～ C34處于短路狀態(tài)，二極管上不全流過很大的電流，從而保護(hù)了二極管。 充電電路部分是電動車充電站三大功能的一部分，主要實(shí)現(xiàn)智能充電功能。而有了 C R D7組成的緩沖電路，在變壓器上電一瞬間，由于電容 C6兩端的電壓不能突變，有個上升的過程，它兩端的電壓隨著電容的充電而升高，從而起到緩沖的作用。 R15～ R17構(gòu)成蓄電池實(shí)際電壓的采樣電路，在本電路采樣蓄電池的 1/10的電壓。單片機(jī)的 P0口通過排阻 RR5與電源相連，為 P0口的每個引腳接了一個 10K的上拉電阻。其中，電流采樣信號經(jīng)過兩級放大和量程自動轉(zhuǎn)換電路調(diào)整后級放大電路的放大倍數(shù)。電壓跟隨器 的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近 1， 具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn) ，極端一點(diǎn)去理解，當(dāng)輸入阻抗很高時，就相當(dāng)于對前級電路開路，當(dāng)輸出阻抗很低時，對后級電路就相當(dāng)于一個恒壓源，即輸出電壓不受后級電路阻抗影響。如圖 14所示，采樣電流經(jīng)過由 R15和 C6組成的低通濾波器，讓 10 KHz的有用信號能進(jìn)入到前置放大器中，而 10 KHz以上的諧波信號則從電容 C24流入地中，提高了電路的搞干擾能力。這四個基淮電壓信號分別為 1V、 、 ,當(dāng)采樣信號大于基準(zhǔn)電壓時，電壓比較器 LM339輸出低電平，當(dāng)采樣信號小于基準(zhǔn)電壓時，電壓比較器 LM339輸出高電平。在這用的是 Ω的電阻。繼電器陣列用于實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的自動轉(zhuǎn)換，當(dāng)充電電流為 20mA～ 100mA 時，引腳 15和 16 所接的線圈通電，使最左邊的繼電器導(dǎo)通。當(dāng)充電電流為 500mA～ 1000mA 時，引腳 11 和 12 所接的線圈通電，從左邊數(shù)第三個繼電器導(dǎo)通。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為 8 通道模擬輸入的 ADC0809，由于 在本設(shè)計中只用了兩個模擬通道，所以 模擬通道選擇信號 地址 A由單片機(jī)通過鎖存器 74HC573 來控制，而 B、 C 接 低電平。通常使用頻率為 500KHz 的時鐘信號 ， ADC0809 的時鐘信號由單片機(jī)的 地址鎖存允許信號 引腳ALE 輸出 1MHZ 的方波，經(jīng)兩個 D 觸發(fā)器組成的四分頻電路后得到 500KHZ 的方波時鐘信號。 D0～ D7—— 數(shù)據(jù)輸出線。 ALE(22 腳 )— 地址鎖 存允許信號。 在本電路中，將 ALE和 START 進(jìn)行線與，由單片機(jī)的 WR 和 引腳通過與非門和反相器來控制 ADC0809 的地址鎖存和模數(shù)轉(zhuǎn)換的啟動。 由單片 機(jī)的 RD和 引腳通過與非門和反相器來打開 ADC0809 三態(tài)輸出鎖存器 。在輸出端反接一個二極管，用于保護(hù)電電動車充電站充電電路設(shè)計 20 路。在輸入端與地之間接有一個 3K 的電阻和一個發(fā)光二極管，用于指示有無電源的輸入， 便于調(diào)試和維修。如圖 18 所示 : 圖 18 5V電源電路 電動車充電站充電電路設(shè)計 21 5 充電電路的軟件設(shè)計 主程序設(shè)計 電動車充電站流程圖如圖 19 所示： 圖 19 電動車充電站流程圖 當(dāng)用戶開始給充電時，讀寫器開始檢測用戶卡是否存在。若是確定某一個用戶，則以電量檢測模塊返回的所需充電度數(shù)作為電子付費(fèi)的依據(jù)，對電動車充電，直至充電完成。在充電器對蓄電池進(jìn)行充電的同時，單片機(jī)實(shí)時地測量充電的電流和蓄電池的 電壓，并對電流和電壓信號進(jìn)行處理，不斷地調(diào)整 PWM 波形的占空比。當(dāng) ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束發(fā)出中斷信號，單片機(jī)收到中斷后，進(jìn)入中斷子程序，接著向 ADC0809 發(fā)出讀信號，讀出采樣電流信號，開始 初始化 啟動模 數(shù)轉(zhuǎn)換 讀取電壓幅值 U10V? 恒流充電 讀取電 壓幅值 U40V? N 預(yù)充電 Y N 停止充電 U48V？ 讀取電 壓幅值 涓流充電 U45V？ 讀取電 壓幅值 恒壓充電 N Y Y Y N 電動車充電站充電電路設(shè)計 23 程序流程圖如下圖所示 : 圖 21 模數(shù)轉(zhuǎn)換啟動與數(shù)據(jù)讀取程序流程圖 電源通斷控制軟件設(shè)計 在傳統(tǒng)的的充電電路中并沒有設(shè)計有自動閉合與關(guān) 斷電源的電路，這就使蓄電池在充滿電后，充電電路仍在對它進(jìn)行充電。然后單片機(jī)不斷地測量蓄電池的電壓，當(dāng)電壓到達(dá) 48V 時，通過單片機(jī)的控制斷開電源停止充電，程序流程圖如下圖所示 : 圖 22 電源控制程序流程圖 測量電壓 開始 U=48V? 晶閘管導(dǎo)通 繼電器線圈通電 SCR 門極斷電 結(jié)束 N Y 開始 發(fā)送電壓 通道地址 啟動模 數(shù)轉(zhuǎn)換 延時 發(fā)送讀信號 讀取電壓數(shù)據(jù) 發(fā)送電流地址 啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換 延時 發(fā)送讀信號 讀取電流數(shù)據(jù) 結(jié)束 電動車充電站充電電路設(shè)計 24 結(jié)束語 經(jīng)過 一段時間的準(zhǔn)備，終于完成了電動車充電站充電電路設(shè)計的全部工作，雖然沒有完全達(dá)到設(shè)計要求，但是一路走過來 ,我覺得這個過程還是很重要的，收獲也是頗多的。與傳統(tǒng)的充電電路相比，本設(shè)計中增加了一個電源閉 合與關(guān)斷的控制電路，并用軟件控制關(guān)斷與閉合。這一切都要花時間去不斷的嘗試與練習(xí) ，主要是硬件電路這塊。同時，在設(shè)計的過程中由于時間較短，自身技術(shù)的不成熟，設(shè)計中仍存在很大的不足，希望在今后的學(xué)習(xí)中能夠不斷改進(jìn)。 再次感謝郭老師在學(xué)習(xí)和生活上對我的教