【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 壓值仿真 .................................................................................................................28 恒流數(shù)值仿真 ..............................................................................................................29 恒壓數(shù)值仿真 ................................................................................................................30 部分充電過程試仿真 .........................................................................................................32結(jié)論 ..................................................................................................................................................33致謝 ..................................................................................................................................................34參考文獻(xiàn) ..........................................................................................................................................35附錄 ..................................................................................................................................................37隨著近年來一系列積極政策的出臺(tái)，我國(guó)的汽車行業(yè)發(fā)展迅速，汽車產(chǎn)銷實(shí)現(xiàn)了“井噴”式增長(zhǎng)，并在2022年一躍首次成為世界第一大消費(fèi)國(guó)。然而我國(guó)的石油正面臨著資源短缺、開采過度、能源利用率低的困境，石油進(jìn)口量也以每年兩位數(shù)的百分比增長(zhǎng)。由對(duì)不可再生資源日益增長(zhǎng)的需求和不斷減少的能源供給引發(fā)的愈發(fā)尖銳的矛盾亟需尋找到解決的方式。另一方面，能源的過度消耗直接刺激了二氧化碳?xì)怏w排放量的快速增長(zhǎng)，而在目前我國(guó)的二氧化碳排放中，約有25%來自于汽車。預(yù)計(jì)到2030年，二氧化碳的排量將由2022年的281億噸增至423億噸。汽車尾氣的污染已經(jīng)成為城市大氣污染的重要因素，減排二氧化碳的壓力將越來越大。因此，大力發(fā)展新能源汽車，用電代油，是保證能源和環(huán)境安全的必要措施。當(dāng)前的純電動(dòng)汽車技術(shù)還存在不少問題，然而對(duì)于主導(dǎo)市場(chǎng)份額的消費(fèi)者來說，面對(duì)檔次相仿的電動(dòng)汽車，在缺乏相應(yīng)專業(yè)知識(shí)的情況下，蓄電池的使用壽命便成為其最為關(guān)注的問題之一。同時(shí)，相較于傳統(tǒng)汽車，電動(dòng)汽車除了在環(huán)境保護(hù)方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)之外，與不斷上漲的油價(jià)相比，低廉的電費(fèi)也正是吸引眾多潛在消費(fèi)者的最大賣點(diǎn)之一。這就要求電動(dòng)汽車的充電電池更要能真正的做到高質(zhì)量，高循環(huán)充電率。不同的蓄電池?fù)碛胁煌某潆娊邮仗匦郧€，在理想情況下，如果能完全跟隨此曲線的走勢(shì)進(jìn)行充電，則將在最大程度上的延長(zhǎng)充電電池的使用壽命，從而降低因?yàn)轭l繁更換電池增加購(gòu)買成本的可能性。但在實(shí)際生活中，由于技術(shù)手段的限制，達(dá)到這樣的充電效果是不可能的；另一方面，單純的恒流或者恒壓充電的方法雖然易于實(shí)現(xiàn)且占據(jù)大部分的市場(chǎng)份額，但是這兩種方式都在一定程度上對(duì)充電電池的性能有傷害或者無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完成充電，加上不正確的充電習(xí)慣的影響，電池的壽命將在一次次的充電后急速縮短。本文所介紹的充電電池控制電路能通過和單片機(jī)程序的配合，在充電時(shí)自動(dòng)檢測(cè)電流及電壓值，并在其變化到給定值時(shí)智能完成多階段恒流充電和恒壓充電模式的轉(zhuǎn)換，并在各階段中維持電流、電壓的穩(wěn)定性。在現(xiàn)有的技術(shù)條件和控制成本的前提下，使充電狀態(tài)盡可能接近且不超過蓄電池的接收特性曲線，從而延長(zhǎng)充電電池的使用壽命。對(duì)于在充電特性方面要求高的電動(dòng)汽車行業(yè)來說，增加這樣一個(gè)控制電路的必要性也就不言而喻了。性能良好耐用的電池不僅可以作為商家吸引消費(fèi)者的主打牌，也可以免去因電池售后維修和更換所帶來的企業(yè)支出。本文首先對(duì)幾種常見充電方式進(jìn)行介紹分析，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，引出五段式充電模式的概念。再根據(jù)控制電路所要達(dá)到的控制效果將其用模塊流程圖表現(xiàn)出來，通過各模塊的實(shí)現(xiàn)功能來討論具體電路的選擇。電路基本框架敲定后進(jìn)行針對(duì)元器件參數(shù)選擇的分析論證，將電路細(xì)化并完成整體設(shè)計(jì)。最后通過仿真軟件對(duì)方案的完成效果進(jìn)行驗(yàn)證。1 蓄電池的充電方式 蓄電池充電特性曲線自 1859 年鉛酸的充放電特性被普蘭特發(fā)現(xiàn)后，鉛酸蓄電池經(jīng)歷了長(zhǎng)久的發(fā)展過程，其制造技術(shù)手段已經(jīng)相當(dāng)成熟，時(shí)至今日，鉛酸蓄電池依舊是電池領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品。在對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，可由電流隨時(shí)間的變化繪制出蓄電池的充電特性曲線。同時(shí)，蓄電池具有一條由本身特性決定的顯示充電時(shí)可用最大安全電流的接收特性曲線（如上圖所示） ；即充電電流一旦超過某一時(shí)刻的最大接收值，就會(huì)對(duì)蓄電池性能造成一定的損傷，長(zhǎng)期積累會(huì)導(dǎo)致電池使用壽命的縮短。 圖 鉛酸蓄電池接收能力曲線當(dāng)充電特性曲線能夠完全與蓄電池接收曲線重合時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)理想狀態(tài)下在不損壞蓄電池性能的情況下以最大允許電流或電壓在最短時(shí)間內(nèi)完成充電的設(shè)想。但是現(xiàn)階段的充電方式往往都只能單純的滿足減少充電時(shí)間或保護(hù)電池性能的要求，因此，研究處于兩者平衡點(diǎn)的充電方式是必然的發(fā)展趨勢(shì)。 幾種常見充電方式 恒壓充電顧名思義，恒壓充電即是在充電過程中將蓄電池兩極間電壓維持在恒定值的充電方式。在恒壓充電過程中，充電電流是逐漸減小的，即達(dá)到了自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流的效果，與蓄電池接收能力曲線走勢(shì)相同。如果設(shè)定的電壓恒定值適宜，就既能保證蓄電池的完全充電，又能盡量減少析氣和失水。雖然兩曲線基本走勢(shì)相同，但在隨著恒壓充電的進(jìn)行，充電電流的下降速度趨于平緩，無(wú)法下降到接收曲線的要求值，這時(shí)再進(jìn)行充電就會(huì)對(duì)蓄電池性能造成一定的影響。兩曲線對(duì)比如上圖所示。 總體來說，恒壓充電有以下優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：充電特性曲線更接近于蓄電池接收特性曲線。充電電路易于實(shí)現(xiàn)?！　『銐撼潆婋娊馑苌?，避免了由于硫酸鉛濃度上升而造成的電池老化。但是使用這種方法會(huì)造成充電初期電流過大，容易使蓄電池極板彎曲，導(dǎo)致電池報(bào)廢，且無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完成。 　　圖 恒壓充電特性曲線與接收特性曲線綜合考慮以上優(yōu)缺點(diǎn)，恒壓充電現(xiàn)階段已經(jīng)很少使用，只有在要求低充電電壓、大電流時(shí)才采用。 恒流充電與恒壓方式相對(duì)應(yīng)，在充電過程中，充電電流維持在恒定值，也是一種目前被廣泛采用的充電方法，充電電路多用開關(guān)電源控制實(shí)現(xiàn)。充電時(shí)可以根據(jù)蓄電池的容量和接收特性曲線來確定合適的充電電流值，利用小電流、長(zhǎng)時(shí)間的充電方式在不傷害蓄電池性能的情況下完成充電。 恒流充電特性曲線與接收特性曲線為了盡量減少充電時(shí)間，充電電流值的選擇不能過小，但是這樣就會(huì)造成在電池即將充滿的后期階段充電特性曲線超過蓄電池接收曲線的情況。所以現(xiàn)階段在恒流充電的基礎(chǔ)上，將后期恒流充電階段置換為小電流連續(xù)充電，充電特性曲線如上圖所示。 涓流充電大部分電池充滿電后，電量會(huì)由于自放電現(xiàn)象不停流失，涓流充電可通過對(duì)保持在近似完全充電狀態(tài)的蓄電池進(jìn)行連續(xù)小電流充電以補(bǔ)償流失電量。現(xiàn)在大多數(shù)接入直流電源系統(tǒng)的蓄電池，在完全充電后都會(huì)進(jìn)入涓流充電狀態(tài)，以備放電時(shí)使用。涓流充電常在以恒流、恒壓為主的充電過程中起輔助作用。對(duì)于串聯(lián)蓄電池組來說，涓流充電能夠很好的均衡各個(gè)電池的端電壓和比重，并起到蓄電池維護(hù)和化學(xué)特性激活的作用。因此又稱維護(hù)（浮充）充電。 三段式充電三種基本的充電方式各有利弊，如果能將它們綜合利用使其能夠彌補(bǔ)自身的缺點(diǎn)，那么找到縮短充電時(shí)間和保護(hù)電池性能之間的最佳平衡點(diǎn)也就不再困難。三段式充電就是很好的一個(gè)例子。利用三種基本充電方式的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的綜合，就可實(shí)現(xiàn)三段式充電。恒流充電階段：在初始恒流充電階段要選擇合適的充電電流值，過大會(huì)導(dǎo)致電池極板的損壞，而過小則會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間。電池放電越深，恒流充電的時(shí)間越長(zhǎng)，反之則較短。恒壓充電階段：恒流充電后，保持此時(shí)的充電電壓進(jìn)行恒壓充電，充電電流下降。一般來說，充電電流下降到10mA/Ah以下時(shí)即認(rèn)為電池已基本充滿，即可轉(zhuǎn)入浮充電狀態(tài)。 涓流充電階段：恒壓充電結(jié)束后轉(zhuǎn)入浮充充電階段，大約需要24小時(shí)左右來使蓄電池容量恢復(fù)到100%。在這一階段，由于電池已處于近似完全充電的狀態(tài)，所以即使持續(xù)時(shí)間再長(zhǎng)，其容量也不會(huì)再明顯增長(zhǎng)。 五段式充電 由上文對(duì)三段式充電的介紹可知，交替切換恒流恒壓充電模式可以使充電特性曲線呈階梯狀逐漸下降，符合蓄電池接收曲線的走勢(shì)。由此考慮，如果在此基礎(chǔ)上引入更多的恒流、恒壓階段切換，那么所產(chǎn)生的充電特性曲線將更加逼近電池的接收特性曲線。但是由此一來，就需要更多的控制環(huán)節(jié)來完成調(diào)控使系統(tǒng)復(fù)雜化。綜合考慮，決定在三段式充電的基礎(chǔ)上分別增加一個(gè)恒流階段和恒壓階段，構(gòu)成五段式充電模式，其充電特性曲線如下圖所示：圖 五段式充電特性曲線①曲線為充電電池接收特性曲線②曲線為充電過程中電流變化曲線，即充電特性曲線③曲線為充電過程中電壓變化曲線充電過程分為以下五個(gè)階段：30A 恒流充電直至電壓升至 ，切換為恒壓充電模式。 恒壓充電直至電流下降為 15A，切換為恒流充電模式。15A 恒流充電直至電壓升至 ，切換為恒壓充電模式。 恒壓充電直至充電電流下降為 3A，停止充電(停機(jī))。電壓下降至 ，重新啟動(dòng)，進(jìn)入電流小于 3A 的浮充充電過程。下面就根據(jù)充電特性曲線對(duì)電路進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。2 前端電路開關(guān)電源介紹 選用開關(guān)電源的原因要實(shí)現(xiàn)恒流、恒壓的分段充電，并且保證每階段充電時(shí)電流、電壓值的精確與穩(wěn)定度，前端電路即采用開關(guān)電源來維持恒定的電流、電壓值。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)，通過控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，調(diào)整輸出波形的占空比，并能在各個(gè)調(diào)整階段維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM: Pulse Width Modulation）來進(jìn)行控制?，F(xiàn)在常用的開關(guān)電源有兩種：一種是直流開關(guān)電源，另一種是交流開關(guān)電源；本文中所介紹的前端電路使用的是直流開關(guān)電源。其功能是將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電源所提供的不能穩(wěn)定在固定值的電壓，轉(zhuǎn)換成滿足設(shè)備要求的高穩(wěn)定度、高精度直流電壓。由此看來，直流開關(guān)電源能夠很好地完成精確調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電流、電壓的任務(wù)。下面就對(duì)其工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。 開關(guān)電源工作原理構(gòu)成電路的前端電路根據(jù)功能可劃分為三個(gè)階段：前期整流濾波階段（針對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行） ，IGBT 階段，后期整流濾波階段（針對(duì) IGBT 部分輸出電壓進(jìn)行） 。 前期整流濾波部分前期整流濾波電路圖請(qǐng)參見附錄圖 2。輸入端接入 220V 50Hz 的電網(wǎng)電壓，首先通過橋式整流利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒄?fù)變化的交流電壓變?yōu)閱蜗虻拿}動(dòng)電壓，即脈動(dòng)直流電；再通過濾波電路利用電容將脈動(dòng)電壓的交流諧波部分濾除，最終輸出相對(duì)穩(wěn)定的直流電壓。在整流方式和濾波電容的選擇方面，主要考慮兩個(gè)因素：①用于構(gòu)成整流電路的二極管所承受的反向電壓，②電路處于高頻工作環(huán)境還是低頻工作環(huán)境。 IGBT 部分IGBT 部分電路圖請(qǐng)參見附錄圖 3。在這部分電路中起主要作用的是四支 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，即絕緣柵雙極型晶體管，同時(shí)也是在芯片 SG3525 的控制下完成 PWM 脈沖寬度調(diào)制以改變輸出電壓值的核心元器件。其工作原理如下：位于對(duì)角線上的晶體管各為一組。當(dāng)兩組晶體管依次導(dǎo)通時(shí)，會(huì)在變壓器上依次產(chǎn)生左正右負(fù)、左負(fù)右正的電壓，由此將前端電路輸出的直流電轉(zhuǎn)變成變壓器所需的交流電。理論上來說，兩組晶體管在不同時(shí)導(dǎo)通的情況下，可在一個(gè)交流電周期內(nèi)導(dǎo)通和關(guān)斷各 50%的時(shí)間。但在實(shí)際應(yīng)用中，兩組晶體管的依次導(dǎo)通的間隙必須留有同時(shí)關(guān)斷的時(shí)間，即死區(qū)控制，否則會(huì)造成短路。另外，并聯(lián)在每個(gè)晶體管旁的吸收電容和吸收電阻可以防止交流方波出現(xiàn)“毛刺現(xiàn)象” 。串聯(lián)在變壓器旁的電容主要起到“隔直流通交流”的作用。 后期整流濾波部分后期整流濾波部分電路圖請(qǐng)參見附錄圖 4。這部分電路采用了全波整流，因?yàn)榻?jīng)過變壓作用，交流方波電壓最大值降至約 112V，即使每個(gè)二極管均承擔(dān)二倍的電壓最大值即 也很容V241??易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過與第一階段相類似的整流和濾波過程，最終得到可供電動(dòng)汽車充電器使用的穩(wěn)壓電源。通過對(duì)穩(wěn)壓電源電壓值進(jìn)行取樣，經(jīng)由控制電路的調(diào)節(jié)，配合單片機(jī)程序控制，即可完成分段恒流恒壓的充電過程。下面將重點(diǎn)介紹電動(dòng)汽車充電器的核心電路——控制電路部分。3 控制電路的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思路與理念前文已經(jīng)介紹過，此控制電路要能夠通過與前端電路開關(guān)電源和單片機(jī)的配