【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、溫度檢測(cè)電路、 單片機(jī) 、上位機(jī)和 UI 界 面組成。如圖 所示： 圖 充電系統(tǒng)框圖 電池組是充電器實(shí)現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)。 電源電路是由降壓電路、整流線路、濾波電路和電壓升降控制電路組成，該模塊為電池組提供了充電電源。 報(bào)警電路主要組成元器件是蜂鳴器，當(dāng)電池充滿或溫度超過警戒值時(shí)，單片機(jī)會(huì)做出判斷，從而是向報(bào)警電路發(fā)出指令，之后報(bào)警電路做出應(yīng)答。此電路主要是提醒用戶，充電溫度過高或者是已經(jīng)充滿電了。 電壓檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)的功能是通過檢測(cè)到的電壓與所設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較后UI 界 面 電池組 電源電路 單片機(jī) ( STM32 ) 電壓 檢測(cè) 溫度 檢測(cè) 開關(guān) 控制 上位機(jī)（ PC 機(jī)） 通信 報(bào)警電路 第 7 頁 共 37 頁 進(jìn)行一定的量化從而確定目前電池的電量。 溫度檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)的功能是通過溫度傳感器檢測(cè)到的溫度，判斷溫度數(shù)值是否處在安全范圍內(nèi)，如果超出范圍，立即斷開電源，并進(jìn)行報(bào)警，從而控制充電過程，保證充電安全。 單片機(jī) STM32 控制電路以 STM32 為核心組成。 STM32 是一款功能強(qiáng)大、高性能、低成本、低功耗并且片內(nèi)資源非常豐富的嵌入式應(yīng)用。 STM32 主控制電路作為整個(gè)智能充電器系統(tǒng)的中心，主要完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和 A/D 轉(zhuǎn)換等功能。其中 A/D 轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以完成數(shù)據(jù)的處理。 上位機(jī)和 UI 界面模塊主要是電腦通過串口通信，獲取單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)，在 Qt 工程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。 本系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單，功耗低， 人機(jī)交互能力強(qiáng) ， 安全性能高 等優(yōu)點(diǎn) 。本充電器的要實(shí)現(xiàn)的功能是，在對(duì)鋰電池的充電過程中一直顯示電池的動(dòng)態(tài)電量和充電時(shí)間以及整個(gè)充電器的溫度；當(dāng)充電 器或電池的溫度超過警戒值時(shí)，自動(dòng)斷電并且進(jìn)行報(bào)警；當(dāng)電池充滿電時(shí)，單片機(jī)通過判斷檢測(cè)到的電壓數(shù)據(jù)后發(fā)送指令，使繼電器工作，自動(dòng)停止充電。 對(duì)所要設(shè)計(jì)的充電器性能要求有如下幾項(xiàng)： :對(duì)鋰電池充電時(shí)，如何保證人員的人身安全和電池組的安全是至關(guān)重要的。 :充電器應(yīng)具有較高的智能性，不需要操作人員過多干預(yù)充電過程。 ：充電器應(yīng)該具有更好的人機(jī)交互性，使得操作人員能更直觀的感受充電器對(duì)鋰電池的充電過程。 電源模塊 電源方案的選擇 （ 1）方案一 普通電源：用變壓器將家用的 220V 交流電變壓為低壓交流電，之后將變壓后的低壓交流電整流濾波，然后將家用的交流電變換為輸出穩(wěn)定的低壓直流電，最終能作為電池組的充電電源。使用該方案設(shè)計(jì)的電源電路輸出的電壓較為穩(wěn)定并且波紋震蕩相對(duì)較小，但是缺點(diǎn)比較明顯，如能選擇的電壓范圍比較窄，中間 第 8 頁 共 37 頁 浪費(fèi)的電能多。 （ 2）方案二 開關(guān)電源：家用交流電通過變壓器變壓后，輸出低壓交流電，之后經(jīng)過整流堆橋，濾波電容（大的電解電容）后，除高頻雜波和同相干擾信號(hào)，輸出低壓直流電，之后經(jīng)過電感線圈等作用下，進(jìn)一步濾除高頻雜波，在交直流電轉(zhuǎn) 換后，電流進(jìn)入開關(guān)電路，開關(guān)電路是整個(gè)電源電路的關(guān)鍵。開關(guān)電路的核心是兩個(gè)開關(guān)管，兩個(gè)開關(guān)管的輪流導(dǎo)通和截止，直流電便能轉(zhuǎn)換為高頻率的脈動(dòng)直流電，之后再送到高頻開關(guān)變壓器上進(jìn)行降壓處理。經(jīng)過高頻開關(guān)變壓器降壓后的脈動(dòng)電壓，同樣要使用二極管和濾波電容進(jìn)行整流和濾波，除此之外還有一兩個(gè)電感線圈和濾波電容一同濾除電流中的高頻交流成分，最后輸出為較為理想的低壓直流電。開關(guān)電源具有電壓可調(diào)范圍寬、效率高，輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。 經(jīng)過上述兩種方案的比較后，該設(shè)計(jì)選取方案二的開關(guān)電源設(shè)計(jì)，開關(guān)電源設(shè)計(jì)一般采用集成芯片， 像 SG352 BD49 SAQ881 TL494 等芯片都屬于此類，這些芯片功能強(qiáng)大，包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能。由于芯片 TL494實(shí)用性最強(qiáng)，穩(wěn)定性最高，所以在開關(guān)電源電路中實(shí)用非?？煽俊? 確定開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)。開關(guān)電源的設(shè)計(jì)指標(biāo)是為了符合本電池組的充電參數(shù)，具體如下 : 1)輸入電壓 :AC 220V 2)輸出電壓 :DC + 3)恒定電流 ，最大電流 2A，最小電流 1A 4)電網(wǎng)頻率 :(5060)HZ 5)輸出精度 :2% 6)輸出功率 :19W(額定 ) 7)電源效率 :期望值為 80% 充電方法 鋰電池的充電特性 充電方法依據(jù)的是電池的充電特性 [23]，本設(shè)計(jì)針對(duì)的是鋰電池，所以要對(duì)鋰電池的充電特性做研究，鋰電池的充電特性分析和充電方案具體選擇如下文。 鋰電池通常分為鋰金屬電池和鋰離子電池兩大類 [25]，因?yàn)殇囯x子電池能充 第 9 頁 共 37 頁 電，所以常說的鋰電池也指鋰 電子電池。而鋰離子電池又有很多種類，像錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池等，它們能反復(fù)充電，并且儲(chǔ)能多，能成為動(dòng)力電池。由于各種類鋰電池的充放電特性差別不大，下面便以磷酸鐵鋰電池為例進(jìn)行鋰電池充電特性研究。 鋰離子電池 [26]的充電過程比較復(fù)雜，不同類型的鋰離子電池在不同的充電條件下充電特性會(huì)有不同，不過整體差別不大，所以研究磷酸鐵鋰電池的充放電特性具有代表性。研究充電特性，提出針對(duì)性的充電方案能提高充電的安全性和增加電池的使用次數(shù)。不管是鉆酸鋰電池和錳酸鋰電池，還是磷酸鐵鋰電池都有相同的充電特性，端電壓 是唯一區(qū)別，所以，研究磷酸鐵鋰電池的充電特性得出的結(jié)論適用與別的類型的鋰電池，針對(duì)鋰離子電池的充電特性，要使得電池不受損的前提下又想使電池充滿電，則電池組的充電電壓需要限定覆蓋在額定輸出值1%以內(nèi)，即 士 50mV。鋰電池的充電特性中需要注意的一點(diǎn)就是，充電在給電池組充電時(shí)，不能再電池組達(dá)到電壓臨界值時(shí)斷電，電池組將會(huì)就產(chǎn)生不可修復(fù)的損壞。 磷酸鐵鋰電池本身的電化學(xué)特性決定了在其充電時(shí)，正極中的鋰離子通過聚合物隔膜移動(dòng)到負(fù)極，鋰離子從 Fe04 層面間遷移出來，經(jīng)過電解液進(jìn)入負(fù)極C 附近與 C 復(fù)合，且發(fā) Fe2+/Fe3+的氧化反應(yīng)，為平衡電荷，電子從外電路到達(dá)負(fù)極，電池負(fù)極顯然無法吸收所有的電子，且隨著充電過程的進(jìn)行符合還原的效率下降，當(dāng)負(fù)極電子飽和時(shí)仍然有一些鋰離子，這將導(dǎo)致電池電壓再度上升，造成二次過充，破壞了負(fù)極材料又降低其使用壽命，甚至?xí)l(fā)安全問題 [24]。 充電方案的選擇 （ 1） 方案一 恒流充電法：恒流充電法顧名思義就是充電過程中保持電流恒定，如圖 所示。采用恒流充電法充電，由于電路簡(jiǎn)單，所以比較好控制，但從圖中能明顯看出，恒流對(duì)應(yīng)的直線與充電過程中的電流曲線相差比較大，會(huì)對(duì)電池?fù)p害較大。 第 10 頁 共 37 頁 （ 2）方案二 恒壓充電法：在整個(gè)充電過程中，充電電壓保持不變，隨著電池組的端電壓升高，電流慢慢減小。如圖 所示，該方法充電，充電過程更接近于最佳充電曲線。采用恒壓充電，電池組產(chǎn)生的電解水很少，能防止蓄電池過充，從而延長(zhǎng)電池使用壽命。該方案由于電流較大，對(duì)電池壽命也有損害。 方案二和方案一相比較，方案二優(yōu)勢(shì) 更為明顯，所以選擇方案二。 SOC 估算方法 SOC 估算方法的選擇 (1) 方案一 內(nèi)阻法：用阻抗儀檢測(cè)電池組的直流電阻。所謂的直流內(nèi)阻指的是極短時(shí)間內(nèi)，電池組的端電壓變化量與電流變化量相比所得的數(shù)值。針對(duì)某些種類電池來說，用此方法估算電池的剩余容量比較精準(zhǔn)，但對(duì)于直流內(nèi)阻比較小的動(dòng)力鋰電池組而言，并不合適。所以用內(nèi)阻法進(jìn)行估算鋰電池組的電量不是一種很好的選擇。 (2) 方案二 安時(shí)法：此方法的基本原理是將電池組看作一個(gè)黑箱子，認(rèn)為進(jìn)電池的電量等于電池放電的電量，在對(duì)溫度、電池老化、充放電率、自放電率進(jìn)行很好補(bǔ)償?shù)那闆r下，在短暫時(shí)間內(nèi)此方法估算的電池的剩余容量值比較準(zhǔn)確。盡管這種方法估算 SOC 比較 簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是會(huì)出現(xiàn)累計(jì)誤差，其中計(jì)算數(shù)值的一個(gè)重要參數(shù)也就是補(bǔ)充系數(shù) k 難以確定，所以該方法并不合適。 (3) 方案三 開路電壓法：電動(dòng)車鋰電池組開路電壓指的是靜態(tài)時(shí)電池組的端電壓，負(fù)載電壓對(duì)應(yīng)的是充放電時(shí)電池端電壓，開路電壓和負(fù)載電壓兩者都是直接測(cè)量值。 圖 圖 第 11 頁 共 37 頁 電動(dòng)車鋰電池蓄電池組開路電壓法是一種最為簡(jiǎn)單的 SOC 測(cè)量方法，其基本工作原理是將檢測(cè)到的電池開路電壓對(duì)應(yīng)電壓和 SOC 對(duì)照表來查找電池剩余容量。以單體鋰電池為例， 單體鋰電池的剩余容量和電壓有對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體如下表 。 表 電壓與剩余電量關(guān)系表 電壓 剩余容量 電壓 剩余容量 0% 55% 5% 60% 10% 65% 15% 70% 20% 75% 25% 80% 30% 85% 35% 90% 40% 95% 45% 99% 50% 100% 本設(shè)計(jì)做的是鋰電池充電器針對(duì)的是電動(dòng)自行車鋰電池組。上面三種方案經(jīng)過比較后，最后的開路電壓法滿足檢測(cè)實(shí)用原則，所以最為合適。 通信方式 通信方式的選擇 本設(shè)計(jì)的總的方案是將溫度檢測(cè)電路和電壓采集電路采集的數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)后進(jìn)行處理和顯示，所以需要單片機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行通訊，具體采用哪一種通信方式需要進(jìn)行方案比較和選擇，具體如下。 (1) 方案一 串口通信：一般用于上下位機(jī)通信。上位機(jī)一般指的是電腦，本設(shè)計(jì)用的也是電腦。下位機(jī)一般指的是單片機(jī)，本設(shè)計(jì)所使用的單片機(jī)是 STM32。 串口通信是在工程應(yīng)用中很常見。在 PC 機(jī)與單片機(jī)通信中常通過有線的串口進(jìn)行通信。單片機(jī)機(jī)通常將模擬信號(hào)經(jīng)過 AD 采集進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，之后經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理，最終通過串口發(fā)送數(shù)字信號(hào)給 PC機(jī)，反之 PC機(jī)可以給單片機(jī)機(jī)發(fā)送指令等信息。 第 12 頁 共 37 頁 常見的通信串口包括 RS23 RS48 RS422 等。不同的串口在電平特性會(huì)有差別，但是在 PC 機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，其電平特性不會(huì)影響通信，各種轉(zhuǎn)接接口的使用使串口通信特別方便。 (2) 方案二 藍(lán)牙通信 ： 藍(lán)牙看技術(shù)最初是一種為了替代 RS232 數(shù)據(jù)線 的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。能通過無線電波實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的通信。使得設(shè)備間能實(shí)現(xiàn)無線連接，其通信本質(zhì)還是串口通信。對(duì)于本設(shè)計(jì)來說采用藍(lán)牙通信模塊進(jìn)行通信，性價(jià)比不高。 上述兩種方案進(jìn)行比較后，第一種串口通信方式比較合適本設(shè)計(jì)。 本章小結(jié) 通過 對(duì)所要設(shè)計(jì)充電器功能需求和總體設(shè)計(jì)框架的介紹，明確了設(shè)計(jì)充電器所需實(shí)現(xiàn)的功能。對(duì)鋰電池的充電特性的介紹和 比較圖 和圖 后，可以看出， 在采用開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案下，利用恒壓充電方法充電相比較恒流充電法充電對(duì)電池保護(hù)更好。經(jīng)過對(duì)三種 SOC 估算方法的比較，最終選擇了最為合適的開路電壓法，并介紹了鋰電池的電壓電量關(guān)系表，為電池剩余電量的計(jì)算提供了依據(jù)。同時(shí)確定了串口通信為本設(shè)計(jì)通信方式。 第 13 頁 共 37 頁 3 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 此部分介紹的是硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。對(duì)硬件的各功能模塊進(jìn)行了原理圖、實(shí)物圖等方面的介紹。同時(shí)詳細(xì)的說明了硬件的具體實(shí)現(xiàn)。 單片機(jī)電路 本設(shè)計(jì)采用的是 STM32F103VBT6 芯片， STM32 具有性能高、成本低、功耗低等特點(diǎn)。其基于 ARM CortexM3 內(nèi)核， STM32F103 屬于“增強(qiáng)型”系列。其時(shí)鐘能達(dá)到 72MHz。本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)型號(hào)具有 128K 內(nèi)存。具體實(shí)物如下圖 。該單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路原理圖包含 MCU、 I/O 口、電源電路、 RS485 電路和 JTAG電路，具體原理圖分別對(duì)應(yīng)如下圖 ，圖 ，圖 ，圖 ，圖 ，圖 。