【文章內容簡介】 、溫度檢測電路、 單片機 、上位機和 UI 界 面組成。如圖 所示： 圖 充電系統(tǒng)框圖 電池組是充電器實現其功能的基礎。 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。 報警電路主要組成元器件是蜂鳴器，當電池充滿或溫度超過警戒值時，單片機會做出判斷，從而是向報警電路發(fā)出指令，之后報警電路做出應答。此電路主要是提醒用戶，充電溫度過高或者是已經充滿電了。 電壓檢測電路實現的功能是通過檢測到的電壓與所設的標準值進行比較后UI 界 面 電池組 電源電路 單片機 ( STM32 ) 電壓 檢測 溫度 檢測 開關 控制 上位機（ PC 機） 通信 報警電路 第 7 頁 共 37 頁 進行一定的量化從而確定目前電池的電量。 溫度檢測電路實現的功能是通過溫度傳感器檢測到的溫度，判斷溫度數值是否處在安全范圍內，如果超出范圍，立即斷開電源，并進行報警，從而控制充電過程，保證充電安全。 單片機 STM32 控制電路以 STM32 為核心組成。 STM32 是一款功能強大、高性能、低成本、低功耗并且片內資源非常豐富的嵌入式應用。 STM32 主控制電路作為整個智能充電器系統(tǒng)的中心，主要完成數據處理、數據分析和 A/D 轉換等功能。其中 A/D 轉換器將轉換后的模擬信號轉換為數字信號以完成數據的處理。 上位機和 UI 界面模塊主要是電腦通過串口通信，獲取單片機采集的數據，在 Qt 工程中對數據進行處理和顯示。 本系統(tǒng)具有操作簡單，功耗低， 人機交互能力強 ， 安全性能高 等優(yōu)點 。本充電器的要實現的功能是，在對鋰電池的充電過程中一直顯示電池的動態(tài)電量和充電時間以及整個充電器的溫度；當充電 器或電池的溫度超過警戒值時，自動斷電并且進行報警；當電池充滿電時，單片機通過判斷檢測到的電壓數據后發(fā)送指令，使繼電器工作，自動停止充電。 對所要設計的充電器性能要求有如下幾項： :對鋰電池充電時，如何保證人員的人身安全和電池組的安全是至關重要的。 :充電器應具有較高的智能性，不需要操作人員過多干預充電過程。 ：充電器應該具有更好的人機交互性，使得操作人員能更直觀的感受充電器對鋰電池的充電過程。 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。使用該方案設計的電源電路輸出的電壓較為穩(wěn)定并且波紋震蕩相對較小，但是缺點比較明顯，如能選擇的電壓范圍比較窄，中間 第 8 頁 共 37 頁 浪費的電能多。 （ 2）方案二 開關電源：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，輸出低壓直流電，之后經過電感線圈等作用下，進一步濾除高頻雜波，在交直流電轉 換后，電流進入開關電路，開關電路是整個電源電路的關鍵。開關電路的核心是兩個開關管，兩個開關管的輪流導通和截止，直流電便能轉換為高頻率的脈動直流電，之后再送到高頻開關變壓器上進行降壓處理。經過高頻開關變壓器降壓后的脈動電壓，同樣要使用二極管和濾波電容進行整流和濾波，除此之外還有一兩個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。開關電源具有電壓可調范圍寬、效率高，輸出電壓相對穩(wěn)定等特點。 經過上述兩種方案的比較后，該設計選取方案二的開關電源設計，開關電源設計一般采用集成芯片， 像 SG352 BD49 SAQ881 TL494 等芯片都屬于此類，這些芯片功能強大，包含了開關電源控制所需的全部功能。由于芯片 TL494實用性最強，穩(wěn)定性最高，所以在開關電源電路中實用非?？煽俊? 確定開關電源的技術指標。開關電源的設計指標是為了符合本電池組的充電參數，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 充電方法依據的是電池的充電特性 [23]，本設計針對的是鋰電池，所以要對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]，因為鋰離子電池能充 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，它們能反復充電，并且儲能多，能成為動力電池。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行鋰電池充電特性研究。 鋰離子電池 [26]的充電過程比較復雜，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。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論適用與別的類型的鋰電池，針對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，即 士 50mV。鋰電池的充電特性中需要注意的一點就是，充電在給電池組充電時，不能再電池組達到電壓臨界值時斷電，電池組將會就產生不可修復的損壞。 磷酸鐵鋰電池本身的電化學特性決定了在其充電時，正極中的鋰離子通過聚合物隔膜移動到負極，鋰離子從 Fe04 層面間遷移出來，經過電解液進入負極C 附近與 C 復合，且發(fā) Fe2+/Fe3+的氧化反應，為平衡電荷，電子從外電路到達負極，電池負極顯然無法吸收所有的電子，且隨著充電過程的進行符合還原的效率下降，當負極電子飽和時仍然有一些鋰離子，這將導致電池電壓再度上升，造成二次過充，破壞了負極材料又降低其使用壽命，甚至會引發(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，由于電路簡單，所以比較好控制，但從圖中能明顯看出，恒流對應的直線與充電過程中的電流曲線相差比較大，會對電池損害較大。 第 10 頁 共 37 頁 （ 2）方案二 恒壓充電法：在整個充電過程中，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，電池組產生的電解水很少，能防止蓄電池過充，從而延長電池使用壽命。該方案由于電流較大，對電池壽命也有損害。 方案二和方案一相比較，方案二優(yōu)勢 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 內阻法：用阻抗儀檢測電池組的直流電阻。所謂的直流內阻指的是極短時間內，電池組的端電壓變化量與電流變化量相比所得的數值。針對某些種類電池來說，用此方法估算電池的剩余容量比較精準，但對于直流內阻比較小的動力鋰電池組而言，并不合適。所以用內阻法進行估算鋰電池組的電量不是一種很好的選擇。 (2) 方案二 安時法：此方法的基本原理是將電池組看作一個黑箱子，認為進電池的電量等于電池放電的電量，在對溫度、電池老化、充放電率、自放電率進行很好補償的情況下，在短暫時間內此方法估算的電池的剩余容量值比較準確。盡管這種方法估算 SOC 比較 簡單，易于實現，但是會出現累計誤差，其中計算數值的一個重要參數也就是補充系數 k 難以確定，所以該方法并不合適。 (3) 方案三 開路電壓法：電動車鋰電池組開路電壓指的是靜態(tài)時電池組的端電壓，負載電壓對應的是充放電時電池端電壓，開路電壓和負載電壓兩者都是直接測量值。 圖 圖 第 11 頁 共 37 頁 電動車鋰電池蓄電池組開路電壓法是一種最為簡單的 SOC 測量方法，其基本工作原理是將檢測到的電池開路電壓對應電壓和 SOC 對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應關系，具體如下表 。 表 電壓與剩余電量關系表 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% 本設計做的是鋰電池充電器針對的是電動自行車鋰電池組。上面三種方案經過比較后，最后的開路電壓法滿足檢測實用原則，所以最為合適。 通信方式 通信方式的選擇 本設計的總的方案是將溫度檢測電路和電壓采集電路采集的數據發(fā)給上位機后進行處理和顯示，所以需要單片機和上位機進行通訊，具體采用哪一種通信方式需要進行方案比較和選擇，具體如下。 (1) 方案一 串口通信：一般用于上下位機通信。上位機一般指的是電腦，本設計用的也是電腦。下位機一般指的是單片機，本設計所使用的單片機是 STM32。 串口通信是在工程應用中很常見。在 PC 機與單片機通信中常通過有線的串口進行通信。單片機機通常將模擬信號經過 AD 采集進行模數轉換處理，之后經數字信號處理，最終通過串口發(fā)送數字信號給 PC機，反之 PC機可以給單片機機發(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有差別，但是在 PC 機與單片機進行通信時，其電平特性不會影響通信，各種轉接接口的使用使串口通信特別方便。 (2) 方案二 藍牙通信 ： 藍牙看技術最初是一種為了替代 RS232 數據線 的無線技術標準。能通過無線電波實現設備間的通信。使得設備間能實現無線連接，其通信本質還是串口通信。對于本設計來說采用藍牙通信模塊進行通信，性價比不高。 上述兩種方案進行比較后，第一種串口通信方式比較合適本設計。 本章小結 通過 對所要設計充電器功能需求和總體設計框架的介紹，明確了設計充電器所需實現的功能。對鋰電池的充電特性的介紹和 比較圖 和圖 后，可以看出， 在采用開關電源設計方案下，利用恒壓充電方法充電相比較恒流充電法充電對電池保護更好。經過對三種 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系表，為電池剩余電量的計算提供了依據。同時確定了串口通信為本設計通信方式。 第 13 頁 共 37 頁 3 硬件設計與實現 此部分介紹的是硬件的設計與實現。對硬件的各功能模塊進行了原理圖、實物圖等方面的介紹。同時詳細的說明了硬件的具體實現。 單片機電路 本設計采用的是 STM32F103VBT6 芯片， STM32 具有性能高、成本低、功耗低等特點。其基于 ARM CortexM3 內核， STM32F103 屬于“增強型”系列。其時鐘能達到 72MHz。本設計采用的單片機型號具有 128K 內存。具體實物如下圖 。該單片機的最小系統(tǒng)電路原理圖包含 MCU、 I/O 口、電源電路、 RS485 電路和 JTAG電路，具體原理圖分別對應如下圖 ，圖 ，圖 ，圖 ，圖 ，圖 。