【正文】 理工大學研究所研發(fā)的智能鋰電池組充電管理系統(tǒng)EQ7200HEV。當前，在國內(nèi)，對于鋰電池組的充電系統(tǒng)的研究主要研究重點在充電溫度控制，電池組的電壓、電流檢測，電池的剩余容量估算和充電過程中的供電電源的電壓電流控制等方面[14]。王曄和馬齋愛拜[15]將AT89C5MAX189光耦6N137和LM7805聯(lián)系在一起設計了鋰電池智能充電器系統(tǒng)。他們所設計的充電系統(tǒng)較好的滿足了人們對于充電產(chǎn)品的需求，但是該系統(tǒng)的人機交互性還有待提高。該系統(tǒng)在充電過程中能智能的顯示電池的電壓、SOC值、電流、電池組溫度等狀態(tài)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)設計功能性強，人機交互性好，但將多項功能集中在一起，出現(xiàn)問題時，修復成本高。該系統(tǒng)能實時的檢測和顯示電池組的當前各類數(shù)據(jù)，在充電過程中，即時的通過單片機處理，然后優(yōu)化充電方案，能有效的避免出現(xiàn)充電短路等問題。杜江[18]采用兩路CAN實現(xiàn)CECU與VMS和LECU的通訊。該設計還利用脈寬調(diào)制技術控制風扇，這保證充電系統(tǒng)的溫度得到有效控制。賈小龍[19]設計的鋰電池充電監(jiān)控管理系統(tǒng)，不僅有硬件設計還有軟件設計。硬件設計部分是整個設計的關鍵，能實現(xiàn)電池組的電壓、溫度、電流的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，電池剩余容量的估算等功能。王鳳波[20]設計的基于AD7280A的中型鋰離子電池組管理系統(tǒng)利用擴展卡爾曼濾波在Thevenin電池模型上對SOC初值進行了修正，提高了SOC估算的精度，減少能量耗散的同時，大大提高了系統(tǒng)的安全性。吳迪[21]在鋰電池充電控制與管理方法研究過程中重點解決了一下三個方面，單體鋰電池主動充電控制方式、過熱保護和過充保護。清華大學的楊元棟，孫曉明等[22]采用了8xC749單片機，設計了電動自行車智能充電器的方案，重點介紹了均衡充電和脈沖充電兩種技術，該技術較為先進，具體的實用性，需要進一步研究。與此同時由于各種電池的充放電特性有區(qū)別，再加上實驗資源缺乏，具體的解決方案不完善，好多設計都存在充電效率低下的狀況。因此還需要好長時間才能追上國外的技術水平。同時還要選擇單片機的類型，并設計單片機控制電路，從而實現(xiàn)對于充電過程的可靠、高效、智能控制。具體要設計的電路有電源模塊電路、單片機控制模塊電路、電壓、溫度采集電路等。第二章介紹了總體設計框架，進行了電源類型、充電方法、SOC估算方法和通信方式方案的比較和選擇。第四章詳細的介紹了軟件設計的思路和程序的邏輯，以及UI界面和通信流程圖。第六章是整個設計的總結和展望。本設計框圖由電池組、充電電源電路、報警電路、電壓檢測電路、溫度檢測電路、單片機、上位機和UI界面組成。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。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。溫度檢測電路實現(xiàn)的功能是通過溫度傳感器檢測到的溫度，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，并進行報警，從而控制充電過程，保證充電安全。STM32是一款功能強大、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用。其中A/D轉換器將轉換后的模擬信號轉換為數(shù)字信號以完成數(shù)據(jù)的處理。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。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。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，中間浪費的電能多。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。開關電源具有電壓可調(diào)范圍寬、效率高，輸出電壓相對穩(wěn)定等特點。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?。開關電源的設計指標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)，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%充電方法依據(jù)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。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。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。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(nèi)。 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(jīng)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]。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。該方法充電，充電過程更接近于最佳充電曲線。該方案由于電流較大，對電池壽命也有損害。 SOC估算方法 SOC估算方法的選擇(1) 方案一 內(nèi)阻法：用阻抗儀檢測電池組的直流電阻。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(nèi)阻比較小的動力鋰電池組而言，并不合適。(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?shù)那闆r下，在短暫時間內(nèi)此方法估算的電池的剩余容量值比較準確。(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。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。上面三種方案經(jīng)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。(1) 方案一串口通信：一般用于上下位機通信。下位機一般指的是單片機，本設計所使用的單片機是STM32。在PC機與單片機通信中常通過有線的串口進行通信。常見的通信串口包括RS23RS48RS422等。(2) 方案二藍牙通信：藍牙看技術最初是一種為了替代RS232數(shù)據(jù)線的無線技術標準。使得設備間能實現(xiàn)無線連接，其通信本質(zhì)還是串口通信。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。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。同時確定了串口通信為本設計通信方式。對硬件的各功能模塊進行了原理圖、實物圖等方面的介紹。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。其時鐘能達到72MHz。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。 PCB圖對于所設計的鋰電池組充電器來說，充電電源電路是所有電路中最重要的部分。整個充電電源電路包含了變壓電路、整流電路、濾波電路、TL494脈寬調(diào)制電路和DCDC電路，具體介紹如下。變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有繞組，它可以變換交流電壓、電流和阻抗。該變壓器能穩(wěn)定輸出26V交流電。濾波電路由兩個電