基于3段式充電控制的電動汽車智能充電器設計

1.引言

電池是電動汽車的關鍵動力輸出單位，在鉛酸蓄電池，鎳鎘電池，鎳氫電池，鋰電池和燃料電池等幾種常用電池中，因為具有能量比大、重量輕、溫度特性好，污染低，記憶效果不明顯等特點，鎳氫電池在電動汽車中使用很普遍。

然而由于充電方法的不正確，造成充電電池的使用壽命遠遠低于規(guī)定的壽命。也就是說很多電池不是被用壞的而是被充壞的，可見充電器的好壞對電池壽命有很大的影響。

基于此，本文提出一種使用3段式充電控制方案的智能充電器的設計方案，能有效的提高充電效率，延長電池的使用壽命。

2.控制方法介紹

常用的充電終止控制方法包括：定時控制法，電壓控制法，電流控制法和綜合控制法。

定時控制法是指用定時系統(tǒng)來控制整個充電時間，時間沒定值到達時，對電池停.止充電。常用的電壓控制法包括最高電壓法(Vmax)，電壓負增量法(△V)，零電壓增量法(0△V)常用的溫度控制法包括最高溫度法(Tmax)，充溫升法(△T)。溫度變化率(△T/△t)，最低溫法(Tmin)。綜合控制法是指綜合使用上述控制方法中的幾種控制方法。

相對于傳統(tǒng)的定電壓和定電流充電法三段式充電理論則可以大大提高電池的充電效率。三段式充電采用先恒流充電，再恒壓充電，最后采用浮充充電。如果充電前電池處于深度放電狀態(tài)則還要在充電前進行預充電。

3.系統(tǒng)硬件構成

3.1 總體硬件設計

充電對象為鎳氫電池，采用電壓，電流反饋的方法來達到恒流，恒壓充電的目的，同時對充電過程中的各種參數進行檢測和控制。該充電器的總體設計如圖1。

該方案中開關電源的最大輸出功率為2.4KW，交流輸入范圍為1 76V-264V，充電器電路主要包括主充電電路和輔助控制電路兩部分，整個電路的工作過程為：220V單相交流電經過全橋整流由電容進行濾波，得到約300V左右的直流電，經過由4只IGBT構成的逆變橋，得到高頻交流電，經高頻變壓器耦合到副邊，再經過整流管D1，D2整流，最后經過電感L 2和電容C8濾波后得到穩(wěn)定的直流輸出。

由于采用三段式充電，每個階段充電電壓和充電電流都不同。所以使用ATMEGA8單片機作為充電過程控制設備，充電時單片機檢測充電電池的充電電流，充電電壓，電池溫度，防止電路過壓和過流，電池溫度過高，還可以通過檢測電池電壓電流值來決定是否在切換到下一個的充電階段。

同時通過單片機給出每一階段的充電的電壓值或是電流值，與采樣所得的對應電壓電流值相比較，通過移相控制芯片UCC3895來改變PWM值來改變功率管的導通時間，來達到在不同階段得到不同穩(wěn)定的輸出值的目的。

3.2 主充電電路介紹

主充電電路采用全橋逆變電路。H橋由4個IGBT管Q1 Q2 Q3 Q4組成，Ql和Q4構成的超前橋臂實現(xiàn)零電壓導通和關斷，Q2和Q3構成的滯后橋臂實現(xiàn)零電流導通和關斷。

工作時Ql和Q2的驅動電壓反向，Q 3和Q 4的驅動電壓也反向，Q 1和Q 2以及Q 3和Q 4在導通切換時的死區(qū)時間是可以由移相控制器UCC389S來控制的，通過調節(jié)Q4相位的移動來調節(jié)超前橋臂的共同導通的時間來調節(jié)占空比，來達到改變輸出功率的目的。Q2和Q3組成的滯后橋臂的調節(jié)原理和超前橋臂一樣。

UCC3895是新一代先進的BICMOS移相式PWM控制器，它保持了UCC3875/6/7/8/9系列IC的主要功能，新增了增強型控制邏輯、自適應延時設定及關斷等性能。

UCC3895利用兩個半橋開關之間相對應的相移來實現(xiàn)全橋功率級的控制。在高頻率條件下，利用穩(wěn)定頻率脈寬調制和諧振零電壓開關技術使它達到或具有很高的效率。

UCC3895既可作電壓模式控制器，也可作電流模式控制器。UCC389 5具有輸出開通延時可編程，自適應延時設定，可工作在電壓電流模式，軟啟動/軟停止可編程，0一100%的占空比可調，1M的最大時鐘頻率等特性。

3.3 輔助控制電介紹

充電控制電路采用ATmega8單片機進行數據采集和控制，該芯片是增強型RISC結構的低功耗8位微控制器，數據吞吐量達到1 MI PS/MHz， 8字節(jié)的Flash程序存儲器，擦寫次數大于1 000次，支持可在線編程(1 SP)，極大的方便了程序的調試和修改。

由于其具有6路1 0位ADC和2路8位ADC， 能對來自端口PORTC的8路單端輸入電壓進行采樣。6通道PWM，片內可編程看門狗定時器，可大大簡化控制電路的外圍設計和保證了程序的安全運行。

ADC負責對充電時電壓，電流，溫度數據的采集，PWM輸出充電時電壓電流的基準值到到比較電.路，同時單片機控制開關電源控制模塊UCC3895。

電壓檢測電路：電壓采樣電路由精密電阻和可調電阻構成，由于該單片機AD測量最大設定范圍為5v。所以要使電池組電壓成比例的縮小在5 V范圍內，然后利用ATMEGA8內部的AD轉換功能進行轉換，其精度可以達到0.1 V。

單片機在內部通過相減計算出電池電壓，該電路采用單片機內部自帶1 0位AD轉換，減少了設計電路的復雜性，并提高了可靠性和精度，為了抵抗電氣干擾和高壓電擊，該電路采用高速隔離光藕PC81 7隔離。

電流檢測電路：一般進行電流采集時在電路中串聯(lián)一個阻值很小的取樣電阻，把取樣電阻上的電壓輸入單片機轉換通道，進行A/D轉換，再通過計算把電壓值轉換為電流值。但由于本方案中充電電流較大，使用電阻采樣會消耗點較多的功率，可使用電流互感器采樣。

溫度檢測電路：溫度采樣溫度傳感器DS l 8B 2 0，它在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS l 820有了很大的改進，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。它與系統(tǒng)的連接有兩種方法，一種是采用寄生電源方式，一種是外接電源驅動方式。在這里采用后者。

3.4 工作過程介紹

上電后，單片機首先檢查電池是否接反，電池電壓是否因為電而過低，如果電壓過低，先使用小電流給電池充電一間，使電壓達到三階段充電常水平在開始充電，如果電常則直接進入正常充電階首先是恒流充電階段，充電小于0.5 C，一般取0.1 C，電壓會緩慢的上升。

當電壓到一定階段(本例中采用電60V)改為恒壓充電，此時隨電過程的進行電池內阻會逐升，充電電流會隨著內阻的而減小，當單片機檢測電流減小到一定的值(小于恒流充電值的1/1 0)，立即轉入涓流充電階段，充電電流一般取0.3C，在此階段電池電壓會減小，當充電電流小于0.0 1 C時即可認為電池已充滿，單片機會自動將電池從充電電路中切除。

在恒壓階段如果單片機檢測到電池溫度高于45度則自動轉入第三階段，待溫度下降后再轉入第二階段。充滿后通過單片機關斷繼電器，停止充電.。

4.系統(tǒng)軟件設計

軟件流程框圖如圖2所示。

系統(tǒng)軟件用C語言編寫，在I C C A V R環(huán)境下編譯，A V Rstudio4環(huán)境下調試完成。在編制軟件的過程中，雖然先恒流后恒壓的控制方式比較簡單，但要充分考慮到單片機檢測充電機輸出電壓的檢測點與電池端之間的線壓降。

因此，在處理充電電流不斷減小的過程中，只有控制充電機的輸出電壓與線壓降之間的平衡關系，才能使電池端的電壓為恒定值。

5.結束語

隨著電動汽車技術的發(fā)展，鎳氫電池的使用越來越廣泛，延長電池充電壽命成為迫切需要，采用合適的充電方式，電池的使用壽命比普通充電方式可以提高約2 5%，本文所介紹的充電器，能實現(xiàn)對鎳氫電池的大電流充電，以及充電過程的自動控制以和及保護，很適合用作電動汽車的車載充電器，有廣泛的推廣前途。