电动车充电站充电电路设计.docx
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电动车充电站充电电路设计
南阳理工学院
本科生毕业设计（论文）
学院（系）：
电子与电气工程学院
专业：
电子信息工程
学生：
指导教师：
完成日期2012年5月
南阳理工学院本科生毕业设计（论文）
电动车充电站充电电路设计
ChargingCircuitDesignofElectricVehicleChargingStation
总计：
27页
表格：
2个
插图：
22幅
南阳理工学院本科毕业设计（论文）
电动车充电站充电电路设计
ChargingCircuitDesignofElectricVehicleChargingStation
学院（系）：
电子与电气工程学院
专业：
电子信息工程
学生姓名：
学号：
指导教师（职称）：
评阅教师：
完成日期：
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
电动车充电站充电电路设计
电子信息工程专业XXX
[摘要]随着电动车的普及，电动车充电技术也受到人们的关注。
我国的电动车用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池，这主要是由于铅酸蓄电池具有技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点。
但传统的常规充电时间过长，快速充电技术至今仍未能完全解决，严重地制约着电动车的发展。
基于此，本文提出了一种用于全密封免维护铅酸蓄电池的智能充电设计方案，针对蓄电池充电过程中出现的种种问题，分析解决方法，提出一种可对铅酸蓄电池实现四段式慢脉冲充电的智能充电设计方案。
控制开关电源的脉冲频率和占空比，从而调节充电电流和电压，实现对蓄电池的分级慢脉冲充电。
这个方案不仅可实现快速充电，同时可以减少析气，消除硫化，进行均衡充电，从而大大地延长了铅酸蓄电池的使用寿命。
[关键词]慢脉冲充电；蓄电池；单片机；智能
ChargingCircuitDesignofElectricVehicleChargingStationElectronicInformationEngineeringSpecialityXXX
Abstract:
Withthepopularityoftheelectriccar,Electricvehiclechargingtechnologyisalsogottheconcernofthepublic.Inourcourtry,leadacidbatterywhichisusedaselectricvehiclepowerbatteryoccupiedaverybigmarket.Thisismainlyduetothelead-acidbatteryhasmaturetechnology,lowcost,batterycapacity,withloadoutputcharacteristicsandnomemoryeffects,etc.Butthetraditionalconventionalchargingtimeistoolong,fastchargingtechnologyisstillnotfullyresolved,seriouslyrestrictedthedevelopmentoftheelectriccar.Basedonthisstatus,itputsforwardakindofsealfreemaintenancelead-acidbatteryusedforintelligencechargedesignschemeinthisthesis.Withregardtoallsortsofproblemsforbatterychargingappearedintheprocess,analyzestheexistingsolutions,andputforwardakindofleadacidbatterytorealizefourstagesofintelligentchargingslowpulsechargerdesignscheme.Controlofswitchpowerpulsefrequencyanddutycycle,whichregulateschargingelectriccurrentandvoltage,andtorealizetheclassificationbatterychargingwithslowpulse.Theschemenotonlymakerapidcharging,atthesametimecouldreducegaschromatography,eliminatevulcanization,chargingforequilibrium,thusgreatlyextendedtheleadacidbatteryservicelife.
Keywords:
Slowpulsecharging;storagebattery;single-chipmicrocomputer;intelligent
1引言
1.1课题研究背景及意义
电动车是一种非常理想的中短途日常交通工具，电动车的应用有效地解决了能源和环境两大难题，因此，在我国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。
目前,RFID作为一种非接触式的自动识别通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统特定目标之间建立机械或光学接触。
RFID的研究和应用都得到了前所未有的发展，本课题设计内容把射频识别技术与电动车充电站结合起来，以AT89C51单片机为核心，利用RFID技术电子钱包功能实现用户身份识别和电子支付充电费用功能，防盗报警，安全可靠；充满自停，来电续充，付费合理，并加上LCD显示费用余额方便简单。
电动车蓄电池按电极材料和工作原理的不同，应用最广泛的包括铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等四类。
这四类电池的性能和优缺点如表1所示：
表1各材料电池性能比较
性能等指标
铅酸蓄电池
镍镉电池
镍氢电池
锂离子电池
电池容量
3Ah-3000Ah
100mAh-7Ah
10mAh-3Ah
50mAh-50Ah
重量比能量
35Wh/Kg
50Wh/Kg
70Wh/Kg
120Wh/Kg
体积比能量
90Wh/L
100Wh/L
140Wh/L
360Wh/L
工作温度
-40~60℃
-40~50℃
-40~50℃
-20~60℃
大电流放电性能
高
较高
较低
较低
充放电寿命
较低
一般
高
高
记忆效应
无
有
略有
无
安全性
高
较高
较高
较低
回收循环利用
高
低
低
低
技术成熟度
高
较高
较高
一般
成本
低
较低
较高
高
铅酸蓄电池的主要优点是技术成熟、成本低、容量大、大电流放电性能好、使用温度范围广、安全性高，并且能够做到完全回收和再生利用，缺点是重量大、比能量低。
而镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等目前都存在大容量制造技术不成熟的问题，只能实现中小容量电池的规模化生产，不能满足大功率动力的需求。
铅酸蓄电池自发明以来，至今已有150年的历史，技术十分成熟。
在现阶段，以电动助力车为主的小型电动车辆目前也主要以铅酸蓄电池作为动力电源，在这一市场上，铅酸蓄电池由于具备突出的性价比优势，占据了95%以上的市场份额。
1.2课题研究的内容
本课题通过采用单片机技术和RFID技术实现电动车充电站设计,主要有三个功能，电量检测功能、RFID电子钱包功能和充电功能。
如图1所示：
图1基于RFID的电动车充电站示意图
此设计的内容是将220V市电通过一系列的转换与控制输出稳定的48V电压对电动车进行充电。
本文通过六部分电路的设计来实现充电的功能，即交流220V整流滤波电路、充电主电路、单片机电路、信号采样与放大电路、模数转换电路、电源模块电路。
该电路能够采用单片机（MCU）实时检测充电电流和蓄电池电压的实际值，分级控制开关电源的脉冲频率和实时调节脉冲占空比，从而调节充电电流和电压，实现对蓄电池的分级慢脉冲充电。
设计中系统可以分为控制部分和信号检测部分。
用桥式整流、滤波将220V交流电转换成311V直流电，经变压器反馈振荡得到48V充电电压，在设计过程方面，从总体方案、单元电路、元器件选择和设计等都进行了细致的介绍。
2充电原理
2.1蓄电池与充电技术
蓄电池通常是指铅酸蓄电池，属于二次电池。
它的工作原理：
充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出。
电化学反应方程式如下：
PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O2+PbSO4（放电反应）
（1）
PbSO4+2H2O2+PbSO4→PbO2+2H2SO4+Pb（充电反应）
（2）
电池充电通常要完成两个任务，首先是尽可能快地使电池恢复额定容量，另一是使用小电流充电，补充电池因自放电而损失的能量，以维持电池的额定容量[1]。
在充电过程中，铅酸电池负极板上的硫酸铅逐渐析出铅，正极板上的硫酸铅逐渐生成二氧化铅。
当正负极板上的硫酸铅完全生成铅和二氧化铅后，电池开始发生过充电反应，产生氢气和氧气。
这样，在密封铅酸蓄电池中，采用中等充电速率时，氢气和氧气能够重新化合为水。
过充电开始的时间与充电的速率有关。
当充电速率大于C/5时，电池容量恢复到额定容量的80%以前，即开始发生过充电反应。
只有充电速率小于C/100，才能使电池在容量恢复到100%后，出现过充电反应。
为了使电池容量恢复到100%，必须允许一定的过充电反应。
过充电反应发生后，单格电池的电压迅速上升，达到一定数值后，上升速率减小，然后电池电压开始缓慢下降。
由此可知，电池充足电后，维持电容容量的最佳方法就是在电池组两端加入恒定的电压。
浮充电压下，充入的电流应能补充电池因自放电而失去的能量。
浮充电压不能过高，以免因严重的过充电而缩短电池寿命。
采用适当的浮充电压，密封铅酸蓄电池的寿命可达10年以上。
实践证明，实际的浮充电压与规定的浮充电压相差5%时，免维护蓄电池的寿命将缩短一半。
铅酸电池在环境温度为25℃时工作在理想状态，当环境温度降到0℃时，电池就不能充足电，当环境温度上升到50℃时，电池将因严重的过充电而缩短寿命。
因此，为了保证在很宽的温度范围内，都能使电池刚好充足电，充电器的各种转换电压必须随电池电压的温度系数而变。
2.2蓄电池的充电原理
理论和实践证明，蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程。
一般地说,充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降,不可能自动按恒流或恒压充电。
充电过程中影响充电的因素很多,诸如电解液的浓度、极板活性物的浓度、环境温度等的不同,都会使充电产生很大的差异。
随着放电状态、使用和保存期的不同,即使是相同型号、相同容量的同类蓄电池的充电也大不一样。
上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图2所示。
实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。
原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向[2]。
图2最佳充电曲线
由图2可以看出：
初始充电电流很大，但是衰减很快。
主要原因是充电过程中产生了极化现象。
在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。
2.3充电方法研究
常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。
其中最著名的就是“安培小时规则”：
充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安培时数。
实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。
这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。
一般来说，常规充电有恒流充电、恒压充电法、阶段充电法。
2.3.1恒流充电法
恒流充电，又叫定电流充电法，恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图3所示。
而电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的。
在充电过程中，由于蓄电池的段电压逐渐升高，为了保持充电电流的恒定，必须相应提高充电电压。
采用恒流充电法，可以将不同容量的蓄电池串联在一起进行充电。
但是各个蓄电池的容量应当尽可能相同，否则应当以容量最小的蓄电池计算充电电流。
恒流充电法的优点是可以任意选择充电电流，有益于延长蓄电池的使用寿命。
缺点是充电时间长，并且需要经常调整充电电流。
充电曲线如下图所示：
图3恒流充电曲线
2.3.2恒压充电法
恒压充电又叫定电压充电法，在充电过程中，始终保持一个恒定的充电电压，绝大多数汽车都采用这种充电方法对车载蓄电池进行充电。
充电初期，由于蓄电池的端电压较低，充电电路输出电压与蓄电池的电压差较大，所以充电电流也大。
随着充电的进行，蓄电池端电压逐渐上升，充电电路输出电压与蓄电池的电压差也减小，所以充电电流减小。
如果充电电路输出电压不足，则充电很短时间就导致充电电流下降为零，过早地结束了充电，长期如此，势必导致蓄电池长期充电不足，容量下降，寿命缩短。
如果充电电路输出电压过高，充电电流将显著增大，即使蓄电池已经充足电，但端电压仍然低于充电器的输出电压，充电电流仍然纯在，充电始终在进行，势必导致蓄电池过充电，加快电解液的消耗，使用寿命缩短。
与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。
用恒定电压快速充电，如图4所示：
图4恒压充电法曲线
2.3.3阶段充电法
此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。
二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图3所示。
首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。
一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。
如图5所示：
图5二阶段法曲线
三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。
当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。
这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。
2.3.4四阶段充电法
目前，电动自行车主要以铅酸蓄电池为动力。
铅酸蓄电池的主要优点是：
电池容量大、价格便宜并具有无记忆效应;但存在的缺点是：
体积大、重量重和不能过充或过放。
根据铅酸蓄电池的上述特点，铅酸蓄电池的充电过程一般分为四个阶段：
预充电、脉冲快速充电、补足充电、浮充电。
（1）预充电
对长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池充电时，一开始就采用快速充电会影响电池的寿命。
为了避免这一问题要先对蓄电池实行稳定小电流充电，使电池电压上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阈值时再进行大电流快速充电。
（2）脉冲快速充电
在快速充电过程中，采用分级定电流脉冲快速充电法，将充电电流分成三级，开始充电时采用大电流，随着电池容量的增加，电压逐渐升高，电流等级开始降低，使充电电流的脉冲幅度和宽度随蓄电池端电压的升高而分级减小。
采用这种方法可以消除充电接近充满时易出现的振荡现象及过充电问题。
（3）补足充电
快速充电终止后，电池并不一定充足电，为了保证电池充入100％的电量，对电池还要进行补足充电。
此阶段充电采用恒压充电，可使电池容量快速恢复。
此时充电电流逐渐减小，当电流下降至某一阈值时，转入浮充阶段。
（4）浮充电
此阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，只要电池接在充电电路上并且接通电源，充电电路就会给电池不断补充电荷，这样可使电池总处于充足电状态。
此时也标志着充电过程已结束。
3总体设计方案
3.1系统设计
根据题目的要求，系统采用开关电源，通过脉冲电流的方式来实现充电的目的。
由市电送来的220V交流电经整流、滤波后，经脉冲变压器降压送给蓄电池进行充电。
系统可以分为控制部分和信号检测部分。
控制部分则包括单片机模块、电源通断控制模块、开关管驱动模块三个基本部分。
信号检测部分由充电电流测量及充电电压测量模块组成，其中电流测量用以测量蓄电池充电时的充电电流，电压测量模块模块测量蓄电池充电时蓄电池的实时电压。
这两个实时信号反馈给单片机，由单片机判断后，控制PWM波形的占空比。
从而控制充电电压和电流的大小。
当蓄电池的电压达到额定值后，说明蓄电池已经充满电，单片机控制开关，断开电源，停止充电。
3.2方案比较与选择
对系统信号进行采样和控制，一般有两到三种方法，传统的方法多数是将充电的电压和电流信号反馈回PWM信号发生器，由PWM信号发生器控制开关管通断的占空比完成的，现在比较新的方法是单片机和用状态机来实现。
（1）方案一：
用PWM信号发生器（比如UC3842）实现的方案。
蓄电池充电时，电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样的信号经过各种处理后，分别送进PWM信号发生器的电压和电流反馈引脚。
PWM信号发生器对反馈回来的电压、电流信号进行分析，然后调整PWM输出信号的占空比。
这个PWM信号送给开关电源开关管，从而调节开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。
这种方法是目前市场充电器流行使用的方法，也是一种很技术非常成熟的方法。
这种方案的优点是，技术简单、成熟、有多年的实用经验、所需的元器件少、成本低，但其在没充满电的情况下就会产生过充电的现象，增加蓄电池的损耗，使蓄电池的寿命减少，方案图如图6所示：
图6方案一
（2）方案二：
用单片机实现的方案。
由AT89C51系列单片机代替PWM信号发生器输出PWM波形控制开关管在一个周期内的导通与断开。
电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。
数字信号送入单片机（MCU），由单片机对数字信号进行分析和处理。
然后单片机调整PWM输出信号的占空比。
这个脉冲宽度调制（PWM）信号送给开关电源开关管，从而调节开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。
当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电器便停止对蓄电池的充电。
这是充电器目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术比较复杂，单片机使用软件来控制整个充电过程，使得充电的过程易于控制。
方案图如图7所示：
图7方案二
（3）方案三：
用VHDL设计实现。
用VHDL设计主要是利用有限状态机来实现。
用状态机来控制A/D采样，包括将采得的数据存入RAM，整个采样周期需要4至5个状态即可完成。
由FPGA代替PWM信号发生器输出PWM波形控制开关管在一个周期内的导通与断开。
电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。
数字信号送入FPGA，由FPGA的有限状态机对数字信号进行分析和处理。
然后FPGA调整PWM输出信号的占空比。
这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。
当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电电路便停止对蓄电池的充电。
这是充电电路目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术最复杂、使用VHDL编程较复杂，成本比上两个方案都要高。
FPGA的晶振频率一般为几十兆赫兹，故信号的采样频率高。
在充满电的情况下才会产生过充电的现象，减少蓄电池的损耗，延长蓄电池的寿命，方案图如图8所示：
图8方案三
综合以上三个方案，方案一虽然所需的成本是最低，技术简单、成熟，但是与本次题目的要求不甚相符。
，并不是理想的设计方案。
方案三需要的成本最高，技术复杂，编写VHDL语言程序复杂，在此不选用这种方案。
方案二成本比方案一略高一点，易于接受，而且编程没有那么的复杂，在本次设计选择此方案。
4充电电路的硬件设计
4.1电路总体设计
由市电送来的220V的交流电经继电器进行整流滤波，得到大约300V的直流电送入给脉冲变压器，高频变压器的次级绕组输出电压为48V给蓄电池充电。
在蓄电池的出口处分别的进行电压和电流的采样，采样信号送入低通滤波器以滤掉谐波的干扰。
低通滤波器输出的信号送入A/D模数转换器，将模拟信号转换为单片机可识别的数字信号送入单片机中。
单片机通过软件将送进来的电压和电流信号转换为实际值，并将它们与上一次的实际值进行比较，然后再调节输出的PWM波形的频率和占空比，并控制指示灯的亮灭来指示充电的过程。
当单片机检测到蓄电池充满电时，控制继电器断开电源，停止充电。
同时蓄电池通过DC-DC变换器经整流滤波后给单片机、A/D模数转换器、指示电路和其它的电路提供电源。
如图9所示：
图9电路总体设计方框图
4.2芯片选择
4.2.1AT89C51型单片机
在本设计中控制部分的单片机是核心，它作为本系统的微控制器，负责整个系统的控制和监控任务.ATMEL公司生产的89系列单片机是市场上比较常见，也是比较具有代表性的MCS-51单片机。
其中AT89C51是我们在学习生活中常常用到或见到的，它的功能非常强大，在许多方面都得到应用。
（1）功能特性描述
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位[3]。
（2）管脚说明
AT89C51有两种通用的封装方式，一种是40脚的双列直插（DIP）方式，另一种是44脚的PLCC方形贴片封装方式。
在本设计中采用DIP方式，其引脚功能如表2所示：
表2AT89C51的引脚功能
符号
引脚
功能
P0口
39~32
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每位能驱动8个LS型TTL负载
P1口
1~8
P1口是一个内部有上拉电阻的8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载，T2（P1.1），T2EX（P1.1）
P2口
21~28
P2口为一个内部有上拉电阻的8位I/O口。
当CPU以总线方式访问片外存储器时，P2输出高8位地址。
作为一般I/O口使用时，为准双向I/O口可驱动4个LS型TTL负载
P3口
10~17
P3口内部有上拉电阻的8位I/O口，还有一个全双功能口。
作为一般I
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