一種可視化智能充電機的設(shè)計

1、一種可視化智能充電機的設(shè)計1概述隨著全球綠色能源計劃的推進，電動車、電動汽車有了迅猛發(fā)展，這種發(fā)展勢頭有持 續(xù)高升的趨勢。在美國加州，電動車輛占有80%的市場份額，而且這種比例仍將進一步擴 大。如此大的銷售量就使得它的價格、壽命非常敏感。而占整機價格20%的鉛酸蓄電池的 壽命無疑是我們關(guān)注的焦點。業(yè)界廣為流傳的一句話就是：電池不是用壞的，是充壞的。原 因是隨著電池的使用，電池的特性發(fā)生了變化，而充電器的充電方式不能跟隨電池特性而變 化，導(dǎo)致電池逐漸被充壞。目前市場上的充電裝置不能有效控制充電過程，容易造成電池欠 充、過充甚至被損壞的惡果。電池充滿時，電池會發(fā)熱，這時若沒有熱保護電路則會造成過

2、充電，還會因為高溫而造成電池外殼變形。針對此問題筆者設(shè)計了一種新型充電器。它分兩 部分：智能充電機本體和上位機界面。它可以提供多種充電模式，并可設(shè)置充電的一些參數(shù)， 并可以實時地進行數(shù)據(jù)采集并存入數(shù)據(jù)庫，然后分析結(jié)果，確定蓄電池的性能狀況、使用狀 況和電解液濃度，以便及時對蓄電池進行維護。電動車、電動汽車的電池一般有多個單體電 池組成，在上位機上可以設(shè)置單體的個數(shù)、容量，還可以對某一已編號的電池組的歷史充電 曲線進行查詢，所以此系統(tǒng)通用性較強。也就是說此系統(tǒng)可以對不同型號的各類電池進行充 電維護。智能充電器是可以脫離上位機獨立工作的，它有一套默認(rèn)的設(shè)置，當(dāng)沒有收到上位 機的命令時它會按照默認(rèn)設(shè)

3、置工作，此時只能對某一種電池組充電。2系統(tǒng)的總體設(shè)計方案充電器一般放在車庫里，而上位機軟件則需要裝在居室中的PC機上，為實現(xiàn)系統(tǒng)兩 部分間的數(shù)據(jù)傳輸，我們權(quán)衡價格和實用性選取長線傳輸：RS - 485通信。它的通信距 離可達1. 2 Km,而且價格相對低廉。系統(tǒng)的充電機本體部分我們選用價格低廉的holtek 單片機作為主控制芯片，上位機軟件則用VB進行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫通過VB提供的數(shù)據(jù)庫管理 工具建立。3智能充電機本體設(shè)計充電機本體實際上是一個實時監(jiān)測和控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它按照接收到 的上位機命令完成對蓄電池充電過程的監(jiān)控，并實時地將檢測到的充電參數(shù)返回給上位機， 這些參數(shù)包括蓄電池端

4、電壓、充電電流和電池溫度等。圖2的主充電路實現(xiàn)充電電流、電 壓的控制，是充電機的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。圖3的均衡電路解決由于電池制造工藝的不同等原因引 起的電量不均衡；485接口電路實現(xiàn)充電機本體與上位機的通信；電流、電壓、溫度檢測 電路實時地檢測充電的電流、電壓和電池溫度?？煽毓杩刂骑`路單電流松測電路均衡電路片電壓檢測電路485接口電路機d溫度檢瀏晦蹈-:,虹 q *= if,圖1充電機結(jié)構(gòu)框圖圖3均衡電路在主充電路中，220 V電壓經(jīng)變壓器降壓后，由整流器整流和大電容C1平滑濾波， 作為直流充電電源。MOSFET、二極管D1、電感L1和電容C2構(gòu)成主充電路。在工作過程中，PWM控制信號的高電平脈沖出現(xiàn)

5、，使MOSFET導(dǎo)通之后，電感L1的電流不斷增 大，電容C2充電，主充變換器不斷存儲能量，同時通過電感L2對電池充電，此時，續(xù)流 二極管因反向偏置而截止。經(jīng)過PWM高電平脈沖持續(xù)時間后，PWM信號變低，MOSFET 截止，電感L1中的電流減小，L1兩端的感應(yīng)電動勢使續(xù)流二極管導(dǎo)通，L1中的存儲 電流和電容C2存儲電荷向電池充電。經(jīng)過PWM信號的低電平持續(xù)時間后，PWM信號 的又一高電平脈沖到來，再度使MOSFET導(dǎo)通，上述過程循環(huán)交替。電感L2的作用是平 滑充電電流4 .在均衡電路中，以4節(jié)電池為例，當(dāng)對第二節(jié)電池均衡時，開啟MOS管Q2,蓄電池 C2通過Q2給電感L1、L2充電，然后關(guān)斷MO

6、S管Q2,則電感L1中的電流通過二極管 D1回饋給蓄電池C1,電感L2中的電流通過二極管D3和D4回饋給蓄電池C3和C4,以達 到各個單體均衡的效果。4上位機界面設(shè)計及數(shù)據(jù)庫的建立長期的用戶調(diào)研和質(zhì)量服務(wù)告訴我們，上位機界面開發(fā)的總體任務(wù)是：方便用戶設(shè)置 和修正充電參數(shù)，解決由于鉛酸蓄電池的使用及維護保養(yǎng)不到位造成的蓄電池早期報廢問 題。為了使用戶在使用過程中及時發(fā)現(xiàn)蓄電池存在的問題，從而及時采取相應(yīng)的補救措施， 為此我們使用VB開發(fā)出了上位機軟件，它具有可視化、簡單易學(xué)、操作簡便的特點，并具 備從充電參數(shù)設(shè)置、繪制充電曲線、存儲充電曲線、充電過程分析、充電記錄的查詢、刪除、 打印到充電報警等

7、全套充電分析功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.圖4上位機界面框圖在參數(shù)設(shè)置中可以對框圖中所示的條目進行設(shè)置，使得該系統(tǒng)具有很強的通用性。電 動車電池一般由幾個單體組合而成，可以選擇單體個數(shù)以確定電池組的電壓和容量。該系統(tǒng) 提供了如框圖所示的三種充電模式，一般新電池前五次充電要進行初充電以充分激活電解 質(zhì)，當(dāng)單體電量不同時要均衡充電，其余時正常充電。還可以按照需求設(shè)置不同充電階段的 充電時間，來滿足各種電池的不同需求；實時充電曲線實時地顯示充電電流、電壓和電池溫 度；歷史充電曲線可以顯示該電池組充電歷史；通過分析充電過程曲線即可了解電池存在的 問題，如：蓄電池缺乏電解液、電解液比重不符合要求或蓄電池單體

8、存在差異等，從而及時 的對電池進行保養(yǎng)；該系統(tǒng)還提供了按日期或電池編號查詢、刪除充電記錄的數(shù)據(jù)庫功能， 方便了操作；報警提示用來告知用戶充電的過壓、過流、過熱情況以及充電是否結(jié)束。4. 1上位機界面的設(shè)計按照圖4所示的功能框圖設(shè)計的VB界面如圖5.圖5系統(tǒng)主界面4. 1. 1充電曲線的繪制首先繪制坐標(biāo)系，包括定位坐標(biāo)原點、繪制X軸（充電時間值）、Y軸（充電電流、 充電電壓、充電溫度值）、標(biāo)注軸上的刻度線以及打印與刻度線對應(yīng)的刻度值；然后要繪 制曲線，由于傳到上位機上的數(shù)據(jù)是具有相等時間間隔的一些點，而我們要繪制曲線，所以 我們用拋物線法進行曲線擬合。具體方法如下：給定 N 個點 P1 , P2

9、 , ., PN 對相鄰三點 Pi , Pi + 1 , Pi + 2及 Pi + 1 , Pi + 2 , Pi + 3 , i = 1.N - 2,反復(fù)用拋物線算法擬合，然后對相鄰拋物線在公共區(qū)間Pi + 1到 Pi + 2范圍內(nèi)，用權(quán)函數(shù)t與1 - t進行調(diào)配，使其混合為一條曲線，可表示為：N - 2f = 1其中，Si為Pi , Pi + 1 , Pi + 2三點決定的拋物線曲線，Si + 1為Pi + 1 , Pi +2 , Pi + 3三點決定的拋物線曲線，混合后的曲線S在Pi + 1到Pi + 2公共段內(nèi)，是Si的 后半段與Si + 1的前半段加權(quán)混合的結(jié)果。S曲線在公共段內(nèi)的參

10、數(shù)方程可寫為：2._2-x =,1 - 2 少 & + 妃 a +26 k + bi土 + 2,9：.V = 1 -（aly h + 知& +Qy +24 玄如魚技魂是其中 t2 e 0, 0. 5 , t1 = t2 + 0. 5e 0. 5, 1 。式中 a1x , b1x , c1x , a1y , b1y , c1y為 Si 段曲線的系數(shù)，由 Pi , Pi + 1 , Pi + 2三點控制，參變量為t1 ,在公共段范圍內(nèi)t1e0. 5, 1 ;式中a2x , b2x , c2x , a2y , b2y , c2y為Si + 1段曲線的系數(shù)，由Pi + 1 , Pi + 2 , Pi

11、+ 3E點控制，參變量為t2 , 在公共段范圍內(nèi)t2 e0, 0. 5 。顯然，當(dāng) t1 = 0. 5, t2 = 0 時，S = Si;當(dāng) t1 = 1, t2 = 0. 5 時，S = Si + 1。用這種方法擬合的自由曲線，在P2到PN - 1各已知點的左、右側(cè)能達到一階導(dǎo)數(shù)連 續(xù)，而當(dāng)曲線兩端沒有一定的端點條件限制時，則曲線各有一段曲線不是加權(quán)混合的形式， 而只是S1的前半段和SN - 2的后半段。繪制的電流充電曲線如圖6所示：圖6電流充電曲線4. 2數(shù)據(jù)庫的設(shè)計本系統(tǒng)設(shè)計了三個數(shù)據(jù)庫，用于標(biāo)準(zhǔn)充電曲線存儲、實際充電曲線存儲及分析結(jié)果存 儲。使用VB6. 0提供的數(shù)據(jù)庫管理工具”可視化

12、數(shù)據(jù)管理器”建立。其中實際充電曲線數(shù)據(jù) 表如表1所示，數(shù)據(jù)庫的建立方便了對電池的查詢、分析，同時也方便了管理。表1實際充電曲線數(shù)據(jù)表名稱Name:類型Tw大小Value是否允許零長度Whether allow zero length電池編號 Serrial numberText50Not Null日期DateDate8Niti時間TimeT ine8NotNull充電電流值 Changing current valueSingle4NotNul:充電電.壓值 Charging voltage valueSingle4NotNull電池溫度值 B atteries tesnperantreSingle4Not Nil注:電池緩號:按照用戶公屹要求繾項I充電綴號，期:實際充電日期，睇商:實際充電麗.實際充電電流值:實際充電測得的電流值，實際充電電壓值:實