电动助力车快速充电站设计.docx
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电动助力车快速充电站设计
电动助力车快速充电站设计
摘要:
针对电动车行驶距离短、充电时间长、补充点能慢等特点,设计一款专门用于电动车快速充电的智能快速充电站。
我国的电动车用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池,但常规的充电时间过长,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,本文结合电动车充电的实际要求,给出快速充电的整体方案,并就方案中的主电路,及单片机控制电路具体分析,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:
快速充电,单片机,分级慢脉冲,蓄电池
Anelectricmopedfastchargingstationdesign
Abstract:
Forelectricvehicleswithshortrangeandlongchargingtime,addedpointcanslowwaitforacharacteristic,designaspecialintelligentfastchargingstationsforelectricvehiclesquickcharge.MostofChina'selectricvehiclepowerbatteryforlead-acidbatteries,butthenormalchargingtimeistoolong,fastchargingtechnologyhasfailedtosolvecompletely,seriouslyrestrictsthedevelopmentofelectricvehicles.Basedonthis,thispapercombiningtheactualrequirementofelectricvehiclecharging,rapidchargingofoverallschemearegiven,andtheschemeofthemaincircuit,single-chipmicrocomputercontrolcircuitandadetailedanalysis,putforwardakindofcanimplementfour-paragraphslowpulsechargingoflead-acidbatteryintelligentchargingdesignscheme.Controlpulsefrequencyanddutyratioofswitchpowersupply,soastoadjustthechargingcurrentandvoltage,torealizehierarchicalslowpulsechargingofbattery.Thisschemenotonlycanrealizequickcharge,canreducethegaschromatographyatthesametime,eliminatesulphide,equalizingcharge,thusgreatlyextendtheservicelifeofthelead-acidbattery.
Keywords:
Quickcharge,Singlechipmicrocomputer,Hierarchicalslowpulse,battery
第一章绪论
1.1引言
目前,我国电动车市场保有量达1.2亿辆,并且仍以30%的年增长率不断上升。
电动车以其价格低、轻便节能、环保等诸多优点,成为居民日常生活中的重要交通工具之一,深受广大使用者青睐。
但是在使用中暴露出了他的局限性:
如半路电池电量耗尽,且随着使用时间的递增,电池使用寿命会逐渐缩短等。
电动车在使用过程中遇到的比较严重的问题就是充电问题,据调查10位电动车用户中至少有5位车主就曾遭遇电动车“抛锚”的现象,为了解决这一问题,就需要电动车应急快速充电。
1.2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。
但是,基于电动车在使用过程中也暴露出的不少缺点,使本课题具有深刻的意义。
本课题以AT89C51单片机为核心,利用公交IC卡以及投币支付装置实现付充电费用功能,防盗报警,安全可靠;充满自停,来电续充,付费合理,并加上LED显示消费费用方便简单。
同时充电站也设计有投币的方式,使应用前景更加宽广。
1.3电动助力车快速充电站的发展现状
随着低碳经济成为我国经济发展的主旋律,电动助力车车作为新能源战略和智能电网的重要组成部分,以及国务院确定的战略性新兴产业之一,必将成为今后中国汽车工业和能源产业发展的重点。
然而,电动助力车产业是一项系统工程,电动助力车充电站则是主要环节之一。
在中国电动助力车充电站的发展是必然的,抢占先机也是企业的制胜之道。
在目前的情况下,国家虽有大力倡导,各企业又蠢蠢欲动,虽然电动汽车走入寻常百姓家不是短期内容易做到的,但是电动自行车已经深入人民群众中。
现在电动车已经大街小巷随处可见的交通工具了,在电动车非常普及的今天,大家可能也关注过电动车充电站,目前一元投币充电站快充那种可能都很清楚,一元快充充电站推出较早,所有型号比较单一整体不完善,最主要的原因就是:
市面上的一元充电站都是快速充电,一般10分钟就能充好。
时间是快了,但对电瓶的损害也是显而易见的,有电动车销售商表明连续使用快速充电器充电5次电池就回鼓包。
所以说快速充电站不能从根本上解决百姓的充电问题,也就决定了它不是最理想的充电站。
长沙汇腾电子科技有限公司所研发的投币充电站则不同,它不改变电瓶的属性,对电瓶绝对没有损害。
一元可充4小时,可以放心使用。
电动车充电站其市场前景广阔,是电动车都要充电,在小区内目前大家的充电方式还是楼上跑电线下来或者把笨重的电瓶提到楼上进行充电,如果在小区的车棚内安装了长沙汇腾电子科技有限公司所生产的十路电动车投币充电站就可以避免每天把电瓶搬来搬去了,在车棚内只需花一块钱就可把电池充满。
节省了体力,方便了大家的生活;瓶也冲好了,在企业和工厂的停车处安装电动车充电站,路途遥远的员工也可以骑电动车上下班,上班之余完成了电动车充电,方便了员工,也解决了企业的困难。
电动车充电站是一种应老百姓需求而生的实用型产品,不仅方便了居民的生活,同时也是一种促进了市场发展的金矿产品。
改变了居民的生活习惯、是居民的生活更便捷,这就是成千上万或上亿的人们需要的东西,哪里有生活,哪里就有电动自行车,哪里就需要电动车投币充电站。
市内中短途用车习惯-符合电动车的续航特性。
调查结果证明:
中国驾驶者用车大多在城市里往返,且是中短距离。
被问及未来五年是否有计划购买电动车时,有意愿购买者占总数的88%,仅次于印度(92%);其中44%的人表示使用电动车的方式会和目前的用车方式相同,39%的人则表示只用于日常的出行。
超过六成的中国人表示在城市里驾车;占87%的人其驾车距离通常在100公里以内,且不超过2小时。
若将收入水平与驾驶习惯进行比较,不难发现行车时间和驾驶距离会随着驾驶者其家庭收入的增加而延长。
研究报告发现:
由于中国人驾车多是中短途且在市内,对电动车有限的续航里程这个特点虽有顾虑但未产生明显冲突,因此在购买电动车的意愿上较之其它国家表现得更为积极。
高收入者愿为成全环保承受电动车价上浮达20%。
在中国,有40%的受访者购买电动车的主要动机是出于对环保问题的考虑,其中节约燃料(19%)居榜首,其它考虑还包括:
应对全球变暖、空气污染问题,保障未来不受环境问题影响,通过减少石油开采以保护环境等。
另有32%的受访者则着眼于与成本相关的问题:
如油价高居不落,因此有16%的受访者表示希望通过购买电动车以降低燃料购买的成本;此外,购车价格和政府资助、税收抵免也成为购买电动车的鼓励因素。
出于对环保的支持,中国受访者有超八成人表示愿意支付更多的钱去购买电动车,其中38%的人甚至愿意承担超出常规车价最高达20%优先考虑购买电动车。
若将家庭收入水平纳入分析发现:
收入高者对环境保护的考量明显高于其他收入水平,占63%的人愿意支付超出常规车价11%~20%来购买电动车以减少对环境的破坏;而收入低的人群中则有四分之一是表示不愿为环保买单。
1.4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、支付功能和充电功能。
如图1所示:
图1基于单片机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。
本文通过五部分电路的设计来实现充电的功能,即交流220V变压稳压电路、充电主电路、信号采样与放大电路、模数转换电路、单片机控制电路。
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。
同时通过软件编程控制收费。
第二章快速充电技术的基本原理
2.1蓄电池的分类
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、镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池四类。
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
镍氢电池
镍镉电池
锂离子电池
电池容量
3Ah-3000Ah
10mAh-3Ah
100mAh-7Ah
50mAh-50Ah
大电流放电性能
高
较低
较高
较低
充放电寿命
较低
高
一般
高
安全性
高
较高
较高
较低
成本
低
较高
较低
高
回收循环利用
高
低
低
低
技术成熟度
高
较高
较高
一般
重量比能量
35Wh/Kg
70Wh/Kg
50Wh/Kg
120Wh/Kg
体积比能量
90Wh/L
140Wh/L
100Wh/L
360Wh/L
工作温度
-40~60℃
-40~50℃
-40~50℃
-20~60℃
记忆效应
无
略有
有
无
铅酸蓄电池的主要优点是容量大、大电流放电性能好、技术成熟、成本低、安全性高、使用温度范围广,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。
而镍氢电池、镍镉电池、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。
2.2充电原理
2.2.1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。
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。
2.2.2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。
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,常规充电有恒压充电法、恒流充电法、正负脉冲式充电法、阶段充电法。
2.3.1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3所示:
图3恒压充电法曲线
2.3.2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。
充电曲线如图4所示:
图4恒流充电曲线
2.3.3正负脉冲式充电法
蓄电池充电时,并非任何条件下任何充电电流都能接受。
研究表明,如果在充电过程中保持微亮的气体析出和稳定的温升,则充电接受曲线是一条指数曲线,即马斯曲线,如图5所示:
马斯曲线的表达式为:
I=IOe-t
式中I——充电接受电流
Io——最大初试电流
马斯曲线是一条自然接受曲线,如果充电电流大于该条曲线的充电电流,则会导致充电电流电解水,小于这条曲线的充电电流为充电接受电流。
1972年,美国科学家J.A.Mas经过大量的蓄电池充放电实验,提出了马斯三定律,即:
(1)对于任何给定的放电电流,蓄电池充电时的电流接受比α与电池的放电容量C的平方根成反比,即:
α=K1/√C
式中K1——放电电流常数,视放电电流的大小而定
C——蓄电池放出的容量
(2)对于任何给定的放电量,蓄电池充电电流接受比α与放电电流Id的对数成正比,即:
K2=logkId
式中K2——放电量常数,视放电量的多少而定
k——计算常数
(3)蓄电池在以不同的放电率放电后,其最终的允许充电电流It(接受能力)是各个放电率下的允许充电电流总和,即:
It=I1+I2+I3+I4+……
式中I1、I2、I3、I4…——各个放电率下的允许充电电流
综合马斯三定律,可退出蓄电池的总电流接受比为:
α=It/Ct
式中Ct——各次放电量的总和
对上述定律分析可知,在充电过程中,当充电电流接近蓄电池固有微量析气充电曲线时,适时地对电池进行反向大电流瞬间放电,能够出去正极板的气体,并使氧气在负极板上被吸收,可以提高蓄电池的充电接受能力。
2.3.4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。
2.3.5四阶段充电法
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。
第三章方案总体设计
3.1充电系统设计
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交流电经滤波后,经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、过零比较模块三个基本部分。
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,控制晶闸管的触发脉冲。
从而控制充电的电流的大小。
当用户消费金额使用完,或者蓄电池电量达到额定值后,单片机控制开关,断开电源,停止充电。
3.2方案比较和选择
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波形控制晶闸管的触发脉冲。
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,由单片机对数字信号进行分析和处理。
然后单片机调整晶闸管的触发脉冲,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继电器断开电源,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
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