CN106515473A - 基于单片机的电动汽车电池智能充电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于STM8单片机的电动汽车电池智能充电系统及控制方法。包括有单片机控制模块、充电电路模块，其中单片机控制模块的输出端与充电电路模块的输入端连接，充电电路模块的输出端与蓄电池电连接。本发明的控制方法，包括有如下步骤：1）在充电电流控制中，以电流误差及其变化率作为模糊控制输入参数；2）经过模糊化计算出输入的隶属度；3）计算出模糊输出量；4）通过反模糊化输出精确的控制量。本发明充电时间明显缩短，充电效率大大增加。本发明的控制方法简单方便，避免了在充电初期充电电流过大，造成蓄电池出现析气与温升过高的问题。

Description

基于单片机的电动汽车电池智能充电系统及控制方法

技术领域

本发明是一种基于单片机的电动汽车电池智能充电系统及控制方法，属于基于单片机的电动汽车电池智能充电系统及控制方法的创新技术。

背景技术

目前，常规的充电方法有恒流法、恒压法、恒流-恒压法等，其相应的硬件电路和控制方法不算太复杂，但这些方法都存在致命的缺点，充电时间长，效率低。恒流充电、恒压充电都不能回避充电过程中电池内部极化加剧问题，极化的后果主要是损伤蓄电池、充电质量下降、充电效率降低。这些与节能环保、大力促进能源革命明显是相悖的。

1)恒流充电方法

恒流充电法是通过调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻，从而保持充电电流强度不变的充电方法，如图1所示。其优点在于充电过程电流小，从而避免了在大电流情况下温升大的不足，损坏蓄电池；有较大的适应性,可以任意选择和调整充电电流。

虽然控制方法简单，但由于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，恒流充电开始阶段的充电电流过小,在充电后期充电电流又过大,充电后期充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过多，会对电极板产生很大的冲击，能耗高、效率低，且充电 时间长，这是恒流充电的致命缺点。

2)恒压充电方法

充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。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2所示。

这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，极易造成电解液的沸腾，由此导致蓄电池内部温升过大，对蓄电寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。

3)恒流-恒压充电法

恒压或恒流充电方法都会出现使得蓄电池过充或欠充。通过试验对比可以知道恒压充电的过充电是出现在充电的初期，恒流充电则出现在充电的末期。故而，针对上述的问题，许多专家学者提出了一种恒流-恒压的充电方法，即：在充电的初期采用恒流充电的方法进行充电，从而避免了在充电初期充电电流过大，造成蓄电池出现析气与温升过高的问题；待到蓄电池的电压上升至某一定值的时侯，采用恒压充电方法对蓄电池进行充电，这样有效抑制了在充电末期蓄电池析气与温度升高等现象。

恒流-恒压两段式充电法解决了蓄电池的过充问题，但它的充电速率较低，充电时间没有缩短。恒流-恒压充电方法的电压、电流波形变化如图3所示。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种基于单片机的电动汽车电池智能充电系统。本发明充电时间明显缩短，充电效率大大增加。

本发明的另一目的在于提供一种基于单片机的电动汽车电池智能充电系统的控制方法。本发明控制简单方便，避免了在充电初期充电电流过大，造成蓄电池出现析气与温升过高的问题。

本发明的技术方案是：本发明的基于单片机的电动汽车电池智能充电系统，包括有单片机控制模块、充电电路模块，其中单片机控制模块的输出端与充电电路模块的输入端连接，充电电路模块的输出端与蓄电池电连接。

本发明基于单片机的电动汽车电池智能充电系统的控制方法，包括有如下步骤：

1)在充电电流控制中，以电流误差及其变化率作为模糊控制输入参数；

2)经过模糊化计算出输入的隶属度；

3)计算出模糊输出量；

4)通过反模糊化输出精确的控制量。

本发明由于采用去极化放电的变电流间歇充电法进行充电，本发明结合了恒压和恒流两种充电方法的优点，从而避免了在充电初期充电电流过大，造成蓄电池出现析气与温升过高的问题；待到蓄电池的电压上升至某一定值时，最后阶段采用小电流充电方法对蓄电池进行充电，这样有效抑制了在充电末期蓄电池析气与温度升高等现象。同时采取了消除浓差极化的措施(负脉冲放电)，本发明充电时间明显 缩短，充电效率大大增加。本发明是一种基于单片机的电动汽车电池智能充电系统。

附图说明

图1为恒流充电曲线图；

图2为恒压充电曲线图；

图3为恒流-恒压充电曲线图；

图4为可放电脉冲充电曲线图；

图5为电池智能充电系统框图；

图6为电池智能充电过程流程图；

图7为双向DC-DC控制电路原理图；

图8为AC-DC降压电路原理图；

图9为去极化的变电流间歇充电实测曲线图；

图10为e、△e、△z的隶属函数关系示意图。

具体实施方式

实施例：

本发明的基于单片机的电动汽车电池智能充电系统，本发明采用去极化放电的变电流间歇充电法，可放电的脉冲充电法具有快速性、安全性、可靠性。1960年，马斯提出以最低析气率为前提的铅酸蓄电池的可接受的最佳充电电流曲线，即，其中i表示任意时刻t蓄电池可以接受的最佳充电电流，表示最大的初始电流，a表示衰减率或固有接受比，C为电池的额定容量。

根据蓄电池可接受充电电流定律以及马斯三定律，可知在充电过程中，当充电电流接近蓄电池固有充电曲线时，适时地对蓄电池进行 反向电流放电，可以提高蓄电池的充电接受能力，也就是说通过反向大电流放电，可以提高蓄电池的充电速度，缩短充电时间。

本发明制定了多段段恒流充电与脉冲放电相结合的充电策略，如图4所示。每段恒流充电电流波形由一组脉冲波形组成，只要把脉冲时间控制好，整个波形便可逼近蓄电池可接受充电电流曲线。

本发明基于单片机的电动汽车电池智能充电系统，包括有单片机控制模块、充电电路模块，其中单片机控制模块的输出端与充电电路模块的输入端连接，充电电路模块的输出端与蓄电池电连接。

本实施例中，上述充电电路模块包括有MOSFET驱动电路、降压电路、BUCK电路,MOSFET驱动电路的输入端与单片机控制模块的输出端连接，降压电路的输入端与辅助电源连接，MOSFET驱动电路的输出端及降压电路的输出端与BUCK电路连接，BUCK电路的输出端与蓄电池电连接。

本实施例中，上述单片机控制模块包括有单片机、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、PWM驱动电路，其中电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路的信号输出端与单片机的输入端连接，单片机的输入端与PWM驱动电路的输入端连接，PWM驱动电路的输出端与MOSFET驱动电路的输入端连接。上述单片机通过通讯接口与PC上位机连接。此外，上述单片机控制模块还连接有LCD液晶屏。上述单片机控制模块还连接有蜂鸣器。

本发明基于单片机的电动汽车电池智能充电系统的控制方法，其特征在于包括有如下步骤：

1)在充电电流控制中，以电流误差及其变化率作为模糊控制输入参数；

2)经过模糊化计算出输入的隶属度；

3)计算出模糊输出量；

4)通过反模糊化输出精确的控制量。

8、根据权利要求7所述的基于单片机的电动汽车电池智能充电系统的控制方法，其特征在于上述步骤1)模糊控制输入参数:

e(n)＝i(n)-is(n)-----电流偏差；△e(n)＝e(n)-e(n-1)-----电流偏差变化率；

式中i(n)为电流的实际测量值，is(n)为电流的期望值。

本实施例中，上述步骤3)通过模糊控制规则表计算出精确的PWM输出量。

双向DC-DC控制电路：根据电池最佳充电曲线，除了正向变电流充电外，电路还要实现反向大电流放电的功能，本发明设计的电路为如图7的双向DC-DC开关电源拓扑。工作原理如下：

1)正向充电时，该电路相当于一个BUCK降压电路，其输出电压(D控制为高端开关管N1的PWM占空比)，通过单片机产生两路互补PWM从而控制前两个MOS管的通断时间，使其降压至蓄电池充电电压范围。同时为了避免反向放电电阻的不必要损耗，在正向充电时，通过单片机输出低电平关断MOS管N2，使电流不会流过反向放电电阻。

2)反向放电时，将高端MOS管关断，以截断输入端，并打开低端MOS管，以及反向放电MOS管使蓄电池向反向放电电阻放电，并且将 电感储存的剩余能量释放。

AC转DC电路：

由于市电输入为220V交流电，须将其转换为直流电，才能作为DC-DC拓扑的输入，本发明采用4个1N4007整流二极管组成整流桥，并在输出端采用大电容滤波，保证将其转换为稳定的直流电平。由于目前全电压输入的DC-DC开关电源拓扑比较难实现，所以本发明采用变压器，将其降压为DC 32V，使其适合作为DC-DC拓扑的输入电平。(如图8)

MOSFET驱动电路：

本发明的MOSFET驱动电路就是MOS管驱动电路，由于单片机输出电压较低，不能直接驱动MOS管的导通，所以须增加MOS管驱动电路。驱动电路选用了自举芯片IR2110驱动电路(如图9)，以及三极管共射推挽驱动电路(如图10)相组合，IR2110芯片有双臂驱动功能，分别驱动高端MOS管N1、低端MOS管N3，在双向DC-DC中正向调压部分能有效利用自举芯片的两个驱动部分，并且驱动方便。

由于反向放电电路只需一路驱动，若使用IR2110会造成浪费，所以采用8550以及8050三极管组成共射推挽驱动电路，能减少成本。

温度检测电路：

过高的环境温度是影响蓄电池使用寿命的典型因素，一般蓄电池生产厂家要求的环境温度是在15～25℃，随着温度的升高，蓄电池的放电能力也有所提高，但环境温度一旦超过25℃，只要温度每升 高10℃，蓄电池的使用寿命就会减少一半。例如蓄电池的使用寿命是6年，环境温度为35℃，那么其寿命就只有3年了，如果温度再升高10℃达到45℃，其寿命就只有1.5年了。因此，为了实现延长电池寿命的目的，本发明设计了实时监控电池温度的系统。

温度检测电路中所使用的DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器。DS18B20作为检测元件，它的温度范围为-55～125℃,最高分辨率可达0.0625℃。DS18B20可以直接读出被测温度值，其精度和适用温度范围均符合本充电系统的需求。

而控温电路中本装置使用了小风扇以模拟汽车降温系统(实际汽车降温系统使用的是冷却液，有着更好的降温效果)，当测得电池温度高于预设值时，通过单片机控制开启小风扇，以实现对电池温度的控制，并通过蜂鸣器进行自动报警。

电流电压检测电路

为了准确地调节电池的工作状态，该系统须精确地采集电压电流数据，于是本智能系统采用了现成的电压电流检测模块，电流检测采用美国美信公司生产的精密高端电流检测放大器芯片MAX471。该模块无需外接电源，模块内部直接使用被检测电源供电。MAX471工作电流最小为3V，所本模块检测的最小电压输入为3V。电压检测使用电阻分压原理所设计，能使端子接口输入的电压缩小10倍。由于本作品单片机ADC使用3.3V系统供电，所以输入电压不能大于33V。

电压检测范围：3V-33V；电流检测范围：0-3A，精度：2％，电流 电压转换比值：1V/A。

单片机最小系统

本智能充电系统采用STM8S105C6作为主控核心，产生PWM以驱动DC-DC拓扑，通过STM8芯片的AD采集口采集充放电电压、电流以及温度等信息，作为反馈，实时控制充电状态。并通过5110显示屏显示。同时通过UART串口与上位机通讯，发送充电数据，保存于上位机。

数据采集系统的设计与实现：

数据采集系统采用Python编写的GUI采集程序，单片机与其通过串口相连，单片机采集到相应采集数据后，通过统一的指令发送到上位机程序，上位机再对数据进行整理与分析，以曲线的形式呈现出来，并保存历史数据和相应曲线。上位机程序功能如下：1)实时数据的接收与显示；2)根据数据绘制出相应的折线图并保存；3)读取历史数据，生成数组便于更进一步的科学分析。

为得到最佳充电方案，中通过上位机对电池充电状态进行实测与记录。在本实验中所采用的铅酸蓄电池容量为1.3AH，充电电流范围为0.5～1.2A，充电电压范围为12～14V。

数据表明，相较于传统上的两阶段恒流充电或三阶段恒流充电方法，本充电系统采用的方案充电时间短，充电效率高，温升较小，从快速、高效、无损等方面综合考虑，该充电方法更具有应用前景。

本发明的模糊处理方法如下：

模糊控制对于无法建立精确系统模型的控制有着极其强大的优势，在本方案中通过模糊控制来控制实际的充电电流和用于精确计算反向脉冲的放电时间。

在充电电流控制中，以电流误差及其变化率作为模糊输入参数，经过模糊化计算出输入的隶属度，再通过专门的控制规则表计算出模糊输出量，最后通过反模糊化输出精确的控制量。比直接PID控制电流，本方案控制精度高，实时性快等优点，不用频繁调节PID参数。模糊控制输入:e(n)＝i(n)-is(n)-----电流偏差；△

e(n)＝e(n)-e(n-1)-----电流偏差变化率。式中i(n)为电流的实际测量值，is(n)为电流的期望值。

通过隶属函数模糊化输入量，然后通过下表的模糊控制规则表计算出精确的PWM输出量。

表(1)e、△e和△z模糊控制规则

开关电源与线性电源的优劣性比较：

线性电源输出电源质量较高，电压较稳定，可以应用在对电源要求高的场合。但是线性电源的调整管工作在放大状态，三极管发热量大，需要加体积庞大的散热片，电源效率低。还需要大体积的工频变压器。因此线性稳压电源在大功率时非常笨重。

开关电源的开关管工作在饱和和截止状态，饱和状态时开关管上的压降小；而截止的时候开关管的电阻极大，因而电流极小，开关管上的耗散功率非常小，一般开关电源的效率都能达到90％以上。所以开关电源非常适合应用在大功率的场合。

由于开关电源开关的动作特性，输出电压的纹波和开关噪声较大，滤波电路要求较高。在开关电源输出端可加PFC进行功率因素校正，使电源效率更高。在输出功率相同的情况下，开关电源的体积和重量只有线性电源的20％。这样智能电池充电管理系统的体积以及重量会较小，系统整机消耗的功率也较小。因此在设计过程中本发明采用开关电源对电压进行转换。

本设计采用的是双向DC变换的电源拓扑，电路相对简单，充电时电路等价于Buck拓扑，体积可以设计得非常小。电源效率也相对高很多，符合当今节能减排的主题。

以下为本方案的相关设计参数以及实测数据：

相关设计参数及实测值如下：

蓄电池最佳充电曲线的实现及优化方法如下：

马斯定律指出，对任意给定的放电深度，蓄电池充电接受率与蓄 电池放电电流的对数成正比，即：

a＝K₂log(K，I)

其中I为蓄电池放电电流，为放电量常数，视放电量的多少而定，K为计算常数，由于可接受电流，因此上式可修改为：

I₀＝K₂Clog(K，I_d)

即蓄电池接受充电电流的能力与放电电流有关，越大，蓄电池可接受的充电电流越大。适当地放电将使充电接受电流的增加比放电量的增加快，这样可增加电流接受率。

实际上虽然电流以最佳充电电流曲线充电能缩短时间，但是时间仍然比较长，可接受充电电流按指数减少的原因一是活性物质的减少，二是极化现象对充电产生了障碍。

当充电电流接近蓄电池固有的微量析气充电曲线时,适时地对电池进行大电流瞬时放电,可提高蓄电池的充电接受能力。极化电压的大小是紧随充电电流的变化而改变的。那么如果在蓄电池充电过程中，为蓄电池提供一条放电通道让其反向大电流放电，则浓差极化和电化学极化将会迅速消失，从而有效消除极化电压，就可以提高充电速度。

在本智能充电系统中，通过电路硬件设计为电池提供一条放电通道，以开关MOS管作为开关，便可适时地进行脉冲放电。其中，反向放电脉冲宽度可以通过模糊处理算法确定，通过相应计算，算出荷电状态SOC和极化电压作为输入变量，进行模糊处理。其中，极化电压为蓄电池电动势与析气电压之差(析气电压数值上等于蓄电池停止充电时，充电电流下降为0的蓄电池两端电压)。

在SOC达到90％左右以后,极化电流增加非常快,这时,即使负脉冲去极化后,蓄电池可接受的充电电流仍然很小,因此从此刻开始应将充电装置由电流闭环控制转换为电压闭环控制。

本发明的检测电池SOC：通常把在一定温度下电池充电到不能再吸收能量的SOC定义为，将电池再不能放出能量的SOC定义为。本电池智能充电系统采取修正后的安时法测量电池SOC。

模糊处理方法如下：模糊控制对于无法建立精确系统模型的控制有着极其强大的优势，而对于蓄电池来说，至今都没有能够建立起精确的数学模型。为了提高电池充电效率，需要进行一定时间的反向脉冲放电，而放电时间也是由荷电状态和极化电压所决定的参数，因为他们之间没有明确的数学模型，所以本方案采用模糊计算出反向放电所需要的时间，能够在没有精确的数学模型下，利用专家控制规则来精确的计算出反向脉冲放电时间，有利于提高电池的充电效率。

本发明数据采集系统的优点如下：

1)采用Python语言，方便各平台的移植。

2)采用numpy和matplotlib等python科学库，用于获得高质量的数据分析。

3)采用Python开发语言，更容易接入互联网，方便实现物联网，远程数据存储。

本发明数据采集系统的意义如下：

1)能直观反应该系统的充电过程以及状态，方便开发过程中的数据分析以及相应算法、相应电路的优化，以便进一步改进充电系统和改善电池性能。

2)结合云计算，可以把大量的充电曲线、数据保存在云端，方便充电器的优化。同时电池厂商可利用这些大量数据来改善电池性能以及充电装置，真正实现充电智能化。

3)可将智能充电系统通过上位机程序接入互联网，实现厂商对每个用户的充电情况进行分析，实时了解市场情况，以便厂商为用户提供更好的电池保养服务，对新一代电池研发、智能充电设备开发提供了重要数据。

本数据采集系统能对数据进行整理与分析，以曲线的形式呈现出来，并保存历史数据和相应曲线，且能直观反应该系统的充电过程以及状态，方便开发过程中的数据分析以及相应算法、相应电路的优化，用以改进充电系统和改善电池性能。

结合云计算，可以把大量的充电数据保存在云端，方便充电器的优化。同时电池厂商可利用这些数据来升级现有设备，真正实现充电智能化。可将智能充电系统通过上位机程序接入互联网，实现厂商对每个用户的充电情况进行分析，实时了解市场情况，以便厂商为用户提供更好好的电池保养服务，对新一代电池研发、智能充电设备开发提供了重要数据。

市场分析与应用前景分析：

中国市场上电动汽车充电器基本数据比较

目前中国电动车充电器的种类主要分为两类：线性稳压电源和开关稳压电源。

经过以上表格对比以及分析，以开关稳压电源为电动汽车供电必为21世纪的大势所趋。开关型稳压电源价格较高，所需功率也较高，输出稳定性较差，但其电源效率可高达90％甚至更高，是线性稳压电源的2倍以上，并且其体积更小。符合当前时代节能减排的大主题。

由于地球上不可再生资源的消耗，同时随着高能效、低污染的电动汽车的普及，将来电动汽车必然成为马路上的主角。因此开发更高效率、使用更持久的智能充电器显得更加必要。

本发明通过单片机控制电路可以实现“电池温度的实时检测及降温处理”、“电池电量的实时显示”、“充电过压过流保护”、“电池状态安全报警”、“充放电电流电压控制”等功能，从而使电池的充电状态处于最佳状态；研发团队可根据上位机所记录的数据对产品进行升级。在应用前景方面，上位机储存的大量充电曲线、充电历史数据可保存在云端，以便电池厂商利用这些数据改进电池及充电电路，实现充电智能化；智能充电系统通过上位机程序接入互联网，实现厂商对每个用户的充电情况进行分析，了解电池实际充电过程的情况，为用户提供良好的电池保养服务，更为重要的是这些数据为新一代电池、智能充电设备开发奠定了基础。

为了提高充电效率，延长电池寿命，本发明使用的充电方案是“去 极化放电的变电流间歇充电”方式。在充电中电池内部产生的极化电压会阻碍其本身的充电，当停止充电时，电阻极化消失浓差极化和电化学极化亦逐渐减弱。因此，蓄电池充电过程中，适时地暂停充电，并且适当地加入放电脉冲，就可迅速而有效地消除各种极化电压，从而提高充电速度与效率。有相关实验已经证明，使用“去极化放电的变电流间歇充电”方式对铅酸蓄电池进行充电，电池充电效率可以达到90％以上。

本发明从充电器的电源效率、使用寿命及智能管理三方面研究。相比目前的电动汽车充电器，本作品采用开关稳压电源，效率高达90％，而且采用对电池寿命损耗较小的充电方式---可放电的变电流间歇充电方式，延长电池使用年限，提高充电效率，有效缩短充电时间。

与此同时，本发明还具有用户管理功能。用户可以通过上位机来查询电池的实时状态以及历史数据，观察电池充放电的曲线，并且可以将数据上传到云端进行处理与保存，以此来监测电池的状态。而用户则可以通过对以上数据的分析来适当控制本管理系统，以便使电池工作在最佳的状态下，这样便可以对电池进行智能化的管理，保证电源效率达到最佳，避免了电池寿命不必要的损耗。另一方面，厂家还可以随时通过用户上传到云端的历史数据来获得相应的反馈信息，分析出存在的问题并且对电池进行改善，随着“互联网+”和云计算逐步普及，本智能充电系统愈发显得重要。

Claims (9)

1.一种基于单片机的电动汽车电池智能充电系统，其特征在于包括有单片机控制模块、充电电路模块，其中单片机控制模块的输出端与充电电路模块的输入端连接，充电电路模块的输出端与蓄电池电连接。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的电动汽车电池智能充电系统，其特征在于上述充电电路模块包括有MOSFET驱动电路、降压电路、BUCK电路, MOSFET驱动电路的输入端与单片机控制模块的输出端连接，降压电路的输入端与辅助电源连接，MOSFET驱动电路的输出端及降压电路的输出端与BUCK电路连接，BUCK电路的输出端与蓄电池电连接。

3.根据权利要求1所述的基于单片机的电动汽车电池智能充电系统，其特征在于上述单片机控制模块包括有单片机、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、PWM驱动电路，其中电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路的信号输出端与单片机的输入端连接，单片机的输入端与PWM驱动电路的输入端连接，PWM驱动电路的输出端与MOSFET驱动电路的输入端连接。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于单片机的电动汽车电池智能充电系统，其特征在于上述单片机通过通讯接口与PC上位机连接。

5.根据权利要求4所述的基于单片机的电动汽车电池智能充电系统，其特征在于上述单片机控制模块还连接有LCD液晶屏。

6.根据权利要求5所述的基于单片机的电动汽车电池智能充电系统，其特征在于上述单片机控制模块还连接有蜂鸣器。

7.一种基于单片机的电动汽车电池智能充电系统的控制方法，其特征在于包括有如下步骤：

1）在充电电流控制中，以电流误差及其变化率作为模糊控制输入参数；

2）经过模糊化计算出输入的隶属度；

3）计算出模糊输出量；

4）通过反模糊化输出精确的控制量。

8.根据权利要求7所述的基于单片机的电动汽车电池智能充电系统的控制方法，其特征在于上述步骤1）模糊控制输入参数: e(n)=i(n)-is(n) -----电流偏差；△e(n)=e(n)-e(n-1) -----电流偏差变化率；

式中i(n)为电流的实际测量值，is(n)为电流的期望值。

9.根据权利要求8所述的基于单片机的电动汽车电池智能充电系统的控制方法，其特征在于上述步骤3）通过模糊控制规则表计算出精确的PWM输出量。