基于电动汽车充放电特性的控制设计

巫良伟

攀枝花学院 617000

摘要

锂离子电池由于其比能量高、比性能好，因此它被广泛应用于电动汽车。但是，由于它的工作特点和对环境的敏感，使得它不能充分地使用电力。本文主要针对锂离子电池进行了研究，并在此基础上进行了大量的试验研究，以改善其可靠性，促进电动汽车的产业化发展。本文通过测试电池在不同应力状态下的充放电情况，对充电系统进行电路设计和仿真。同时针对单片机设计了一款锂离子电池充电器，在设计中选用了简单高效的器件，开发了稳定可靠的软件。器件功能，包括单片机电路、充电控制单元、介绍了电压开关和光耦隔离，详细介绍了MAX1898充电芯片、原装充电器和充电器控制AT89C2051单片机。同时，设计软件管理系统，创建和编写软件。保证系统的可靠性、稳定性、安全性和经济性。该充放电控制设计具有检测锂离子电池状态的能力；自动改变充电模式，满足充电电池的充电需求。

关键词：充放电控制；电动汽车；动力电池；电荷速度；安全

1  绪论

对蓄电池充电过程中放电行为的影响是十分复杂的。环境条件、作用方式和作用强度都会影响到电池自身的复杂性。此外，它还会影响内部电子，如活性物质的粒径值、光电流和电子密度。此外，内部和外部组件相互影响并在电池上相互作用，并且测量的外部参数变化。由于电池的某些参数无法直接测量，因此难以准确测量电池状况。

2  锂离子电池的充放电特性测试分析

2.1 电流-电压测试法

目前，研究充放电条件的主要方法是电流电源。如图2.1所示，三块锂离子电池可以使用0.1C的充电速度进行低功率充电，这清楚地表明它们都伴随着电源SOC的变化。图为锂锰电池、三元动力电池、磷酸锂电池共同充电时OCV-SOC曲线变化。

图2.1不同类型电池的OCV-SOC曲线

电流曲线电场可以指示电流变化和直流电压。那么，在这张图表上，三种不同的电池如何随时间变化。磷酸铁锂电池的功率分布与锰锂电池和三元锂电池相比是平坦的。充电前后，电压迅速上升，使电源插上电源。研究结果表明，活性锂锰电池极板有轻微的变化，在过渡期间弯曲度随着强度的增加而逐渐增大。当三维锂聚合物电池的SOC不超过50%时，平台容量上升缓慢，幅度低于锂锰电池。当它超过50%时，电场值会增加，当然弯曲的梯度也会发生变化。

2.2 电化学交流阻抗谱测试法

电化学交流阻抗谱（EIS）旨在研究电池内部反应机理频率波动的阻抗谱。因此电池中离子的动力学及其相互作用信息比电流-电压测量方法更具特征性。在恒频电化学体系中，为了在不同的频率上接收电流（电压）信号，采用了一个小的正弦波（电流）振幅电势。从图中可以得到电池的化学阻抗谱。由于电池内部的电极存在着非常复杂的反应，在受到一定干扰的情况下，会产生相应的表面离子浸入或运动。

图2.2锰酸锂电池的电化学交流阻抗谱图

3  锂电池充放电控制系统的硬件设计

使用单个微机脉冲来控制半桥开关V1和V2脉冲。单片机通过检测电路在充电过程中对锂电池进行检测并做出相应的控制处理。本文以单片机为基础设计的充放电控制器的硬件连接图如下：

图3.1硬件系统结构图

3.1 电源产生电路部分

lm78和lm79系列三端稳压器构成稳定电压的电源具有一定的电压和电流输出，并且所需要的外围元件很少，因此可以得到不同幅度的电压。流动电流、过热和调节灯保护电路的集合使得可以更好的保护电路，使用方便、快捷和有益是他们的特点。

功能框图如下图3.1所示：

图3.1 LM7805功能框图

3.2 充放电控制电路设计

由于内置充电状态和单片机的控制，整个充电过程被分为五个部分。

预充电：先要等蓄电池充满，然后将时间重置，在充电之前重新安装好系统。充电时间由外部电容决定（CT端口）。在充电过程中，电池电压达到规定的电压---2.5V，电池处于正常模式，那么很快就会进入充电系统。如果进行这一步后电池电压到2.5V的水平线以下，电池会切换到反充电，充电器将出现电池故障、对系统发送指令以及明眼可见的LED闪烁的信号。

快速充电：以一个平稳的频率进行充电，电池制造商会推荐一个充电量，就以商家推荐的标准，锂离子电池使用标准的充电速度，排除正常因素大约需要一个小时才能完全充电。在较为正常的充电过程中，电池显示的电量会慢慢上升.一旦电池电量达到设定电压，正常充电就结束了，充电速度降低，充电将添加到充电系统中。

满充电：在充填过程中，当前电荷将逐渐耗尽，直到充电量达到规定值或满充电时间，然后就是逐渐转化为最大充电量，充电器使用一个简单的结构转化，增加电池电量。

断电：当电池充满电时，单片机检测两个MAX1898引脚，同时检查脉冲频率，这个操作使得单片机断开是可以去确定内部充电的时时状态。

报警：正常充电形势下，MAX1898芯片向在外部的显示结构LED灯发出指令，LED灯跟随指令亮灯。

4  锂电池充放电器软件设计

4.1 程序功能实现简述

基于程序中需要实现的功能，以及最基本的方式：

1）当充电完成，控制引脚P1.2和P1.3，输出低电平。

2）INT0外断开连接被CHG信号。

3）在休息间隔用T0计数，检验是否充电完成了。

4.2 程序中的变量说明

程序中的变量及说明如表4.1所示。

表4.1变量及说明

变量		说明
GATE		单片机的P1.2口，控制电源的开关
BEEP		单片机的P1.3口，控制蜂鸣器
t_count		T0的计数值
int0_count		外部中断脉冲
int0()		外中断0服务程序
timer0()	定时器0中断服务程序

5  锂电池充放电控制的电路实验

电池充充电系统本质上是一个在正负离子之间来回穿梭的离子锂离子系统。锂枝晶的形成与电解质相互作用，发生化学反应，进而导致电解质耗尽。降低电池输出并缩短电池寿命。

以前的充电器没有自带的充电器，由一个带电源的一体式充电器组成，系统比较复杂。带有附加功能的主充电器的插件图显示在图5.1中线的右侧。

图5.1充电器结构框图

5.1 主充放电电路

当电路开始充电时红灯亮、绿灯灭；当充满电时红灯灭、绿灯亮；当无负载时红绿灯均灭。

图5.2主充放电电路

双向BUCK-BOOST充放电电路部分通过双路PWM脉冲信号驱动两个IGBT管交替导通，实现充放电状态的切换。

工作过程：S1函数模块根据电池容量（State of charge）状态控制多路开关切换受控电流源电流值实现变电流间歇阶段。主电路由两个IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）管组成的双向充放电电路：当IGBT1连接断开时，可通过PWM信号发生器控制IGBT流水线开关实现充电系统；当IGBT1连接断开时，可通过控制IGBT1流水线开关实现输出系统。通过PWM信号，电感器和电容器等节能器确保电能在输出系统中得到正确使用。通过控制两个IGBT管的交替工作，可以实现脉冲充电的好坏。

6  结论

本文从理论和试验结果出发，从宏观上分析了蓄电池的充放电性能，并了解并掌握了相应的电化学性质的检测方法，并对其性能进行了评估。以单片机为核心设计了锂电池的小型充放电控制器，对其进行硬件选型和软件编程，使得此设计可以快速完成锂离子电池的充放电过程。进行锂电池充放电控制系统的硬件设计，选择合适的单片机，设计了充电控制电路模型；进行锂电池充放电软件设计，进行了主程序设计和参数设计；对锂电池充放电控制的电路实验，针对锂电池控制实现充放电进行了设计，通过LED灯的指示作用对这个系统进行更好的控制。可以及时的通过灯颜色来判别。

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