基于三段式充电控制方案的电动汽车智能充电器设计
1 简介
电池是电动汽车的关键动力输出单元，在常用的几种电池中，如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池、燃料电池等，镍氢电池因能量密度高、重量轻、温度特性好、污染小、无明显记忆效应等特点，在电动汽车中得到广泛的应用。
但由于充电方法不正确，导致充电电池的使用寿命远低于规定寿命。也就是说，很多电池不是因使用而损坏，而是因充电而损坏。可见，充电器的质量对电池寿命的影响是很大的。
基于此，本文提出一种采用三级充电控制方案的智能充电器的设计，可以有效提高充电效率，延长电池的使用寿命。
2. 控制方法介绍
常用的充电终止控制方法有：时序控制法、电压控制法、电流控制法和综合控制法。
时序控制法是指用时序系统控制整个充电时间，当时间未达到设定值时，电池停止充电。常用的电压控制法有最大电压法（Vmax）、负电压增量法（△V）、零电压增量法（0△V）。常用的温度控制法有最高温度法（Tmax）、充电温升法（△T）、温度变化率（△T/△t）、最低温度法（Tmin）。综合控制法是指综合使用上述几种控制方法。
与传统的恒压恒流充电方式相比，三阶段充电理论可以大大提高电池的充电效率。三阶段充电采用先恒流充电，再恒压充电，最后浮充。如果电池在充电前处于深度放电状态，那么在充电前也需要进行预充电。
3.系统硬件组成
3.1 总体硬件设计
充电对象为镍氢电池，采用电压电流反馈方式，达到恒流恒压充电的目的，同时对充电过程中的各项参数进行检测和控制。充电器总体设计如图1所示。
本方案开关电源最大输出功率为2.4KW，交流输入范围为176V-264V。充电器电路主要包括主充电电路和辅助控制电路两部分。整个电路的工作过程为：220V单相交流电经全桥整流后经电容滤波得到300V左右的直流电，经过4个IGBT组成的逆变桥得到高频交流电，经高频变压器耦合到二次侧，再经整流管D1、D2整流，最后经电感L2、电容C8滤波得到稳定的直流输出。
由于采用三阶段充电，每阶段的充电电压、充电电流都不一样，因此采用单片机作为充电过程控制装置，在充电过程中，单片机对充电电池的充电电流、充电电压、电池温度进行检测，防止电路过压、过流，电池温度过高。还可以通过检测电池电压、电流值来判断是否切换到下一充电阶段。
同时单片机给出每阶段的充电电压或电流值，与采样得到的相应电压、电流值进行比较，采用移相控制芯片改变PWM值来改变功率管的导通时间，从而达到在不同阶段获得不同稳定输出值的目的。
3.2 充电主电路介绍
主充电电路采用全桥逆变电路，由4个IGBT管Q1 Q2 Q3 Q4组成H桥，Q1、Q4组成的超前桥臂实现零电压开通、关断，Q2、Q3组成的滞后桥臂实现零电流开通、关断。
工作时Q1、Q2的驱动电压反相，Q3、Q4的驱动电压也反相。Q1、Q2、Q3、Q4导通切换时的死区时间可通过移相控制器来控制。通过调节Q4的移相量来调节超前桥臂的共同导通时间，调节占空比，达到改变输出功率的目的。Q2、Q3组成的滞后桥臂的调节原理与超前桥臂相同。
它是新一代先进的相移PWM控制器，保持了/6/7/8/9系列IC的主要功能并增加了增强的控制逻辑、自适应延迟设置和关断性能。
全桥功率级利用两个半桥开关之间的相移进行控制，在高频条件下采用稳定频率的脉宽调制和谐振零电压开关技术，可以实现或具有较高的效率。
可作为电压模式控制器或电流模式控制器使用。5具有可编程输出开启延迟，自适应延迟设置，可工作于电压和电流模式，可编程软启动/软停止，占空比0~100%可调，最高时钟频率1M。
3.3辅助控制电路介绍
充电控制电路采用单片机进行数据采集和控制，该芯片为增强型RISC结构的低功耗8位微控制器，数据吞吐量达到1MIPS/MHz，8字节Flash程序存储器，擦写次数大于1000次，支持在线编程（1SP），大大方便了程序的调试和修改。
由于它具有6个10位ADC和2个8位ADC，可以从端口PORTC采样8个单端输入电压。6通道PWM及片内可编程看门狗定时器可以大大简化控制电路的外围设计，保证程序的安全运行。
ADC负责采集充电过程中的电压、电流、温度数据，PWM将充电过程中的电压、电流参考值输出给比较电路，同时单片机控制开关电源控制模块。
电压检测电路：电压采样电路由精密电阻和可调电阻组成，由于单片机AD测量最大设定范围为5V，所以要将电池组电压在5V范围内按比例降压，然后利用内部AD转换功能进行转换，精度为0.1V。
单片机内部采用减法计算电池电压，电路采用单片机内部10位AD转换，降低了电路设计的复杂度，提高了可靠性和准确性。为了抗电气干扰和高压电击，电路采用高速隔离光耦PC817隔离。
电流检测电路：一般在采集电流时会在电路中串联一个很小的采样电阻，将采样电阻上的电压输入到单片机的转换通道进行A/D转换，再经过计算将电压值转换为电流值。但由于此方案充电电流较大，使用电阻采样会比较耗电，可以采用电流互感器采样。
温度检测电路：温度采样温度传感器DS l 8B 2 0与DS l 820相比，在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面都有了很大的提高，给用户带来了更加方便的使用和更加满意的效果。它与系统的连接方式有两种，一种是采用寄生电源，一种是采用外接电源驱动，这里采用的是后者。
3.4 工作流程介绍
上电后单片机首先检查电池是否接反，是否断电导致电池电压过低。若电压过低，则用小电流对电池充电一会儿，使电压达到三阶段充电正常水平后才开始充电。若电压正常，则直接进入正常充电阶段。首先是恒流充电阶段，充电小于0.5C，一般为0.1C，电压会慢慢上升。
当电压达到一定阶段（本例采用60V）时，就改为恒压充电。此时电池的内阻会随着充电过程的进行而逐渐增大，充电电流会随着内阻的减小而减小。当单片机检测到电流减小到一定值（小于恒流充电值的1/10）时，会立即进入涓流充电阶段，充电电流一般为0.3C。在此阶段，电池电压会不断降低，当充电电流小于0.01C时，可以认为电池已充满，单片机会自动切断电池与充电回路的连接。
恒压阶段，单片机检测到电池温度高于45度，则自动进入第三阶段，温度下降后进入第二阶段，充满电后单片机关闭继电器，停止充电。
4.系统软件设计
软件流程图如图2所示。
系统软件采用C语言编写，在环境下编译，在AV环境下调试。在软件编写过程中，虽然先恒流后恒压的控制方式比较简单，但是必须充分考虑单片机检测的充电器输出电压检测点与电池端之间的线压降。
因此在应对不断减小的充电电流过程中，只有控制充电器输出电压与线压降的平衡关系，才能保持电池端电压的恒定。
5. 结论
随着电动汽车技术的发展，镍氢电池的应用越来越广泛，延长电池充电寿命成为迫切需要。采用合适的充电方式，可使电池寿命比普通充电方式提高25%左右。本文介绍的充电器可实现镍氢电池的大电流充电，并对充电过程进行自动控制和保护，非常适合作为电动汽车车载充电机使用，具有广阔的推广前景。