蓄电池充电器的设计与实现毕业论文设计.docx

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蓄电池充电器的设计与实现毕业论文设计

学科分类号0712

本科生毕业论文（设计）

题目（中文）：

蓄电池充电器的设计与实现

（英文）：

TheDesignandImplementation

ofChargerforStorageBattery

本科毕业论文（设计）诚信声明

作者郑重声明：

所呈交的本科毕业论文（设计），是在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

除文中已经注明引用的内容外，论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。

对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。

本声明的法律结果由作者承担。

本科毕业论文（设计）作者签名：

年月日

蓄电池充电器的设计与实现

摘要

蓄电池作为一种储能设备应用领域非常广泛,是太阳能,风力发电系统以及风光互补发电系统中的核心部分。

然而，目前的蓄电池充电器大多采用的是恒压或恒流充电法，这些充电的方法很容易造成蓄电池的极板极化，严重影响蓄电池的使用寿命。

本设计使用蓄电池专用充电管理芯片UC3909，它可有效地应用于四段式智能充电技术，通过监控蓄电池的状态调整DC-DC模块的充电电压和电流，可以科学且高效的对蓄电池进行充电，消除因大电流引起的极板极化，延长蓄电池的使用寿命。

关键词

蓄电池；极板极化；UC3909；智能充电；延长寿命

TheDesignandImplementationofChargerforStorageBattery

Abstract

Batteryasanenergystoragedeviceitsapplicationsisveryextensive,itisthecorepartofthesolarenergy,windpowergenerationsystem,aswellaswindandsolarpowergenerationsystem.However,thepresentbatterychargerismostlyusedisaconstantvoltageorconstantcurrentchargingmethod,thesemethodofchargingislikelytocausethebatteryplatespolarizationthataffectthebatterylifeseriously.ThisdesignusesaspecialrechargeablebatterymanagementchipUC3909,itcanbeeffectivelyappliedtofoursmartchargingtechnology.BymonitoringthestatusofthebatteryDC-DCmoduletoadjustthechargingvoltageandcurrent.ItcanchargethebatteryScientificallyandefficiently,Andeliminatethepolarizationplatecausedbyalargecurrent,extendthebatterylife.

Keywords

Battery;Platepolarization;UC3909;Intelligentcharging;Prolonglife

1前言

1.1论文研究背景及目的

在国家政策的大力支持下，蓄电池作为一种新能源以具有大容量、性价比高、工作温度范围大、工作安全可靠和制作原材料丰富等特点在电子电力系统中的应用越来越广泛。

特别是在工业上的自动引导车、电瓶车和电动汽车动力源等方面得到广泛的应用，铅酸蓄电池技术的进步促进了通信、信息及电动汽车等相关产业的蓬勃发展。

随着铅酸蓄电池使用量的增大，不合理的充电方式造成了铅酸蓄电池容量快速下降，使用寿命缩短，使电池过早的废弃，产生了严重的资源浪费和环境污染。

因此，高效、安全和可靠的蓄电池充电方法显得极为重要，这也极大推动了人们对智能快速充电理论的不断深入研究。

随着电池使用量的增大，如果改进充电器实现对铅酸蓄电池的智能快速充电，将对节约充电时间和能源有重大意义。

1.2国内外研究现状

目前人们大多使用以常规充电法为原理的充电装置进行充电，其充电电流一般都较小，是为了防止采用大电流充电产生的过电压、温度上升太快、产生大量的气泡和消耗电量太大等问题所谓的常规充电方法包括小电流充电、恒压充电和三阶段充电等。

近两年，厦门大学的陈体衔教授提出了间歇充电法，其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段，充电前期的恒电流充电段采用最佳充电电流，获得绝大部分充电量；充电后期采用定电压充电获得过充电量，将电池恢复至完全放电态[1]。

这种充电方法虽然在真正意义上还没有达到最佳充电电流的思想，但是其这种使蓄电池在前期尽可能充入最多的电量的思想特别好，使人们开始认识到选择一种好的充电方法的重要性。

Kc.chu和CC.chan提出了一种脉冲充电方法，其基本思想是：

充电过程中，蓄电池和充电装置被有规律地断开，同时自动测量蓄电池的开路两端电压，在参考温度下，如果蓄电池的开路电压超过一定阈值，充电器停止充电，直至蓄电池的开路电压低于某一阈值时，再进行充电[2]。

这种充电方法是实时检测蓄电池的开路电压和荷电状态的值，开始充电时由于蓄电池的开路电压和荷电状态都很低，充电装置一直向蓄电池大电流的充电；进而当蓄电池的开路电压和荷电状态达到了一定值后，增加停止充电的时间，使蓄电池通过其内部的化学反应减少极化电压和降低温度等，直至到最后切换成小电流对蓄电池进行充电到结束。

最近国内外也有大量的专家和学者开始应用更加高效的充电方法来进行充电器的设计，这其中包括利用处理非线性系统效果非常好的模糊控制充电方法，该方法能更好的处理常规充电方法很难解决的时变性和干扰性等问题。

1.3论文主要研究内容

基于铅酸蓄电池的特性，论文主要研究基于专用充电控制器UC3909的开关电源四阶段充电方式，具体充电状态如图1.1所示。

四阶段充电方式可以为其提供在不同状态时合适的充电电压和电流，将恒流充电快速安全地对蓄电池进行初始充电和恒压充电进一步对蓄电池充电有效地结合起来，从而使蓄电池的容量达到额定值，延长其寿命。

图1.1四段充电方式解析图

状态1：

涓流充电（T0-T1）

当蓄电池的电压低于终止电压即所设定的门槛电压Vch时，充电器将提供一个很小的充电电流Itr进行充电，这是为了防止把恒流充电时的大电流灌入损坏蓄电池。

对于正常的蓄电池，电池电压会逐渐上升，直到门槛电压Vch，充电器将进入下一个阶段，恒流充电。

当蓄电池的初始电压高于门槛电压Vch时，充电器将越过涓流充电状态而直接进入恒流充电。

状态2：

恒流充电（T1-T2）

充电器提供一个恒定的充电电流Ibulk给蓄电池。

在这个阶段，蓄电池的容量快速增加，直到蓄电池的电压上升到过压充电电压Voc，蓄电池进入过压充电。

状态3：

过压充电（T2-T3）

在过压充电状态，充电器提供一个略高于蓄电池额定电压的恒定电压Voc给蓄电池，以使蓄电池能量最后达到饱和。

这个阶段充电电流逐渐减小，直到Ioct，表明蓄电池已被充满，进入浮充状态。

Ioct的值可以设定，通常为Ibulk/5。

状态4：

浮充充电（T3-）

充电器提供一个恒定的带有温度补偿的电压Vf给蓄电池，来维持蓄电池容量保持不变，同时会提供很小的浮充电流，弥补蓄电池自身放电造成的容量损失。

此后，如果蓄电池由于使用电压下降到Voc的90%，那么充电器自动进入涓充或恒流充电状态[3]。

论文首先介绍了系统的总体方案设计，然后详细的阐述了反激式开关电源的研究与设计的方法以及UC3909充电控制器的原理与应用设计。

最后通过测试和分析，将系统的性能做出改进并总结。

2设计任务与要求

2.1设计任务

采用智能充电技术设计并实现蓄电池充电器，快速高效地对12V蓄电池进行充电，保证蓄电池所需的充电环境，并达到延长其使用寿命的效果。

2.2设计要求

（1）设计一个给12V蓄电池充电器，充电电流大于2A。

（2）设计电压检测电路，当电动车蓄电池快充满时减小充电电流，

保护蓄电池。

（3）设计温度控制电路用以控制充电温升。

（4）设计电路要能够消除大电流充电引起的极板极化。

3方案论证与选择

3.1充电电源方案论证与选择

方案一采用线性电源。

线性电源具有设计简单，成本低廉，输出电压稳定等有优点，但其变压器笨重且输出电流较低，带负载能力较弱。

方案二采用开关型电源。

开关电源设计较复杂，成本较高，但输出功率大，带负载能力很强，且输出电压可控，转换效率高。

综合两种方案,方案一虽然设计简单，但较难实现输出设计要求的2A以上的电流，方案二虽设计较为复杂，但其输出电压可变，带负载能力强且效率高，适合于蓄电池的快速充电。

所以结合本设计的要求，适合采用方案二作为充电电源方案。

3.2智能充电控制方案的论证与选择

方案一采用单片机作为智能控制。

本设计中可以采用单片机外加一些外围电路，例如A/D，电流传感器等实时监控蓄电池的状态，从而控制开关电源的输出来实现智能充电。

方案二采用专用智能充电芯片。

专用智能充电芯片，例如CN3909，它的充电状态逻辑电平根据充电状态控制充电器的输出电压和电流。

可以实时快速有效地监控蓄电池状态并可以采用四段充电方式对蓄电池进行智能充电，且其外部电路较少。

综合以上两种方案，本设计采用方案二作为智能充电控制方案。

3.3开关电源拓扑结构选择

带隔离变压器的开关电源的拓扑结构有正激式和反激式两种，前者适合于要求输出大功率的应用，如150W以上，后者适合于输出较小功率的应用如100W以下。

根据题目要求对12V蓄电池充电，充电电流大约2A，得出开关电源的输出功率不超过50W，所以本设计采用反激式拓扑结构。

3.4总体设计方案

整个系统主要由UC3843开关电源控制器所控制的反激式开关电源，UC3909充电控制器所控制的DC-DC智能充电转换器，充电状态显示电路以及12V蓄电池组成。

系统总体框图如图3.1所示。

UC3843控制的反激式开关电源输出24V直流电压供给UC3909控制的DC-DC智能充电转换器，转换器通过对蓄电池充电状态的监控与分析，分段输出10.5-14.7V的电压对蓄电池进行智能充电。

图3.1系统总体框图

4硬件电路设计

硬件电路主要包括带隔离变压器的单端反激式变换器，DC-DC变换器以及充电状态显示电路组成。

4.1带隔离变压器的单端反激式开关电源

开关电源主要是由功率级和控制电路两部分组成。

功率级电路包括EMI和输入整流滤波电路，反激变换电路及输出整流滤波电路。

控制电路包括UC3843控制电路和电压采样反馈电路。

4.1.1带隔离变压器的单端反激式变换器原理

带变压隔离器的单端反激变换器是在反极性（Buck-Boost）变换器的基础上演化而来的。

在开关管Q导通时，将电源的能量存储在变压器初级电感LP中；当开关管关断的时候，将导通期间的储能传输到次级的负载，故称之为反激式变换器。

单端反激变换器和单端正激变换器相比，首先两者的工作原理不同，其次电路结构差别也很大。

因为反激变换器在变换器反激期间，次级绕组和整流二极管组成了一个电流回路，同时也完成了磁复位的功能，所以反激变换器没有磁复位绕组，还比正激变换器少了一只续流二极管。

图4.1隔离型单端反激变换器

单端反激变