智能充电器的设计毕业设计.docx

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智能充电器的设计毕业设计

毕业设计附件

题目：

智能充电器的设计

姓名：

王研

学号：

2007080303316

学院：

信息学院

专业：

电子信息工程

指导教师：

杨萍

协助指导教师：

2011年5月23日

开题报告………………………………………………………………………1

翻译外文资料及译文………………………………………………………………………2

程序清单和图纸……………………………………………………………………………3

北京联合大学毕业设计（论文）开题报告

题目：

智能充电器的设计

专业：

电子信息工程指导教师：

杨萍

学院：

信息学院学号：

2007080303316

班级：

0708030303姓名：

王研

一、课题任务与目的

任务：

针对电动车常用的动力电池的特点，以单片机作为控制芯片，结合国内外现行的各种充电技术和充电器设计方案，设计一款基于单片机控制的智能充电器，以达到最佳的充电效果，使智能充电器具有良好的性能指标，电路简单可靠。

研究目的：

随着能源的日益紧缺和大气污染的加剧，作为新型交通工具的电动车的研究日益受到重视，从我国国情和人们的消费水平出发，电动车具有广阔的发展前景。

作为电动车核心部件的电池及其充电器，其性能的优劣，直接影响电动车的质量状况。

针对电动车充电技术的要求，为了使电动车充电器获得良好的性能指标，必须寻找最佳的充电模式，我要设计一款基于单片机控制的智能充电器，涓流充电、大电流充电、过充电和浮充电组合起来的充电方式，这种充电方式经理论和实践表明，可达到最佳的效果，使得蓄电池具有较高的使用容量和较长的循环寿命，可满足不同电动车动力电池的复杂充电要求，为提高蓄电池的性能和可靠性提供有效的途径，对环保、节能型电动车和充电器的设计和开发具有重要的意义，同时，研制性能良好的智能充电器，会带来显著的经济效益和良好的社会效益。

二、调研资料情况

1电动车用电池的现状和发展趋势

电池作为电动车动力来源，目前应用于电动车的可充式二次电池主要有:

铅酸（LeadAcid）电池、镍福（NickelCadmium）电池、镍氢（NickelMetalHydride）电池和锂（Lithium）电池[1]。

（1）镍一氢电池（Ni-MH）

此类蓄电池的比能量高，寿命长，有较高的比功率，污染轻等优点，被认为是较好的电动车用蓄电池。

但是由于Ni-MH蓄电池的技术未臻成熟，价格贵，单体电池电压低，使用时串联电池个数多，而且均匀一致性较差，限制了蓄电池组实际可使用的寿命。

尤其是镍氢电池在高温时自放电率会增高，造成电容量下降的缺点。

因此认为Ni-MH蓄电池在电动车上应用的地位是暂短的、过渡性的，将来的市场份额是有限的。

（2）锂离子蓄电池和聚合物铿离子蓄电池

锂离子蓄电池和聚合物锂离子蓄电的比能量更高，有较高的比功率，寿命长，污染轻等优点，被认为是有希望的电动车用电池。

但因内含锂活性物质，易产生化学作用，遇火、氮、酸或氧化剂时，可能会有爆炸或着火危险等安全性问题成为影响锂离子蓄电池和聚合物锂离子蓄电池在电动自行车上应用的主要制约因素。

它们将成为用于高端电动车的电池，将是继铅酸蓄电池之后所占比例较大的电池。

但受价格限制，暂时所占比例不会很大。

（3）锌空电池

锌空电池是金属一空气电池的一种，属于半燃料电池范畴。

它有比能量高，原材料丰富，价格不高，污染轻等优点，被认为是电动车用电池的有竞争力的候选者。

但目前还没能真正投入使用。

（4）其他电池（如Ni-Zn蓄电池、锌镍蓄电池和燃料电池）

虽然它们各有特点，但都几乎没有在商业化的轻型电动车上使用。

这主要是由于价格贵、综合性能不理想、或技术不成熟、或受资源、服务配套系统制约因素影响。

氢氧燃料电池虽然在大力发展中，可望成为最理想的电动车电池之一，但在电动车上的应用可能还要等待很长时间（至少15年）

（5）铅酸蓄电池

铅酸蓄电池[2]在100多年的历史中一直不断地在改进提高，有的是革命性的提高，生产技术最为成熟。

特别是密封免维护铅酸蓄电池因其有着成本低、价格便宜、材料来源丰富、适用性宽、可逆性好、单体电池电压高、技术和制造工艺较成熟、安全可靠、具有瞬间放电力强、大电流放电性能良好、使用温度范围广等综合因素，已成为商业化轻型电动车主要采用的电池，目前所占市场份额在95%以上。

2充电器的发展

充电器的发展经历了三个阶段:

（1）限流限压式充电器[3]

最原始的就是限压式充电，然后过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅放，其寿命表述就是时间，没有次数，比如10年。

这种充电模式的效果较差。

（2）恒流/限压式充电器

这是充电器发展的第二阶段，这种模式的充电器占据了充电器市场近半个世纪。

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。

这种充电器充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，大大降低了电池的寿命。

（3）自适应智能充电器

随着大规模集成IC的出现，充电设备进入了一个全新的自适应、智能阶段，即称为第三代充电器。

自适应充电器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。

并且具有温度补偿功能。

充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按模糊推理算法不断调整充电参数，同一充电器可适应不同种类电池的充电，充电器自适应调整自己的输出电流，无需人工选择，避免操作失误。

3充电方法的研究

（1）常规充电

常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。

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，常规充电有恒流充电法、阶段充电法（包括二阶段法和三阶段充电法）、恒压充电法。

（2）快速充电技术

为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地减少或轻，提高蓄电池使用效率，国内外一直都在不断地研究和开发快速充电方法和技术，快速充电技术近年来得到了迅速发展，主要有：

脉冲式充电法、ReflexTM快速充电法、变电流间歇充电法、变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法。

（3）新型多模式充电技术

随着各种蓄电池技术的发展，国内外电池充电技术也不断更新，目前多模式智能充电技术被认为是最佳充电技术。

它综合了常规充电法和快速充电技术的优点，使蓄电池保持较高的容量和较长的使用寿命。

多模式智能电池充电器的四种充电状态分别为：

涓流充电、大电流充电、过充电和浮充电。

这种多模式充电法综合了恒流充电快速而安全、及时补偿蓄电池电量的优点，和恒压充电能够控制过充电以及在浮充状态保持电池100%电量的优点。

多模式智能电池充电器在满足这些要求的同时可提供尽可能多的功能和设计的灵活性，使之具有更多优点：

适时检测充电情况并按预定的充电方案对电池充电；使用四种状态的充电规则使电池获得最好的特性；充满电进行光报警并自动转入浮充电状态，最大限度地保证电池的容量。

更能适应电压范围宽、适于恶劣环境的应用。

三、初步设计方法与实施方案

通过对蓄电池的内部结构、工作原理和充电特性的了解和学习，分析各种常规充电法、快速充电法的优缺点之后，探讨一种新充电技术——新型多模式充电技术，即根据电池容量的多少及电池端电压的大小，使充电过程按照涓流充电、大电流充电、过充电和浮充电四个模式进行。

为保证电池充足电又不受到损坏，采用具有温度控制和电池电压控制功能的综合控制法来终止充电过程。

当电池电量基本用完时，若直接采用大电流恒流充电，电流过大会损坏电池，电流过小使充电时间过长，因此这一段时间要根据电池电压的具体情况控制充电电流，使充电过程按理想的充电模式变化，以达到最佳充电效果。

当检测到充电电流下降到足够小时，说明电池充电已满，此时若立即停止充电过程，电池会自放电。

为了防止自放电现象，必须对电池进行浮充维护，即用1/20C（C为电池的额定容量）左右的电流进行浮充充电。

电池充满电后，如果不能及时停止充电，电池的温度会迅速上升，采用具有温度控制和电池电压控制功能的综合控制法来终止充电过程。

系统在充电过程中即时检测有无电压负增量（△V）出现，作为判断电池是否已经充满的标准，当电池电压超过检测门限时，系统会检测到有负增量（△V）出现，则认为电池正常充满，控制充电器进入浮充维护状态，同时判断电池温度及电池端电压，是否已超过预定的阈值或保护值作为电池充满的辅助检测手段，若发现温度和端电压已达到或超过了充电保护条件，系统会立即终止所进行的充电过程，同时进行声光报警。

若系统未检测到任何满足终止充电的条件，则会随着充电的继续，重新开始充电终止控制法的判断。

以下为智能充电器结构框图:

显示

电池

电压采样

电流调节

CPU

声光报警

交流220V输入

电流采样

AC/DC转换器

温度检测

电动车智能充电器电路主要包括电源部分、采集部分、主控电路部分、人机交互部分。

电源部分：

由电源变压器、桥式整流电路、滤波电路和稳压电路组成。

电源部分为单片机提供电压以及电池充电工作时需要的各种电压；

采集部分：

由电压采样、电流采样、温度检测模块组成。

主控电路部分：

由电压检测取样电路将电池端电压的大小反馈回单片机系统内部，由单片机判断后确定应采用何种充电状态，PWM脉宽调制作为占空比调节输出电流，来控制和完成四个充电过程。

人机交互部分：

由显示模块、声光报警和按键部分组成。

主要功能是接收来自系统的电压、温度、电流大小、电池充满百分比以及故障信息，并按要求给予实时显示。

当故障出现和充满电时要发出声光报警，该部分信息交换以中断方式进行。

软件设计部分：

基于MPLAB集成开发环境（IDE），适用于使用Microchip的PICmicro系列单片机进行嵌入式设计的应用开发。

是综合的编辑器、项目管理器和设计平台。

该程序分为主程序和显示部分程序，它们之间用串口通信。

四、预期结果

主要内容：

以铅酸蓄电池作为研究对象，进行电动车动力电池智能充电器的设计和实现。

设计基于Microchip（微芯）公司的PIC16F73单片机控制的智能充电器的硬件电路，对所设计电路的工作原理进行必要的分析，详细地讨论各部分元器件参数的计算方法和选择原则，介绍充电器电源部分、采集部分、主控电路部分、人机交互部分的设计原理和设计方法。

电路中包括充电声光报警和超温声光报警装置。

用protel设计电路原理图。

基于MPLAB集成开发环境（IDE），进行软件设计。

软件编程调试。

预期结果：

（1）完成智能充电器硬件电路的设计（包括：

硬件原理图、硬件电路图）和软件设计。

（2）完成软件编程调试。

五、进度计划

2011.1月下——2011.2月上：

研究毕设所要解决的问题，查阅资料，完成3000

字的翻译。

2011.2月上——2011.2月中：

进行整体方案的设计，完成开题答辩准备。

2011.2月中——2011.3月上：

完成各模块的选型，完成总体方案的设计。

2011.3月上——2011.3月中：

完成硬件原理图、硬件电路图的设计。

2011.3月中——2011.4月上：

完成系统软件的设计编程，准备中期答辩。

2011.4月上——2011.4月下：

软件编程调试。

2011.4月下——2011.5月中：

论文撰写，答辩准备。

六、调研资料参考文献

[1]孙逢春，张承宁等.电动汽车.北京:

北京理工大学出版社，1999.

[2]朱松然.铅酸蓄电池技术.第二版.北京.机械工业出版社，2004.

[4]AjmalGodil.能够选择快充或慢充的充电器[J].电子设计技术，2001.

[5]胡燕燕,杨代华.基于单片机的智能充电器设计[J].电子元器件应用,

2007,（05）.

北京联合大学毕业设计（论文）外文原文及译文

题目：

智能充电器的设计

专业：

电子信息工程指导教师：

杨萍

学院：

信息学院学号：

2007080303316

班级：

0708030303姓名：

王研

一、外文原文

Themeaningofcomputerswitchingpowersupply

SwitchingPowerSupplyistheuseofmodernpowerelectronics,controltransistorsswitchonandofftheopeningtimerate,tomaintainastableoutputvoltagepowersupplies,switchingpowersupplyfromthegeneralpulsewidthmodulation（PWM）controlICandMOSFETpose.Linearpowersupplyandswitchingpowersupplycomparedwiththetwocostsareincreasingoutputgrowth,butwithdifferentgrowthrate.Powercostsinalinearoutputpowerpoint,buthigherthantheswitchingpowersupply,knownasthecostofthisreversalpoint.Withthedevelopmentofpowerelectronicstechnologyandinnovation,makingswitchingpowersupplytechnologyhasconstantlyinnovative,costreversethispointtotheincreasingoutputoflow-powermobile,switchingpowersupplytoprovideabroadspacefordevelopment.

High-frequencyswitchingpowersupplyisthedirectionoftheirdevelopment,sothathigh-frequencyswitchingpowersupplyofsmall,andswitchingpowersupplyintoawiderrangeofapplications,particularlyintheapplicationofhigh-techfields,andpromotethehigh-techproductsofsmall,lightweightOf.Alsoswitchingpowersupplyinthedevelopmentandapplicationofenergyconservation,resourceconservationandenvironmentalprotectionareofgreatsignificance.SwitchingPowerSupplyCategoryPeopleinswitchingpowersupplysideisthedevelopmentoftechnology-relatedpowerelectronicdevices,whilethedevelopmentoffrequencyswitchingtechnology,thetwopromoteeachothertopromotetheswitchpowerannuallytomorethantwo-digitgrowthinalight,small,lightweight,lownoise,highreliability,Anti-jammingdirection.SwitchingPowerSupplycanbedividedintoAC/DCandDC/DCtwocategories,DC/DCconverterwhichisnowmodular,designandtechnologyandproductiontechnologyathomeandabroadhavebeenmatureandstandardized,andhavebeenauthorizedusers,butAC/DCmodular,makesitsowncharacteristicsintheprocessofmodular,encounteredamorecomplextechnologyandmanufacturingprocessproblems.Followingwerethetwotypesofswitchingpowersupplyforthestructureandcharacteristicstosetout.

1DC/DCtransform

DC/DCistotransformthefixedDCvoltagetransformationintoavariableDCvoltage,alsoknownasDCchopper.Chopper'sworkintwoways,firstPWMTsthesameway,changeton（GM）andthesecondisthefrequencymodulation,tonunchanged,changeTs（easilyinterference）.Theirspecificcircuitfromthefollowingcategories:

（1）Buckcircuit-buckchopper,theaverageoutputvoltageU0lessthantheinputvoltageUi,thesamepolarity.

（2）Boostcircuit-Boostchopper,theaverageoutputvoltageU0greaterthantheinputvoltageUi,thesamepolarity.（3）Buck-Boostcircuit-buckorboostchopper,U0averageoutputvoltagegreaterthanorlessthantheinputvoltageUi,polaropposite,inductancetransmission.（4）Cukcircuit-buckorboostchopper,itsaverageoutputpowerU0pressuregreaterthanorlessthantheinputvoltageUi,polaropposite,capacitancetransmission.Today'stechnologyallowssoftswitchingDC/DChasundergoneaqualitativeleapforward,theUnitedStatesVICORcompaniesdesignandmanufactureofavarietyofECIsoft-switchingDC/DCconverters,thelargestofitspoweroutputis300W,600W,800W,thepowerdensityofthecorresponding（6.2,10,17）W/cm3,efficiency（80to90）%.Japan'slatestNemicLambdalaunchedasoft-switchtechnologyusinghigh-frequencyswitchingpowersupplymoduleRMSeries,theswitchesat（200~300）kHz,thepowerdensityhasreached27W/cm3,usingsynchronousrectifier（MOSFETreplaceSCHOTT-Diode）,theefficiencyoftheentirecircuitto90percent.

2AC/DCtransform

AC/DCtransformationistotransformexchangeforDC,itspowercanbeatwo-wayflow,theflowofpowerflowfromthepowerloadknownasthe"rectification",thepowerflowfromtheloadtoreturntopoweras"activeinverter."AC/DCconverterfortheimportationofAC50/60Hz,duetotherectification,filtering,therelativelylargesizeofthefiltercapacitorisessential,becauseencounteredsafetystandards（suchasUL,CCEE）andEMCDirectiveRestrictions（suchasIEC,,FCC,CSA）,ACinputsideandEMCfiltermustmeetsafetystandardsandtheuseofthecomponents,suchrestrictionsontheAC/DCpowerofthesmallsizeoftheaddition,sincetheinternalhigh-frequency,high-pressure,bigCurrentswitchingaction,madetheresolutionofEMCdifficulttoelectromagneticcompatibilityproblems,willinstalltheinternalhigh-densitycircuitdesigntothehighdemandforthesamereason,high-voltage,highcurrentpowerswitchesmakegreaterlossofwork,limitingtheAC/DCconv