通用型蓄电池充电电源硬件设计 推荐.docx

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通用型蓄电池充电电源硬件设计推荐

本科毕业设计（论文）

题目：

通用型蓄电池充电电源硬件设计

硬件设计

院（系）电子信息工程学院

专业电气工程及其自动化

班级

姓名

学号

导师

2012年6月

通用型蓄电池充电电源硬件设计

摘要

本课题为了解决24V、36V、48V的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池的充电快速、可靠性，设计了一种基于PWM的通用智能充电器。

它以AT89S51为核心，介绍了智能充电器的工作原理、硬件体系结构设计、讨论硬件部分的组成、以及它是如何实现对电池数据的采集和两种充电模式的实现。

由于采用了高分辨率的A/D转换电路，保证了充电器在浮充控制阶段有很高的精度。

对于蓄电池的快速充电和延长其寿命有很大意义。

关键词：

单片机；PWM；智能充电器；浮充电压

TheDesignofanElectricChargePowerSuppleofFlybackPopularType-----Hardware

Abstract

Inordertomakethechargedandthesecurityofthelead-acidbatteryandthenickelcadmiumbatterywiththe24V,36V,48Vbetter,thistaskdesignedakindofchargeringeneraluseintelligenceaccordingtoPWM.IttakesAT89S51asthecore.ThisalsorealizestheaccuratecontrolwithsharingtheemptyratiobyPWMintheaspectsofthehardware.AsadoptingtheA/Dconversionelectriccircuitofthehighresolution,thisguaranteestheveryhighaccuracyofthechargeratthefloatchargingstage.Ithasthegreatsignificationforthefastchargingofthestoragebatteryandprolongingitslife.

Inthewholedesignprocessofsystem,thistaskmainlyadoptthemoldmethod,thedesignofeachmoldpiecealladoptsthemethodofthecontrastcomparison,makingthewholesystemhavetheusefulmeaning.

KeyWord:

Singlechipmicrocomputer；PWM；Intelligence；Floatcharging

1绪论

1.1蓄电池及其充电技术的发展与意义

1.1.1当前电池特性

a.铅酸电池

（1）发展概况铅酸蓄电池经过百余年的发展与完善以其成本低、电压高、原材料丰富、制造工艺简单在二次电池获得了最广泛的应用。

而自70年代末始，VRLA（阀控式免维护铅酸蓄电池）电池在许多工业发达国家发展迅速。

如日本1980年生产的小型VRLA电池为1800万只，而到1990年已达1.1亿只，年平均增长率达43%。

90年代后，摩托车蓄电池已转向VRLA，而大型的固定用VRLA也很快发展起来。

1985年起，我国也拥有了一批工厂进行小批量VRLA电池的生产，而如今生产VRLA的工厂已不下200家，据估算，我国年需固定型蓄电池约35-40万KVAh，今已全部换成VRLA，其型号则从1Ah到3000Ah都齐备。

VRLA具有较高的安全性和密封性，由于其正常运行时不存在对电解液的检测，以及调酸加水等传统的定期维护步骤，因而也被人们称为免维护蓄电池。

其独特的气体再化合系统，能将产生的气体再化合成水；在蓄电池大充电、大放电而其内部的气压上升到超越正常水平时，安全阀会释放过量的气体后然后自动重新密封，在电池使用过程中不会产生气涨现象；安全阀和专用过滤器可防止蓄电池爆炸，确保正常使用时安全可靠。

VRLA寿命较长，一般正常运行具有10年以上的浮充使用寿命。

（2）VRLA的特性充电电压的范围过充电开始的时间与充电的速率有关，当充电率大于C／5时，电池容量恢复到额定容量的80％以前，即开始发生过充电反应；浮充使用时电压一般控制在2.15±0.1V/单格，循环使用时电压一般控制在2.35±0.1V/单格，若说明书有要求时应按说明书操作。

实践证明，实际的浮充电压与规定的浮充电压相差5％时，免维护蓄电池的寿命将缩短一半，采用适当的浮充电压，密封铅酸蓄电池的寿命可达10年以上。

充电电流VRLA的充电电流不大于0.01C安培时，伴随充电过程产生的气体可以100%再化合成水；当充电电流恒定在0.1C安培时，气体再化合效率仅约为35%，在蓄电池内部产生气体的速率大于气体再化合成水的速率。

当电池电压上升到过充电压时，继续大电流过充将有导致电池失水。

环境温度一般不超过30度为宜。

温度变化较大时应加强对电压的调节。

铅酸电池的电压具有负温度系数，其单格值为－3ｍＶ／℃。

在环境温度为２５℃时工作很理想的普通（无温度补偿）充电器，当环境温度降

到０℃时，电池就不能充足电，当环境温度上升到５０℃时，电池将因严重的过充电而缩短寿命。

铅酸电池的电压具有负温度系数，其单格值为－3ｍＶ／℃。

在环境温度为25℃时工作很理想的普通（无温度补偿）充电器，当环境温度降到0℃时，电池就不能充足电，当环境温度上升到50℃时，电池将因严重的过充电而缩短寿命。

一般不超过30度为宜。

温度变化较大时应加强对电压的调节。

对于不同厂家的产品不可混用同一厂家的产品新旧不可混用。

b.镍镉镍氢电池

（1）发展概况密封镍镉电池效率高、循环寿命长、能量密度大、体积小、重量轻、结构紧凑，并且不需要维护，因此在工业和消费产品中得到了广泛应用。

随着技术的发展，人们对电源的要求越来越高。

70年代中期，研制成功了功率大、重量轻、寿命长、成本低的镍氢电池，并且于1978年成功地将这种电池应用在导航卫星上，镍氢电池与同体积镍镉电池相比，容量可提高一倍，而且没有重金属镉带来的污染问题。

它的工作电压与镍镉电池完全相同，工作寿命也大体相当，但它具有良好的过充电和过放电性能。

近年来，镍氢电池受到世界各国的重视，各种新技术层出不穷。

镍氢电池刚问世时，要使用高压容器储存氢气，后来人们采用金属氢化物来储存氢气，从而制成了低压甚至常压镍氢电池。

1992年，日本三洋公司每月可生产200万只镍氢电池。

目前国内已有20多个单位研制生产镍氢电池，国产镍氢电池的综合性能已经达到国际先进水平。

（2）电池特性镍镉电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。

比如，镍镉电池只放出80%的电量后就开始充电，充足电后，该电池也只能放出80%的电量，这种现象称为记忆效应。

电池全部放完电后，极板上的结晶体很小。

电池部分放电后，氢氧化亚镍没有完全变为氢氧化镍，剩余的氢氧化亚镍将结合在一起，形成较大的结晶体。

结晶体变大是镍镉电池产生记忆效应的主要原因。

镍氢电池和同体积的镍镉电池相比，容量增加一倍，充放电循环寿命也较长，并且无记忆效应。

镍氢电池正极的活性物质为NiOOH（放电时）和Ni（OH）2（充电时），负极板的活性物质为H2（放电时）和H2O（充电时），电解液采用30%的氢氧化钾溶液。

1.1.2当前电池充电技术

电池充电通常要完成两个任务，首先是尽可能快地使电池恢复额定容量，另一是使用小电流充电，补充电池因自放电而损失的能量，以维持电池的额定容量。

解决这两个问题的方法就是初期用大电流恒流充电以满足充电的快速性；在充电末期以小且精确的电流进行浮充以满足充电的可靠性。

a.酸蓄电池的充电技术

为了保证充电的快速性和可靠性，将充电过程分为三个阶段：

a.大电流流阶段；b.限流恒压阶段；c.精确小电流浮充阶段。

（1）大电流恒流阶段以0.1C至0.2C的充电率为佳，在此阶段可以迅速的将电池损失的电量补充，此时，电池内部气体产生的速率大于再化合成水的速率，但此阶段一般仅有数小时，不至于使电池内部气体压力累积到排放的压力值，所以在充电实际操作过程中，在限流充电阶段蓄电池电压已经达到该转入恒压充电电压值时应及时转入恒压充电方式。

如果再继续长时间对蓄电池限流充电，蓄电池电压升高将对电池造成损害，而缩短其寿命，同时内部压力越来越大，安全阀会排放气体使水分丧失，情况严重将导致蓄电池报废。

（2）限流恒压充电在恒压期间若电流3小时保持一定的数值范围不变则转入浮充阶段

（3）小电流浮充阶段此时的充电电流用以补充电池因自放电而损失的电量。

蓄电池的浮充电有严格的要求，正确选取充电电流，电压，时间以及环境校正浮充电压等对延长电池的使用寿命确保满容量有极大的影响，可以说充电器的性能对蓄电池的使用寿命有直接的影响。

浮充电运行时充电方式采用的是恒压方式，浮充电电压必须严格按照厂家对蓄电池的要求保持一个恒定的值，在该电压下充入的电量应足以补偿蓄电池由于资方点而瞬时的电量，使蓄电池长期处于充足电的状态，同时该电压的选择应使蓄电池长期处于过充点而造成的损坏擦到最低的程度。

浮充电压不能过高，以免因严重的过充电而缩短电池寿命。

因此，为了保证在很宽的温度范围内，都能使电池刚好充足电，充电器的各种转换电压必须随电池电压的温度系数而变。

（4）温度对浮冲电压的影响整组蓄电池浮充电压U=ηU+ηΔU

式中η——整组蓄电池的单体电池数目；

U——常温下（20℃~25℃）的单体蓄电池浮充电压，不同厂家给出的值不同，一般为2.23V~2.27V；

ΔU——温度校正系数，一般为-3mV/（℃×只），即温度升高1℃应降低3mV，降低1℃应增加3mV。

b.镍氢/镍镉电池的充电技术

（1）四阶段的充电方式即分为预充电、快速充电、补足充电、涓流充电四个阶段。

对长期不用的或新电池充电时，一开始就采用快速充电，会影响电池的寿命。

因此，这种电池应先用小电流充电，使其满足一定的充电条件，这个阶段称为预充电。

快速充电就是用大电流充电，迅速恢复电池电能。

快速充电速率一般在1C以上，快速充时间由电池容量和充电速率决定。

为了避免过充电，一些充电器采用小电流恒压充电。

镍镉电池正常充电时，可以接受C/10或更低的充电速率，这样充电时间要10h以上。

采用小电流充电，电池内不会产生过多的气体，电池温度也不会过高。

只要电池接到充电器上，低速率恒流充电器就能对电池提供很小的涓流充电电流。

电池采用小电流充电时，电池内产生的热量可以自然散去。

浮充充电器的主要问题是充电速度太慢，例如，容量为1Ah的电池，采用C/10充电速率时，充电时间要10h以上。

此外，电池采用低充电速率反复充电时，还会产生枝晶。

大部分涓流充电器中，都没有任何电压或温度反馈控制，因而不能保证电池充足电后，立即关断充电器。

采用某些快速充电止法时，快速充电终止后，电池并未充足电。

为了保证充入100%的电量，还应加入补足充电过程。

补足充电速率一般不超过0.3C。

在补足充电过程中，温度会继续上升，当温度超过规定的极限时，充电器转入浮充充电状态。

最高电压（Vmax）从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。

电压负增量（－ΔV）由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度和充电速率等因素影响，因此可以比较准确地判断电池已充足电。

（2）脉冲充电方式镍氢/镍镉电池还有一种充电方式脉冲充电则是首先用脉冲电流对电池充电。

然后让电池放电，如此循环。

电池脉冲的幅值很大、宽度很窄。

通常放电脉冲的幅值为充电脉冲的3倍左右。

虽然放电脉冲的幅值与电池容量有关，但是，与充电电流幅值的比值保持不变。

充电过程中，镍镉电池中的氢氧化镍还原为氢氧化亚镍，氢氧化镉还原为镉。

在这个过程中产生的气泡，聚集在极板两边，这样就会减小极板的有效面积，使极板的内阻增大。

由于极板的有效面积变小，充入全部电量所需的时间增加。

加入放电脉冲后，气泡离开极板并与负极板上的氧复合。

这个去极化过程减小了电

池的内部压力、温度和内阻。

同时，充入电池的大部分电荷都转换为化学能，而不会转变为气体和热量。

充放电脉冲宽度的选择应能保证极板恢复原来的晶体结构，从而消除记忆效应。

采用放电去极化措施后，可以提高充电效率并且允许大电流快速充电。

存放时，镍镉电池的电量将按C/30到C/50的放电速率减小，为了补偿电池因自放电而损失的电量，补足充电结束后，充电器应自动转入浮充电过程。

浮充充电也称为维护充电。

根据电池的自放电特性，浮充充电速率一般都很低。

只要电池接在充电器上并且充电器接通电源，在维护充电状态下，充电器将以某一充电速率给电池补充电荷，这样可使电池总处于充足电状态。

1.2课题背景

本课题针对蓄电池的快速充电、可靠充电技术进行开发。

对于蓄电池的快速充电电和延长其寿命有很大意义。

1.2.1蓄电池对充电器的要求

基于免维护铅酸蓄电池浮充运行时的温度补偿要求和补充容量充电特性的要求，充电器应具备以下功能：

a．浮充电运行时的电压稳定度必须小于±0.5%；

b．可根据蓄电池按放的环境温度读浮充电压进行调整，建议采用双测点温度取样，以确保温度取样的正确性；

c．具有蓄电池容量监测功能。

基本方法是采用蓄电池放电电流对时间的积分运算，累计所放出的安时数。

在放电结束后即自动将充电器运行在充电状态，充入与放出同样的安时数；

d．具有自动限流恒压充电方式，即在转入充电方式时，自动将电流稳定在厂家要求而设的电流值下充电，在电池电压上升到电压定值时自动转入恒压充电方式，并监测充电电流，在充电电流已维持3h不再变化后，充电器自动转入浮充点方式运行。

1.2.2目前充电器的不足

显然，对充电装置的功能要求并不仅限于上述几点，如充电器装置的自身运行工况的监测与报警，多个充电器备用方式的自动切换等要求是对各种类型蓄电池用充电器均必须具备的功能。

要达到上述要求的b~d点必须采用带微处理器的智能型充电装置，而普通采用模拟电子线路的调节控制器显然难以实现这些功能。

也就是说免维护蓄电池是在牺牲其使用寿命或容量不足的状态下运行。

现在国内所生产的，即使是智能型的充电装置，通常也只是满足上述的3,4项的功能要求。

高频开关电源具有普通桥控型充电装置所不具备的优点，如具有先进的功率因数校正网络，功率因数达0.99；具有极高的稳定度，在0-100%负载内稳定度不大于±0.5%；具有极低的纹波电压，仅有几毫伏；具有温度补偿功能，可根据蓄电池所处环境温度进行补偿；故采用高频开关电源作为充电装置可以更好的适应免维护电池的充电特性。

2通用型蓄电池充电电源硬件设计

2.1本次设计的主要任务和要求

制作一个通用型蓄电池充电电源，其要求为：

AC输入电压：

220V±10%，电源频率：

47～63Hz

输出电压：

24V、36、48V充电对象：

铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池

电压显示、电量充满提示、电池损坏提示短路、过充、过流保护

2.2设计方案论证与可行性分析

2.2.1硬件框图设计

基于本任务中对多种电池类型的通用性以及多种电池规格的自适应性要求，可采取如下框图所示的“键盘输入—AD采集—单片机处理—开关电源输出”的闭环控制模型。

图2.1闭环控制框图

2.2.2方案论证

a．控制对象分析：

根据如前所述的蓄电池的快速充电要求：

对铅酸电池，在到达过充电压前快速充电阶段充电速率可采用0.2C恒流；对镍镉镍氢电池，快速充电前应有可能需要涓流预充电；基于以上两点可知需要对蓄电池进行电流采集，并控制电流。

根据蓄电池极化效应发生时的过充电反应：

如前述可知对铅酸电池，过充反应开始时应自动将充电方式转换为恒压限流阶段，以避免过度极化效应所带来的电池失水损害；基于以上两点，可知需要对蓄电池进行电压采集。

根据已充满电后的电池的自放电损失：

如前述可知对铅酸电池，浮充电压须严格遵守2.23-2.27V/格的标准，同时需要以温度每升高一度单体浮充电压降低3mV以避免由此所带来的对电池寿命严重影响。

故前述的电压采集需要一个较高的精度的分辨率，此外，还需拥有温度采集单元。

b.A/D采集分析

根据前面所述的蓄电池的充电精度要求：

对于铅酸电池要求浮充时电压精度必须小于±0.5%，所以通过计算可以得出至少需要8位的A/D。

多种的采集量：

由前述的控制对象分析可得，A/D器件至少需要2路通道，以分别采样电压、温度与电流。

c.开关电源：

基于浮充电压所要求的小于±0.5%的高精度，故拟采用开关电源来作为充电主电路。

考虑到本设计任务中较多的充电方式的灵活配置，故对开关元件的占空比控制也应以单片机直接控制为佳。

2.3硬件电路设计

为了便于将上述分析的硬件实现，在设计过程中分为众多的模块，分

别加以设计，并注意强弱电的相互隔离，以及各高频部分之间的相互屏蔽。

图2.2系统框图

整流滤波模块：

该模块是将市电的220V经过整流后转化为直流310V，经滤波

隔离降压单元。

变换器模块：

该模块是由高频变压器构成，其中副边抽头绕组提供两种匝比，分别输出直流60V的共主充电器电路和直流12V和5V的电源供电模块使用。

DC-DC变换器模块：

该模块是将直流60V的电压转换转换为电池充电所需的电压，并通过功率开关管以及驱动电路，续流二极管，电感，电容的组合来达到充电控制的目的。

采样模块1：

该模块负责电压，电流的采集送入到AD转换单元。

采样模块2：

温度的采集用18b20直接采集输入CPU。

AD转换模块：

该模块的作用是将模拟信号转化为数字信号送入到CPU控制单元。

键盘模块：

该模块为4键盘的键值管理，其键盘包括种类和规格的轮换键、数值的增键、数值的剪键、确认键。

LCD显示模块：

用于显示电池的类型，电池的规格，充电程度，温度。

PWM控制模块：

该模块负责DC-DC电路的占空比调节，可以利用软件先将占空比分为若干档，再根据采样信号的分析决定占空比档位的选定。

2.3.1整流滤波电路设计

设计中选用单向桥式整流滤波电路。

整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但含有较大的交流成分，不能适应大多数电子电路的需要。

因此，一般在整流后，还要利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。

2.3整流滤波原理图

a.原理介绍

当市电经过熔断器F1经过EMI滤波，再经过过电压抑制电路得到u2。

u2处于正半轴并且数值大于电容两端的电压uc时，二极管D1,D3导通，电流一路流经负载电阻RL,另一路对电容C充电。

因为在理想情况下变压器副边无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压uc与u2相同。

当u2上升到峰值后开始下降，电容通过负载RL放电，其电压uc也开始下降，趋势与u2基本相同。

但是由于电容按指数规律放电，所以当u2下降到一定得数值后，uc的下降速度小于u2的下降速度，使uc大于u2从而导致D1,D3反相偏置而截止。

此后电容C继续通过RL放电，uc按指数规律缓慢下降。

当u2得副半周幅值变化恰好大于uc时，D2,D4因加正向电压变为导通状态，u2再次对C充电，uc上升到u2得峰值后开始下降；下降到一定数值时D2,D4变为截止，C对RL放电，uc按指数规律下降；放电到一定得数值时D1,D3导通，重复上述过程。

b.滤波电容的选取

考虑到电网电压的波动范围，电容的耐压值应大于

=342VC的取值范围满足RLC=（3~5）T/2的条件。

欧

电容的容量为

c.脉动系数

S：

脉动系数为

d.整流二极管的选取

当加入滤波电容后，只有当电容充电时，二极管才导通，因此每只二极管的导通角都小于

，而且RLC值越大，滤波效果越好，导通角

越小。

一般选用较大容量的整流二极管，通常选取其最大整流平均电流IF大于负载电流的2~3倍。

考虑到电网电压的波动范围为

，在选择二极管时，应至少有10%的余量，选择最大整流电流IF和最高反相工作电压URM分别为

所以选用IN5409型二极管。

2.3.2变换器的设计

在变换器的选择中，选用反激式变换器，反激式变换器的电感具有存储电磁能量和提供电网隔离。

在开关导通的瞬间，输入电压Us加在变压器T1的初级，同名端相对于异名端为负，次级二极管D反相偏置截止。

初级电流线性上升，变压器作为电感运行。

在开关Q1关断时，变压器所有线圈感应电势为正，次级二极管D正向导通，磁芯磁通作为变压器运行。

图2.4反激变换原理图

设计如下条件的变压器：

反激变换器的工作频率为20KHZ，输入电压310VDC，输出电压10V、36V、48V，直流电流为4A。

a.计算原边绕阻流过的峰值电流Ip：

每一工作周期能量乘上工作频率f为输出的功率Po

Po=

（2.1）

设为不连续工作模式，在

ton时间内的电流为0至Ip,则

Vs=Lp

（2.2）

因为t

=DmaxTs（2.3）

所以Vs=Lp

（2.4）

设计中取Iave=Ip,化简得

Ip=

=

=3.44A

b.求原边绕阻的电感值

设计中取的Dmax=0.45，由式（2.4）得

Lp=VsDmaxTs/Ip=

=2.05mH

c.选择磁芯尺寸

计算磁芯面积AP。

AP为Aw（磁芯窗口面积）和Ae（磁芯有效截面积）的乘积。

如果原边绕阻的线径为dw，带绕阻的磁芯所占的AP值表示为APp，可以按照下式进行计算

APp=

（2.5）

式中

，表明工作的磁感应强度变化值取饱和值Bs的一半。

例如TDKE-E磁芯，100摄氏度时Bs=3900Gs=0.39T，如图所示：

=1950Gs

图2.5PC40磁感应变化曲线

如果引用欧美国家常用的单位密尔，可以写为mil。

用它时对选择导线简单些，所以密尔是导线的直径或薄板厚度的单位，1mil=0.001英寸。

直径为1mil的金属丝面积为圆密尔，可以为c.m。

换算时，可以考虑其关系为1圆密尔=0.78*10

，下表列出美式线规重薄膜绝缘的导线规格，包括直径的大小，标称面积的圆密尔和每千英尺的电阻值。

设我们在选择导线时，确定电流密度值为400c.m/A，则通过3.44A电流时需要的圆密尔为3.44*400c.m/A=1376c.m。

参阅表选取AWG18#,其最大的直径为0.437英寸。

所以将dw=0.043代入式（2.3）得

APp=

=4.375cm

占窗口大部分面积的是副边绕阻，一般取APp只为AP的1/4~1/3,取

APp=1/4P

AP=Aw*Ae=3*4.375=17.5

从产品目录中可以查得2-75EI磁芯和线圈骨架乘积为

AP=Ae*Aw=7.26*2.72=19.75

19.75>17.5,选取此型号磁芯与线圈骨架合适。

d.计算气隙长度lg

由于反激工作模式是单向激磁，为防止磁饱和应加气隙。

气隙有较大的磁阻，而且能量是存在气隙所构成的体积VG中，故有

1/2LpI

（2.6）

式中H---磁场强度

VG---气隙的体积，VG=Ae*lgcm

。

由式2.6得

lg=

=

0.11cm

因此，应在磁芯中心柱打磨出气隙0.11cm或在磁心两外侧各打出0.05