蓄电池充电器的设计.docx

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蓄电池充电器的设计

蓄电池充电器的设计

摘要

蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点,因此广泛应用于国防、通信、铁路、交通、工农业生产部门。

近年来全密封免维护蓄电池由于密封好、无泄漏、无污染等优点,从而得到了广泛应用。

蓄电池充电器，将高频开关电源技术与嵌入式微机控制技术有机地结合，运用先进的智能动态调整技术，实现优化充电特性曲线，有效延长蓄电池的使用寿命。

它采用恒流、W阶段、恒压、小恒流四个阶段充电方式，具有充电效率高，可靠性高、操作简便，重量轻，体积小等特点。

本文主要分为四大局部，一是蓄电池充电器，二是蓄电池充电器设计要求与方案论证，三是蓄电池充电原理与方法，四是蓄电池充电器设计分析。

关键词：

蓄电池；充电器；方案设计；恒定电流；软件设计

Designofbatterycharger

AbstractBatteryhastheadvantagesoflowcost,reliablepowersupply,voltagestability,soitiswidelyusedinnationaldefense,munications,railway,transportation,industrialandagriculturalproductionsector.Inrecentyears,themaintenancefreebatteryiswidelyusedbecauseoftheadvantagesofgoodsealing,noleakage,nopollutionetc..Batterycharger,thehighfrequencyswitchingpowersupplytechnologyandtheembeddedmicroputercontroltechnology,theuseofadvancedintelligentdynamicadjustmenttechnologytoachieveoptimalchargingcharacteristicscurve,effectivelyextendthelifeofthebattery.Itusesfourstagesofconstantcurrent,Wstage,constantpressure,smallconstantcurrentchargingmode,withhighefficiency,highreliability,simpleoperation,lightweight,smallsizeandsoon.Thispaperisdividedintofourparts,oneisthebatterycharger,thetwoisthebatterychargerdesignrequirementsandschemedemonstration,threeisthebatterychargeprincipleandmethod,fouristhebatterychargerdesignanalysis.

Keywords:

battery;charger;schemedesign;constantcurrent;softwaredesign

前言

铅蓄电池已经发明了100多年，并且在不断开展。

铅蓄电池也属于一种化学能与电能相互转化的装置。

铅蓄电池的特点包括电动势高、充放电可逆性好、使用温度围宽、生产工艺易于掌握、原材料丰富价廉，而且在工业上获得了广泛的应用。

蓄电池属于一种可循环利用的能源，其中人们最关注的问题就是其反复利用的次数，也就是它的使用寿命。

蓄电池充电技术就是实现电池反复利用的关键，所以说，设计一个好的充电器对电池的利用来说是非常重要的。

就现在的研究来说，对电池进展充电有多重技术，有脉冲充电、利用PWM控制充电，除此之外，还有结合单片机控制风进展设计的充电器。

总体而言，充电一般来说可以分为三种状态，一是大电流恒流充电，二是高电压过充电状态，三是低电压恒压浮充状态。

科学的充电技术不能能够提高充电速率，保证电池充电效果，而且还能够最大限度的维护电池寿命，维持电池的使用性能。

一、蓄电池充电器

〔一〕蓄电池

化学能转化成电能的装置叫化学电池，一般来说就简称为电池。

放电后能够用充电的方式使部活性物质再生，也就是把电能储存为化学能；在需要放电的时候将化学能转化为电能，将这类电池称作是蓄电池，也称二次电池。

所谓蓄电池，就是贮存化学能量，在必要时能够放出电能的一种电气化学设备。

它是将化学能直接转化成电能的一种装置，是按可再充电设计的电池，通过可逆的化学反响实现再充电，通常来说指的是铅酸蓄电池，这是电池中的一种，也属于二次电池，其工作原理是在充电时利用外部的电能使部活性物质再生，将电能储存为化学能，需要放电时再次将化学能转化为电能输出，比如生活中常用的手机电池，电动车电池等等。

〔1〕蓄电池化学原理

方程式：

总反响：

Pb（s）+PbO2（s）+2H2SO4（aq）

可逆符号2PbSO4（s）+2H2O（l）

放电时：

负Pb（s）-2e-+SO42-（aq）=PbSO4（s）

正PbO2（s）+2e-+SO42-（ap）=PbSO4（s）+2H2O（l）

总Pb（s）+PbO2（s）+2H2SO4（ap）=2PbSO4（s）+2H2O（l）

充电时电解池

阴极PbSO4（s）+2e-=Pb（s）+SO42-（ap）

阳极PbSO4（s）+2H2O（l）-2e-=Pbo2（s）+SO42-（aq）+4H+（a

注〔充电时阴极是放电时负极〕

〔2〕物理构成

构成铅蓄电池之主要成份如下：

阳极板〔过氧化铅.PbO2〕--->活性物质

阴极板〔海绵状铅.Pb〕--->活性物质

电解液〔稀硫酸〕--->硫酸〔H2SO4〕+蒸馏水〔H2O〕

电池外壳、盖〔PPABS阻燃〕

隔离板（AGM）

安全阀

正负极柱，正负极柱等

蓄电池分为铅酸蓄电池、UPS蓄电池、磷酸铁锂蓄电池、超级蓄电池。

铅酸蓄电池就是常用的车用蓄电池，主要分为三类，分别是普通蓄电池、干荷蓄电池和免维护蓄电池。

UPS蓄电池称作是不连续电源，是因为停电的时候，它能快速转换到“逆变〞状态，从而不会让在使用中的电脑因为突然停电未来得与存储而失去重要文件。

磷酸铁锂电池是锂离子电池家族中最安全的高比能量电池。

“超级蓄电池——发动机启动电源〞是一种当燃机配用的传统蓄电池失效而无法实施启动时，能通过快速储能后向燃机提供启动电源的装置。

〔二〕蓄电池充电器

充电器是按设计电路工作频率来分,可分为工频机和高频机.工频机是以传统的模拟电路原理来设计,机器部电力器件（如变压器、电感、电容器等）都较大,一般在带载较大运行时存在较小噪声,但该机型在恶劣的电网环境条件中耐抗性能较强,可靠性与稳定性均比高频机强。

〔1〕概念

所谓蓄电池充电器，指的是将将高频开关电源技术与嵌入式微机控制技术有机地结合，运用先进的智能动态调整技术，实现优化充电特性曲线，有效延长蓄电池的使用寿命。

它采用恒流/W阶段/恒压/小恒流四个阶段充电方式，具有充电效率高，可靠性高、操作简便，重量轻，体积小等特点。

〔2〕种类

充电机从用途上来分可以大体分为：

叉车充电机，电动车充电机，智能充电机，浮充充电机，可调充电机。

充电器按能源使用方式分为：

普通充电器：

利用普通家庭用电等通过变压器提供能源。

蓄电池充电器：

是专门针对市场上广泛应用的铅酸免维护蓄电池或蓄电池组进展充电而设计，整机体积小、重量轻、移动方便。

太阳能充电器：

利用太阳能面板收集太阳能。

无线充电器：

利用电磁耦合等原理进展充电。

手摇充电器：

利用人力摇动产生的动能，使其部微型精细了电机高速运转产生电能。

二、蓄电池充电器设计要求与方案论证

〔一〕要求

⑴蓄电池标称电压为12V，容量为4Ah 

⑵充电采用三段式：

第一阶段恒流充电，充电电流为600mA,当电池端电压达到13.8V时，转入第二阶段；第二阶段恒压充电，充电电压为13.8V，当充电电流小于50mA时转入第三阶段；第三阶段涓流〔恒流〕充电，充电电流为50mA。

⑶充电器输出电压、电流误差小于1%，具有过流保护功能。

⑷实时显示蓄电电压、充电电流，电压围6～15V，误差小于0.5%，电流围40～600mA,误差小于0.5%。

⑸自制充电器所需电源，输入为220V，50Hz。

⑴通过按键预置恒流充电的电流值，恒压充电的电压值和涓流充电的电流值。

⑵具有过热保护功能，当蓄电池壳温超过40℃时，充电电流减半；当蓄电池壳温超过45℃时，应停止充电，待冷却至35℃时恢复正常充电，温度检测误差小于1℃。

⑶其他功能。

〔二〕系统方案论证 

此设计用到单片机控制2个继电器来进展充电的阶段的转换，一个继电器来控制A/D前级的放大电路，一个串行显示电路显示测试数据，6个按键控制选择测试数据类型的键盘电路，一个A/D转换，一个D/A转换，如果用MCS-51单片机会造成I/O口不够用，需要I/O口扩展增加了硬件电路以与程序编写。

为了减少此麻烦我们采用部包含1个10位A/D和2个10位D/A与40个I/O口的SPCE61单片机电路无需在与外部A/D，D/A的接线因此不会造成I/O口不够用。

如果采用SPCE61的10位A/D转换电路，以3.3V为参考电压测量精度能达到3.3MV，由于测量电压电压值最大打15V，因此在输入A/D之前的电压信号要先衰件使得A/D取样的电压信号低于3.3V。

根据测量误差精度要求如果以3.3V做为D/A的经电流变电压的最大输出电压如此只需要用一个10位D/A即可。

随后在经过放大器将电压信号放大进展控制充电电路。

三、蓄电池充电原理与方法

〔一〕蓄电池充电原理

蓄电池在工作工程中主要具有3种工作状态：

放电状态、充电状态和浮充状态。

处于放电状态时，蓄电池将储蓄的化学能转化为电能供给负载；充电状态是在蓄电池放电之后进展能量储蓄的状态，此种状态下电能转化为化学能存储起来；浮充状态如此是蓄电池维持一定化学能存储量所要保持的工作状态，浮充状态下的蓄电池的储能不会因为自放电而损失。

放电、充电、浮充电3个状态构成蓄电池的一个完整的工作循环。

图1——充电电路原理图

〔二〕蓄电池常用的充电方法

图2——恒定电流充电法电路图

所谓恒定电流充电法，指的是在充电过程能够中，充电电流始终保持不变。

在充电的过程中，由于蓄电池电压逐渐升高，充电电流逐渐下降，为了保持充电电流不致因蓄电池端电压升高而减小，充电过程中必须要逐渐升高电源的电压，从而维持充电电流的始终不变，这对于充电设备的自动化程度要求较高，一般来说，简陋的充电设备是不能满足横流充电的要求的。

所谓恒定电压充电法，指的是在充电的过程中的充电电压始终保持不变。

由于恒压充电开始至后期，电源电压始终保持一定，所以在开始时充电电流相当大，大大超过正常充电电流值。

但是随着充电的进展，蓄电池端电压逐渐升高，充电电流逐渐减小。

在当蓄电池端电压和充电电压相等时，冲的概念电流减到最小，甚至为零。

由此可见，采用恒压充电法，能够有效防止充电后期充电电流过大而造成极板活性物质脱落和电能的损失。

但是其缺点是在刚开始充电时，充电电流过大，电极活性物质体积变化收缩太快，影响活性物质的机械强度，致使其脱落。

而在充电后期充电电流又过小，使极板深处的活性物质得不到充电反响，形成长期充电不足，影响蓄电池的使用寿命。

所谓阶段等流充电法，是综合恒流和恒压充电法的特点，蓄电池在充电初期用比拟大的电流，经过一段时间改用较小的电流，至充电后期改用更小的电流，也就是不同阶段以不同的电流进展横流充电的方法。

这种方式所需要的充电时间短，充电效果比拟好。

由于充电后期改用了比拟小的电流充电，这样减少了气泡对极板活性物质的冲刷，减少了活性物质的脱落。

所谓浮充电法，充电方式是间歇使用的蓄电池或仅在交流电停电时才使用的蓄电池。

一些特殊场合使用的固定性蓄电池一般都是采用浮充电方法对蓄电池进展充电，其优点主要在于能够减少蓄电池的析气率，并且可以防止过充电，同时由于蓄电池同直流电源并联供电，用电设备大电流用电时，蓄电池瞬时输出大电流，这不仅有助于镇定电源系统的电压，使用电设备用电正常。

但是其缺点是个别蓄电池充电不均衡和充不足电，因此说需要进展定期的均衡充电。

四、蓄电池充电器设计分析

〔一〕主电路方案

在蓄电池充电器的主电路方案中，采用的是中小功率电力电子主控器件IGBT，具有开关速度快、开关损耗小、耐高压、电流密度大、通泰压将小、安全工作区宽，驱动电路简单等特点；变压器T是降压变压器，除了进展降压之外，还能够将充电电路与电力线路进展隔离，而且呈现出一定的阻抗，从而减小了蓄电池吸收危险峰值电流的可能性。

〔二〕充电器控制电路方案

在控制电路中，89C51单片机通过外部扩展A/D转换器ADC0809采集和转换主电路中的电压和电流信号。

功率器件散热器和蓄电池的温度信号由热敏电阻检测，经R/V转换电路转换为电压信号，经ADC0809转换Wie数字量送单片机。

蓄电池的重要参数，如电压等级、电流等级等通过DIP开关设定，由P1口读入单片机。

充电器的工作状态由LED现实，充电器的一些历史数据由非易失性的2K字节HK1215保存，看门狗电路MAX813用来监视CPU电源，实现电源故障报警、上电、掉电、降压与手动的复位输出。

独立的看门狗输出，可防止单片机受强干扰跑飞时进入死循环。

手持仪为选件，配有键盘和液晶显示器，用于参数的设置和状态的显示。

TTL/RS232C电平转换电路MAX232芯片使用+5V单电源，部带有升压和转换电路，能够产生正10V或负10V的电压，外接5个小电容，可以实现TTL/RS232C电平转换，用户可利用该接口通过PC机监控充电器。

图3——充电器控制电路方案

充电器的电压和电流给定信号由单片机输出，经过DAC0832转化为模拟量后送开关电源专用控制模板UC3875。

充电器充电模式不同，基准给定心号也就不同，当充电器工作在恒流充电模式时，单片机将产生一个恒定不变的信号，当充电器工作在智能化充电模式下，如此单片机根据要求的控制规律与给定的充电电流曲线产生变化的基准信号。

〔三〕充电器软件设计

根据充电器技术要求对DSP软件资源进展分配，在这个根底上绘制

软件设计流程图，利用C语言与汇编语言混合编程实现算法。

蓄电池充电器软件的系统主功率管开关频率10kHZ，重载频率20kHZ。

每次PWM重载中断任务完毕时启动A/D转换，信号采样频率与PWM重载频率相等为20kHZ，A/D转换时间4.781us。

采样通道数为4个，分别是充电电压信号采样、充电电流信号采样、电压给定信号采样、电流给定信号采样〔充电电压电流给定信号用于系统调试〕。

系统软件设计包含五个中断任务，分别是三个定时器周期中断、一个PWM重载中断、一个A/D转换中断。

定时器TMR0周期任务中断任务是读取电池电压采样结果完成电压环PI计算，中断频率为10kHZ，最终得到新的占空比。

TMR1周期中断任务通过读取充电电流结果完成电流外环PI计算，中断频率为5kHZ，为电压环PI运算提供电压参考信号。

定时器TMR2周期中断任务是完成计数功能，中断周期250ms。

当计数值达到40，根据标识位或禁止或允许PWM模块输出从而实现脉冲控制功能。

PWM重载中断主要任务是根据电压环计算结果更新PWM模块计数值，输出新的占空比。

A/D转换中断任务是在A/D转换完成后，对采样数据进展处理，包括数据格式处理和数字滤波。

蓄电池充电器开机之后，系统进入初始化阶段，在该过程中完成对中断模块、PWM模块、A/D转换模块、通用输入输出口GPIO、定时器模块的初始化，同时对所定义的变量初始化并赋初值。

当初始化完成后，进入主程序循环，同时等待中断事件的发生。

主程序循环阶段，实时对蓄电池的充电电压进展监控。

充电器设计为三段脉冲电流-浮充充电模式，充电器开始工作时充电电流设定为2.5A，当充电器充电间歇期电池端电压上升至12.8V以上时充电电流切换为1.5A。

蓄电池继续充电当充电间歇期电池端电压大于13.10V时充电电流切换为0.8A，当充电间歇期电池端电压大于13.30V时停止脉冲电流充电模式，切换为13.4V恒压浮充充电直至充电完毕。

图4——软件工作流程图

结论

蓄电池充电器的应用使充电与放电过程自动化,显著提高了蓄电池的使用寿命。

但由于铅酸蓄电池的型号不同,充电要求不完全一样,在设定快充时间和最大充电电流等参数时,要经过反复试验,才能达到最优充电效果。

本充电器经过综合试验,充电效果良好,适用于对多种蓄电池充电。

在充电控制方法上，应该打破了传统的设计模式，没有采用单一的恒流或恒压充电方式，而是采用了实时监测电池电量、电压、电流和温度等参数，利用参数实时完成充电方式的选择，全方面实现监控功能。

在充电控制方式上做了较大的改良，在参加通讯模块时，即可进展远程通信传输。

实践明确，这系统工作稳定可靠，防止蓄电池因充电不当而降低使用寿命，大大改善了充电器的性能，具有一定的应用价值。

参考文献

致谢

感谢在大学几年中陪伴着我的同学、朋友们，在论文的写作过程中，他们为我提出了具有建设性的意见和建议，并在日常的学习、生活中都给予了我支持、鼓励和帮助，从而使我的大学生活能够充实的度过。

本论文是在导师的悉心指导下完成的，他对我的影响是深远的，渊博的专业知识，严谨的教学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德、严于律己、宽以待人的崇高风尚，还有其朴实无华、平易近人的人格魅力对我都是受益终身的。

在与教师交流学习的过程中，不仅使我树立了比拟远大的学术目标，掌握了对电力工程的相关容，而且使我明白了许多关于待人接物和为人处世的态度。

本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。

在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢!

本论文的顺利完成，离不开各位教师、同学和朋友的关心和帮助。