智能充电器课程设计.docx
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智能充电器课程设计
目录
第一章概述.....................................（3）
1.1智能充电器.............................（3）
1.2蓄电池充电器...........................（3）
第二章蓄电池特性和充电介绍......................（4）
2.1蓄电池介绍.............................（4）
2.2蓄电池充电特性介绍.....................（5）
第三章智能充电器电路设计介绍.....................（6）
3.1设计思想...............................（6）
3.2整体框图...............................（6）
3.3补充...................................（6）
第四章智能充电器各部分电路.......................（7）
4.1电源...................................（7）
4.2恒流源设计.............................（8）
4.3涓流源设计.............................（9）
4.4三五计数器的接入功能...................（9）
4.5实际检测..............................（10）
第五章电路的安装与调试..........................（11）
5.1仿真电路..............................（11）
5.2各部分原件仿真参数.................（12）
5.3实验总结............................（14）
附录1心得体会..............................（17）
2仪表器件清单.........................（18）
3参考文献..............................（19）
鸣谢..........................................（20）
第一章概述
1.1智能充电器
可充电电池具有较高的性能价格比、放电电流大、寿命长等特点，广泛应用于各种通信设备、仪器仪表、电气测量装置中。
但是不同类型的电池如镍镉电池（Nicd）、镍氢电池（NiMH）和锂离子电池具有不同的充电特性和过程。
不同的电池应采用不同的充电控制技术。
常用的控制技术有：
电压负增量控制、时间控制、温度控制、最高电压控制技术等。
其中电压负增量控制是目前公认的较先进的控制方法之一。
充电时，当测量到电池电压负增量时就可以确定该电池己经充满，从而将充电转变为涓流充电。
时间控制预定充电时间，当充电时间达到后，使充电器停止充电或转为涓流充电，这种方法较安全。
温度控制法是当电池达到充满状态时，电池温度上升较快，测量电池温度或温度的变化，从而确定是否对电池停止充电。
最高电压控制则是根据充电电池的最高允许电压来判断充电状态，这种方法灵活性较好。
本文介绍一种智能充电器，能对镍镉电池（Nicd）、镍氢电池（NiMH）和锂离子电池进行充电，并对充电电池具有自动检测能力。
1.2蓄电池充电器
铅酸蓄电池充电器引采用三段式充电，品质优，性能好，充电饱和度高，能够提升蓄电池的使用寿命。
需通过通过UL、CE认证，并且符合RoHS指令。
目前，铅酸蓄电池充电器已经发展到第五代，[1]最新升级版充电器是在第四代继电器保护的基础上采用更先进的集成IC电脑芯片控制系统，技术更加先进，充电过程更加智能化；它具有充电电压和电瓶容量范围广、短路自动保护、安全系数高、热量小、效率高、对电瓶无任何损害、体积小重量轻便于安置等特点。
是现在市场上最先进的智能充电器。
可用作摩托车、电动车、汽车--12V/1Ah-28Ah电瓶、蓄电池的充电；
第二章蓄电池特性及充电介绍
2.1蓄电池介绍
定义：
放电到一定程度后，经过充电又能复原续用的电池。
蓄电池是电池中的一种，它的作用是能把有限的电能储存起来，在合适的地方使用。
它的工作原理就是把化学能转化为电能。
它用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用1.28%的稀硫酸作电解质。
在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。
电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。
电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。
撤去去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。
铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，叫做二次电池。
它的电压是2V，通常把三个铅蓄电池串联起来使用，电压是6V。
汽车上用的是6个铅蓄电池串联成12V的电池组。
铅蓄电池在使用一段时间后要补充蒸馏水，使电解质保持含有22～28%的稀硫酸。
放电时,电极反应为:
PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O
负极反应:
Pb+SO42--2e-=PbSO4
总反应:
PbO2+Pb+2H2SO4===2PbSO4+2H2O（向右反应是放电,向左反应是充电）
图2.1常见蓄电池
铅酸蓄电池产品主要有下列几种，其用途分布如下：
图2.2蓄电池
起动型蓄电池：
主要用于汽车、摩托车、拖拉机、柴油机等起动和照明；
固定型蓄电池：
主要用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源；
牵引型蓄电池：
主要用于各种蓄电池车、叉车、铲车等动力电源；
铁路用蓄电池：
主要用于铁路内燃机车、电力机车、客车起动、照明之动力；
储能用蓄电池：
主要用于风力、太阳能等发电用电能储存；
2.2蓄电池充电特性
电动车用蓄电池的容量以下列条件表示之：
蓄电池◎电解液比值 1.280/20℃
◎放电电流 5小时的电流
◎放电终止电压 1.70V/Cell
◎放电中的电解液温度 30±2℃
1.放电中电压下降放电中端子电压比放电前之无负载电压（开路电压）低，理由如下：
（1）V=E-I.R
V：
端子电压（V） I：
放电电流（A）
E：
开路电压（V） R：
内部阻抗（Ω）
（2）放电时，电解液比重下降，电压也降低。
（3）放电时，电池内部阻抗即随之增强，完全充电时若为1倍，则当完全放电时，即会增强2～3倍。
用于起重时之电瓶电压之所以比用于行走时的电压低，乃是由于起重用之油压马达比行走用之驱动马达功率大，因此放电流大，则上式的I.R亦变大。
2.蓄电池之容量表示
在容量试验中，放电率与容量的关系如下：
5HR....1.7V/cell
3HR....1.65V/cell
1HR....1.55V/cell
严禁到达上述电压时还继续继续放电，放电愈深，电瓶内温会升高，则活性物质劣化愈严重，进而缩短蓄
第三章智能充电器电路设计介绍
3.1整体思想：
根据该课程设计要求和任务。
该智能充电器在电池没电（低电压）时报警并充电（快充），充到一定值时转为慢充，充满后停充。
基本设计是在电池低电平时设为5.8v由电池电压输入35计时器来控制使电路打开进行快速充，充到一定11v值后转为慢充，充满后停止。
3.2整体框图
图3.1智能充电器整体设计图
该设计是基于三五计时器下的充电器电路。
由220v市电接入完成对12v蓄电池的充电。
智能充电器控制系统设计过程中，主要侧重点是保证充电器对充电电池电压的精确控制，设计中元器件的选型也都是围绕着这个重点来完成的。
3.3补充
本次设计是在multisim10环境下模拟出的，实际种可能没有在理想化元器件，该设计中均以理想化处理
第四章智能充电器部分电路分析
4.1电源
图4.1电源部分
（1）如图所示充电器由220v市电接入，经变压器变压后可得到13v交流电压，然后进过整流1B4B42，整流后可得到基本稳定的直流，再进过电容滤波后得到基本稳定的直流，最后通过12v稳压管1N4742稳压后得到12v直流源。
4.2恒流源设计
直接利用三端稳压集成块LM7812与电阻R1构成恒流源。
Io=V23／Rl+IQ,其中IQ1．5mA，可忽略。
V∞=12V，RI的实现同上。
I=4A，R=12／4=3P=I2XO．4=4．8W，选用3On／5W的水泥电阻。
T3组成的镜像电流源，可以提高制作的简易性，适合要就不那么高的场合。
最后值得提一下的是电源变压器的选用。
假如输出的电压为12V，而流过的最小电流是4．4A，则P=4．4X12=52．8W。
所以变压器的功率必须大于这个数，如果小于，则变压器会很快发烫，弄不好要烧东西的。
通常变压器的取值，为电路功率的2倍。
例如．在这次电路中，电路功率P=52．8W，则2X52．8、105．6W．所以，变压器功率取值100W。
图4.2电流源原理图
模拟电路图如下
图4.3设计电流源
图4.3简化了电源，但保持了恒定输出电流，如上图所示测出负载电流为
图4.4实测电流数据
改变负载值，电流不变，即达到恒流效果。
4.3小电流电路（涓流充电）
在图4.3所示中I=4A，R=12／4=3P,若想得到恒定小电流只需将R阻值变大即可，取1.1k，可得输出电流为32ma，满足涓流充电要求。
4.4三五计数器的接入功能
图4.5三五计数器控制部分电路
在整个电路中三五计时器是起着控制的作用，图4.5中蓄电池假设以大电容代替，当电池电压低于5.8v时，传入第一个三五计时器中的电压为5.8v，该三五计时器受电源和稳压管作用Vcc=12V,当输入6端和2端的电压小于2/3Vcc
时3端输出低电平，此时经过74ls00变换，喇叭报警，继电器K1打开，电路对电池充电，当电池电压达到11v时，传入第二个三五计时器的电压经3v稳压管分压后电压为8v，由于该三五计时器Vcc=12V,当2端和6端输入大于8v，即大于2/3Vcc时，3端输出高电平，此时K2打开，K3闭合，电路跳到涓流充电模式，当电路达到12v充满时，传入第一个三五计时器的电压信号为8v，即大于2/3Vcc,3端输入高电平整个电路断开。
4.5实际检测
图4.6蓄电池充电电流示意图
第五章电路的安装与调试
5.1电路仿真：
该电路是在multisim10仿真下完成的，用于软件中并没有蓄电池虚拟软件，所以在电路中以电容代替，并取得了一定的代替效果，其中恒流源的设计和三五计时器的安排是电路的核心部分，三五计时器起的是控制作用，而电流源则是充电的主要手段，本设计中取消了恒压充电法，原因在于恒压时电池的实际电压不易测量，需要没隔一段时间断开整个电路来测量，但这大大加深了设计的难度。
均衡充电是本充电器的一个重要特点。
在充电的过程中，由于电池的质量不相同，容量小、质量差的电池端电压在充入相同电量后会出现电压增长比另一个电池多的情况，如果不采取措施，它们的电压差将会增大，以至其中一个电池很快达到规定的安全电压，充电过程也将被迫停止。
此时应该停充电压高的电池，即均衡充电。
这样有利于恢复电池内受损的单元，使充电过程能顺利地进行下去。
这种控制主要是通过软件实现的，在系统程序转人中断程序后（如图2a），系统开始对电压进行采样，检查电池电压值是否超过最大允许值，若超过，则使用单片机的PWM功能进行调节。
电压正常之后，便对电流进行采样，并对电流时间做乘积，然后跳出中断程序。
以后每经过采样时间间隔后，都会重复以上步骤，而且要累加电流时间的乘积，此即为电池当前容量值。
当容量达到标准容量值时，立即结束相应程序，停止对该电池的充电。
这里在对容量进行计算时，使用了积分的方法。
由于每一段采样时间间隔都非常小，可以认为电流值恒定，于是这段时间电池储存的容量可以用两者乘积来表示，整个充电过程的容量便可以用累加的方法。
5.2电路仿真各部分参数
5.2.1电源
图5.1模拟电源
实测数据
图5.2实测电源数据
5.2.3整流滤波
图表5.4整流滤波
测试结果
图5.5测试结果
5.3实验总结
实际生活中电池的充电波形如下图所示
电池充电实际波形
图5.6充电原理图
充电器有很多，如铅酸蓄电池充电器、阀控密封铅酸蓄电池的测试与监测、镉镍电池充电器、镍氢电池充电器、锂离子电池充电器、便携式电子设备锂离子电池充电器、锂离子电池保护电路多功能充电器、电动车蓄电池充电器、车充等。
用充电器给电池充电时，一定要按电池的充电说明书选用合适规格的充电器，并正确连接。
否则会出现用电器损坏或安全事故，建议选用智能型充电器，因为其保护完善。
一般不会出现事故
实际生活中，充电器种类多种多样
图5.6实际生产中的电路原理图
图5.6中AT89C2051、ADC0832与MAX846A一起构成充电器的核心。
单片机的两个PWM输出（P1.3,P1.4），经输出滤波分别与MAX846A的VSET以及ISET相连，以控制充电电压及电流,其中P1.3控制浮动电压，,P1.4控制充电电流。
从ISET端引出电流量，BATT端电池分压器读出电压量，引入微控制器，连续测量充电电压及电流。
由于从ISET以及VSET读出的量均为模拟量，而AT89C2051内部没有A／D转换，所以需要外部增加A／D转换器ADC0832。
AT89C2051串行口工作于移位方式，P3.0为数据输出线，P3.l为时钟线。
它有128个8位的RAM，2KB的程序存储空间，完全满足充电器的使用要求。
在充电器中主要用来控制MAX846A对电池的充电与否、实时检测充电器的状态及时显示，4个共阳极LED和4片串行输入、并行输出的74HC164构成显示电路。
ADC0832为8位串行逐次逼近式A/D转换芯片，实时检测充电电流、电压的大小，该芯片的二个模拟量输入通道是可编程软结构的，可由串行输入口的3位串行控制字指定通道，并决定是单端输入还是差分输入方式，设计中选择二个模拟量输入通道（CH0和CH1）交替输入。
MAX846A是一种高性能充电芯片，它适用于镍镉电池（Nicd）、镍氢电池（NiMH）和锂离子电池等。
电路中用单片机的PWM输出特性对充电电池电流进行控制，这样设计的优点是：
用数字量对电流控制可达到很高的精确程度，可以适合不同种类不同容量的电池对充电电流的不同要求.其中脉宽调制有2个参数特别重要:
一是工作频率，在一定范围内，脉宽调制的工作频率越高，所需电感越小。
二是单步调整的分辨率，如果脉宽调制欲输出稳定度较高的充电电流，则需要较高的分辨率。
例如在镍氢/镍镉电池充电的各个阶段，尤其是电池饱和充电判别点附近，对充电电压的-△V进行采样时，要求电池的充电电流要有较高的稳定性或电流等效值恒定，这时就有赖于脉宽调制输出稳定的电流值.而对于锂离子电池在其限压充电期间，其充电电流应可动态调整，以维持电池电压的最大（但要小于最大充电电压）而获得较高的充电效率.
此外，设计中选择滤波电容的主要依据是系统对电源纹波的要求。
滤波电容的等效串联电阻（ESR）是造成输出纹波的主要因素，而且也会影响到转换效率，因此应尽量选用低ESR的电容。
陶瓷电容和钽电解电容具有较低的ESR，也可选用低ESR的铝电解电容，但应尽量避免标准铝电解电容。
容量一般在10μF～100μF，对于较重的负载设计选取大一点的电容。
综合比较，本设计主要是用于实验，在实际生产中，往往会考虑更多的内容。
本次设计依据课程设计要求和任务计划买总体完成了所给设计的要求，该电路，主要是自动充电，即不需要人为开启或停止。
在电阻的选用上，恒流源的设计中流过电流为4A，电阻为3欧姆，这样功率会达到48w，这在设计生活中很难找到这么大的电阻，那么实际，可用多根电阻并联来达到大电流输出的要求。
图中R5可用多根电阻并联即可。
附录
1心得体会
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。
在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。
学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
通过这次模具设计，本人在多方面都有所提高。
通过这次模具设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次冷冲压模具设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了冷冲压模具设计等课程所学的内容，掌握冷冲压模具设计的方法和步骤，掌握冷冲压模具设计的基本的模具技能懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案，了解了模具的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。
在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
在此感谢我们的老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。
老师们开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。
同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。
由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。
2仪表仪器清单
220v市电接入
220v转14v变压器1个
直流继电器开关1mH1Ω3个
整流二极管1B4B421个
电容470uF1个
电容330nF1个
电阻150Ω2.2Ω1.1kΩ100kΩ各1个
LM555cm2片
74LS001片
LM7812ct1片
稳压二极管1N4742A1N4749A1N4684A
各1片
导线若干
万用表
示波器
3参考文献
[1]童诗白主编．模拟电子技术基础（第4版）．北京：
高教出版社，2006
[2]阎石主编.数字电子技术基础（第五版）.北京:
高教出版社，2005
[3]周志敏周继海纪爱华编著.充电器电路设计与应用.人民邮电出版社2005
[4]戴袁铭.相序表[J].电测与仪表,1982（11）.
[5]刘晓文.谭得健.便携式多功能相序及电量测量仪[J].煤炭科学技.1996（9）.
[6]杨秀双.程序判别三相电压相序错误的方法[J].工业仪表与自动化装置,1999（4）.
[7]陶增瑜.船舶岸电的断相保护和相序自动调整[J].江苏船舶,1997
（1）.
[8]王效良,马思乐,王划一.电网相序和缺相监测电路的设计[J].1997（3）.
致谢
最后我想感谢课程设计老师在此次课程设计中的指导，感谢模电数电任课老师对自己的教育，感谢安徽工程大学对我的培育。
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