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铅酸蓄电池论文
摘 要
随着电子技术日新月异的发展，人们开始越来越多地使用便携式设备，为满足对便携式电源的新要求，铅酸蓄电池因为维护简单、价格低廉、供电可靠、使用寿命长，广泛用作汽车、飞机、轮船等机动车辆或发电机组的启动电源。
也在各类需要不间断供电的电子设备和便携式仪器仪表中用作一些电器及控制回路的工作电源。
蓄电池使用寿命的长短直接影响了电池的性能等方面，所以铅酸蓄电池的使用寿命尤为重要。
蓄电池的智能充电技术是蓄电池行业广泛关注的课题，是影响充电质量及电池寿命的关键因素之一，相关技术的研究具有很高的实用价值。
本文针对铅酸蓄电池的容量智能充电技术开展研究工作，介绍一种基于单片机的智能充电器的硬件和软件实现。
主要包括蓄电池充电方法比较选择，电路的具体设计，适合大多数的人们使用。
该充电器可以实时采集和显示电池的容量，并进行智能控制，根据不同的电池调整充电策略。
实验证明，该设计具有数字化、智能化、通用化和低功耗的特点。
关键词 铅酸蓄电池 智能充电 51单片机
Abstract
Withthedevelopmentoftechnologicalchange,growinguseofportableequipment,tomeetthenewportablepowerdemand, thebatteryformaintainingasimpleandlowprices,powersupplyreliabilityanddurability,widelyusedincars,aircraftandshipstowaitforamotorvehicleorthestartthecurrent.Inthevariousneedsuninterruptedsupplyofelectronicequipmentandportableinstrumentsusedinmakingsomeelectricalandcontrolcircuitoftheworkoftheelectricitysupply.Thebatterylifeofthedirectimpactontheperformance,sothebatteryisfacing.
Theintelligentchargingtechniqueisasubjectwhichhasbeenwidelyintheindustryofbattery. Itisoneofthekeyfactorswhichaffectthechargingqualityandbatterylife,theresearchofrelatedtechniquehashighpracticalvalue【11】.Thispaperconcentrateseffortsonstudyinghigh-capacityintelligentchargingtechniqueforlead-acid,Introducearevivificationofthecharger'shardwareandsoftware.Mainlyincludethecomparisonandselectionofthechargingmethods,theresearchofchargingalgorithmandthedesignofchargingsystem.
Thechargertimecollectinganddisplaystheargumentsandintelligentcontrolandthroughthestringmouthandupper,andreal-timecommunications,torechargethebatteries.Experimentsprovedthatthedesignofdigitalizationandintelligent,universalandlowcharacteristics【12】.
Keyword Lead-acidbattery Intelligent-charging 51Sing-chipMicrocosm
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 充电技术的发展 2
1.3 铅酸蓄电池充电器的要求及市场需求 2
1.4 本文主要研究的内容 3
第2章 铅酸蓄电池的简介 4
2.1 铅酸蓄电池的发展历史 4
2.2 铅酸蓄电池的市场 4
2.3 铅酸蓄电池的工作原理 5
2.4 铅酸蓄电池的主要用途 5
2.5 铅酸蓄电池充电电压与电池电量恢复的关系 6
第3章 铅酸蓄电池充电方法比较 7
3.1 恒流充电 7
3.2 阶段充电法 8
3.3 几种快速充电技术 9
3.3.1 脉冲式充电法 9
3.3.2 变电流间歇充电法 9
3.3.3 变电压间歇充电法 10
3.4 恒压充电 10
第4章 硬件设计 12
4.1 整压稳流电路设计 12
4.1.1 LM317稳压管的简介 13
4.1.2 LM317稳压管的性能 14
4.2 单片机及驱动电路电源的设计 14
4.2.1 AT89C2051单片机的介绍 17
4.2.2 AT89C2051单片机的主要性能 20
4.2.3 AT89C2051单片机的软硬件开发 20
4.2.4 AT89C2051单片机的性价比 21
4.3 显示电路 21
4.3.1 DM7447简介 22
4.3.2 数码管 25
4.3.3 七段译码器与数码管的链接和显示 26
第5章 软件设计 28
5.1 主程序的设计 28
5.2 定时显示子程序的设计 30
总 结 31
致 谢 32
参考文献 33
附录1 总电路图 34
附录2 软件程序 35
第1章 绪论
1.1 课题背景
目前铅酸蓄电池运用于各个行业中，如目前流行的电动自行车，电瓶车，工业上的自动引导车，机器人等等。
电池的使用量很大。
而对于铅酸蓄电池来说，使用方法得当，其使用寿命甚至可以达到20年。
但实际情况却是很多铅酸蓄电池使用几年甚至一两年就报废了，纠其原因就在于铅酸蓄电池的使用过程中存在很多不当之处，比如长期过充电状态，放电过度，充电电流过大，长期不满电等都会降低铅酸蓄电池的使用寿命。
如果改善了充电器，并能活化蓄电池，延长使用寿命，将能节约大量资源和能源，并能降低废旧电池的处理压力，保护环境。
目前市场上常见的各种二次电池的主要性能比较如表1-1所示。
对于镍氢电池、锂离子电池等能量密度高的蓄电池，对其充电的要求不是很严格，而能量密度相对低一点但价格便宜的铅酸蓄电池，充电要求则很严格。
表1-1各种常用二次电池主要性能表
电池类型
电压（V）
能量体积比（Wh/kg）
能量体积比（Wh/L）
功率质量比（W/kg）
功率体积比（W/L）
自放电（%）
循环寿命（次）
镍氢电池
1.2
60
220
130
475
30
300~600
铅酸电池
2.0
35
70
200
400
4~5
250~500
镉镍电池
1.2
40~60
60~100
140~220
220~360
10~20
300~700
锂离子电池
3.6
115
260
200~250
400~500
5~10
500~1000
蓄电池的使用寿命是专业人员及使用人员普遍关注的问题，其由多方面因素决定，其中最重要的是蓄电池本身的物理性能。
除此之外，电池的管理技术、不合理的充放电模式是造成电池寿命缩短的主要原因。
国内外多年来的实践证明:
免维护铅酸电池浮充电压偏差5%，电池的浮充寿命将减少一半。
据统计，在我国，从日渐普及的电动自行车用蓄电池组到航天用蓄电池组，都不同程度的存在着因充电不当，蓄电池组的使用寿命达不到设计寿命的问题，许多蓄电池的实际使用寿命还不到设计寿命的一半，造成了很大的浪费。
实践证明，要保证铅酸蓄电池的使用寿命，铅酸蓄电池的正确充电方法是非常重要的。
通常用专用芯片来制作蓄电池充电器，但是它的缺点是只能给专用的蓄电池充电，其通用性不强。
还有用模拟电路和数字电路搭建而成的铅酸蓄电池充电器，但其完成功能达不到蓄电池充电器的预期效果。
本文利用51单片机与模拟电路相结合来完成给铅酸蓄电池充电。
因为用51单片机和模拟电路相结合的铅酸蓄电池充电器在电路性能，工作可靠性和体积方面都表现的很好。
也可以根据实际需要，很容易应用于低、中和大型功率铅酸蓄电池的充电电路应用场合。
1.2 充电技术的发展
随着蓄电池的发展，充电技术也在不断更新。
充电技术的更新不仅满足了对新型电池的充电要求，更重要的是提高了充电的质量，延长了蓄电池的使用寿命。
传统的充电技术，都是人工控制充电过程，没有采用动态跟踪电池的实际可接受充电电流的大小，不仅造成充电时间过长，而且大多存在严重的过充现象，直接影响蓄电池的技术状态和使用寿命，远不能适应现代生产和生活的需要。
针对传统充电方法充电缓慢、安全性能不好等缺点，目前国内外陆续提出了一些新型的充电方法，如脉冲式充电法、定化学反应状态法、变电流间歇/定电压充电法、电压间歇充电法等。
这些充电方法的原理绝大多数都是在传统方法的基础上加以改进，以便使其充电电流能够更好逼近蓄电池的可接受充电电流曲线。
1.3 铅酸蓄电池充电器的要求及市场需求
铅酸蓄电池在直接供电和备用供电的应用场合得到了广泛的应用，为了充会发挥铅酸蓄电池的作用，充电器电路在给铅酸蓄电池充电的过程中，应给铅酸蓄电池充足电，要尽量避免铅酸蓄电池的过充电，从而延长铅酸蓄电池的使用寿命。
铅酸蓄电池充电器对电压和电流的要求很高。
电压过高会造成蓄电池过渡充电，并改变电解液的浓度，直接影响蓄电池的循环使用寿命。
电压过低则会造成充电不能充满，降低蓄电池的放电使用时间，长期充电都处于这种状态下，将会使极板硫化，造成不可恢复性的损伤。
充电电流过大，电池内部的散热不能解决，会造成蓄电池爆裂。
电流过小充电时间会延长，使用效率降低。
所以合理的充电电流和电压非常的重要。
目前市场上使用的所谓智能充电器，大多数都属于简易型的，不能对蓄电池的容量进行检测，并不是严格意义上的智能式充电器，据相关部门统计资料显示，市场上85%以上的充电器存在严重的质量隐患。
这些充电器往往充电电流过小，充电电压不稳定，充电时间过长，导致蓄电池内部出现极化、硫化结晶等现象，致使充电容量达不到要求，大大降低了蓄电池的正常使用寿命。
当今功能完善、价格适中的铅酸蓄电池充电器很缺乏，所以我们设计的利用51单片机和模拟电路相结合的铅酸蓄电池充电器比较适用，它可以实现对铅酸蓄电池的容量进行测量，充电计时全部自动化，而且可以对不同容量的铅酸蓄电池进行充电。
完全智能化。
1.4 本文主要研究的内容
本文就研制智能蓄电池充电器开展相关工作，主要内容为：
1．在对铅酸蓄电池充电原理和目前各种充电方法的研究基础上，提出了适合大多数铅酸蓄电池使用的充电方案。
2．对铅酸蓄电池充电的控制技术进行了探讨，在设计中，采用了电池的电流控制、定时控制等功能的综合控制法。
3．进行了系统的硬件设计，包括主电路和控制电路的设计。
其中用最简单、熟悉的51单片机和继电器控制定时和充满时自动断电。
使充电器完全的自动化，智能化。
4．再进行系统的软件设计，包括主程序和定时显示程序。
利用汇编语言编程，使数码管在定时时间到时显示电池的容量。
让人们了解此时电池的充电情况。
第2章 铅酸蓄电池的简介
电瓶也叫蓄电池，蓄电池是电池的一种，它的工作原理就是把化学能转化成电能。
通常，人们所说的电瓶是指铅酸蓄电池。
即一种主要由铅及其氧化物制成的，电解液是硫酸溶液的蓄电池。
2.1铅酸蓄电池的发展历史
铅酸蓄电池是1859年由普兰特（Plante）发明的，至今已有一百五十年的历史。
铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有绝对优势。
这是因为其原材料易于获得，价格低廉，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。
到20世纪初，铅酸蓄电池历经了许多重大的改进，提高了能量密度、循环寿命、高倍率放电等性能。
2.2 铅酸蓄电池的市场
铅酸蓄电池是目前世界上广泛使用的一种化学“电源”，具有电压平稳、安全可靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富和回收再生利用率高等优点，是世界上各类电池中产量最大、用途最广的一种电池，它所消耗的铅占全球总耗铅量的82％。
目前中国的铅酸蓄电池的消费结构如下：
通过研究发现：
目前蓄电池消费主要集中在汽车和摩托车市场，两者占据大多数比重，消费份额为74％；电动自行车其次为8％；出口占据7％的消费份额，其他的占据余下的11％。
不过随着我国汽车和摩托车的保有量进一步的扩大，以及国家主要城市对电动自行车行驶的解禁，这将进一步刺激铅酸蓄电池产品在该领域的消费。
我国铅酸蓄电池行业经过50年的建设与发展，已基本形成了大中小型企业相结合，具有一定规模的制造体系，“八五”计划后期，铅酸蓄电池行业发展稳定，产品档次和水平有了明显提高，产量呈上升趋势。
进入“九五”计划后，随着我国改革开放进一步向纵深发展，能源、交通和通讯等支柱产业飞速发展，主要用于汽车、摩托车、电力、通讯等产业的铅酸蓄电池进入蓬勃发展时期，市场不断扩大。
2.3 铅酸蓄电池的工作原理
铅酸蓄电池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22%～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。
移去电源后，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。
普通铅蓄电池在使用一段时间后要补充硫酸，使电解质保持含有22%～28％的稀硫酸[1]。
铅酸蓄电池在充电过程中需注意两个问题：
一是应使用铅酸蓄电池尽快充足电；二是应补充由于铅酸蓄电池的自放电而减少的电量。
在铅酸蓄电池的充电过程中，硫酸铅被转换成了铅酸蓄电池负极板上的铅和正极板上的二氧化铅，当铅酸蓄电池内的大部分硫酸铅被转变成铅和二氧化铅后，随之就出现了铅酸蓄电池的过充电现象，导致氢气和氧气的产生。
如果铅酸蓄电池的充电迅速率选的适当，则大部分的氢气和氧气在密封铅酸蓄电池内部再结合，但是在非密封铅酸蓄电池中则会产生脱水现象。
2.4 铅酸蓄电池的主要用途
铅酸蓄电池产品主要有下列几种，其用途分布如下：
1、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；
2、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；
3、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；
4、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；
5、储能用蓄电池
主要用于风力、太阳能等发电用电能储存；
2.5 铅酸蓄电池充电电压与电池电量恢复的关系
通过检测铅酸蓄电池充电电压的办法可以检测铅酸蓄电池过充电的出现，图2-1所示为铅酸蓄电池以不同充电速率的电压和放电速率的电压及电量恢复的关系曲线。
从图2-1所示的铅酸蓄电池的充电电压与电池电量恢复的关系曲线可以看出，铅酸蓄电池充电电压的突然上升点就是铅酸蓄电池过充电的起始点，并且当铅酸蓄电池的充电率上升时，铅酸蓄电池过充电现象就出现的早些。
当铅酸蓄电池的电压突然急剧上升时，则表示出现了铅酸蓄电池的过充电现象，而过充电点的出现位置和铅酸蓄电池的充电速率有关，当铅酸蓄电池的充电速率增加，出现铅酸蓄电池过充电时，电池的充电电量减少，铅酸蓄电池出现过充电点正好和它充足电的时刻相对应。
在铅酸蓄电池的大充电速率的应用场合，对密封铅酸蓄电池应注意它的过充电问题，以确保铅酸蓄电池充足电，从图2-1所示的曲线可以看出，当铅酸蓄电池的充电率上升时，铅酸蓄电池过充电现象就会出现的更早些。
放电铅酸蓄电池电量恢复百分比
铅酸蓄电池电压
图2-1铅酸蓄电池的充电电压与电池电量恢复的关系曲线
第3章 铅酸蓄电池充电方法比较
常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。
其中最著名的就是“安培小时规则”：
充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。
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。
以下介绍铅酸蓄电池的几种充电方法。
3.1 恒流充电
恒流充电是指蓄电池充电时，采用分段恒流的方法进行充电，电流是通过调整充电装置达到的[2]。
如图3-1所示。
该方法的主要特点是有较大的适应性，可任意选择和调整充电电流。
图3-1恒流充电曲线
所以可对各种不同情况及状态的蓄电池充电，特别适用于小电流长时间的充电模式。
对由多数电池串联的电池组充电，有利于容量恢复较慢的蓄电池的充电。
该方式的不足是：
开始阶段充电电流过小，在后期充电电流又过大，整个过程时间长，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，充电效率不超过65%，充电时间均在15h以上。
目前国外已很少使用此方法。
3.2 阶段充电法
此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。
1．二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图3-2所示。
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[3]。
图3-2二阶段充电曲线
2．三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。
当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。
如图3-3所示。
这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速电方法使用，受到一定的限制。
图3-3三阶段充电曲线
3.3 几种快速充电技术
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少或轻，提高蓄电池使用效率。
快速充电技术近年来得到了迅速发展。
下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。
这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线。
3.3.1 脉冲式充电法
这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。
脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，如图3-4所示。
充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。
间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率[4]。
图3-4 脉冲式充电法
3.3.2 变电流间歇充电法
这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，如图3-5所示。
其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。
充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。
充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。
通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量[5]。
图3-5变电流间歇充电法
3.3.3 变电压间歇充电法
在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法，如图3-6所示。
与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。
图3-6变电压间歇充电法
3.4 恒压充电
恒压充电是对电池以某一恒定电压进行充电，并控制自动充电初期电流的充电方式。
它包括浮充充电及涓流充电。
此法是对每只单体电池以某一恒定电压进行充电。
因此充电初期电流很大，随着充电进行，电流逐渐减小，在充电终期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。
如图3-7所示。
该方法较简单，因为充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80%，如充电电压选择得当，可在几小时内完成充电[6]。
图3-7恒压充电的曲线
在铅酸蓄电池的充电过程中，为了确保它充足电，可以采用恒电压充电的方法。
适当地提高铅酸蓄电池的充电电压，但是又不能太高，以避免出现铅酸蓄电池过充电，但是又足以补偿由于铅酸蓄电池的自放电而引起的铅酸蓄电池电量下降。
所以要保持铅酸蓄电池的充电电压不变是必要的。
结论：
综上所诉，根据现今的市场需求，采用恒压充电的方式设计铅酸蓄电池充电器,使其达到最佳的充电效果，避免会发生过充。
利用51单片机与模拟电路结合的方式自动控制充电，使其效果最佳，延长铅酸蓄电池的使用寿命。
第4章 硬件设计
本文是以12V/4AH的铅酸蓄电池为例说明充电器的充电原理。
所以选用的铅酸蓄电池的型号是NT12-4。
充电器的供电通常采用的是模拟电源，其经济、实惠造价低，充电时电流一般小于1A。
对于一般的铅酸蓄电池来说，其功率通常在25W以下,电流在2A以下。
本论文的硬件流程图如图4-1所示：
图4-1 硬件流程图
4.1 整压稳流电路设计
铅酸蓄电池一般都有浮电。
NT12-4充电电压要求在13.5～14.5左右，所以通常取15V，其功率为15V×1A×0.25=3.75W。
220V市电电压经变压器降压获得滤波电压U2（U2=18V），经VD1～VD4桥式整流输出直流脉动电压，在输出端并联接上电容C6。
电容C6容量的选择：
在实际工作中，为了得到比较好的滤波效果，常常根据下式来选择滤波电容的容量（在桥式整流的情况下）：
RC≥（3～5）T/2 （式4-1）
式中T为电网交流电压的周期。
由于电容值比较大，一般为几十到几千微法，通常可选用电解电容器。
所以根据我们的经验，我们选择1000uF/24V的电解电容。
稳压管LM317的作用是稳压，使稳压管的输出电压为15V。
在稳压管LM317的1、2端口上并联电阻R2，其R2的作用是提高LM317输出地精确度。
在稳压管LM317的1端口上串联电阻R1，R1的作用在限流，防止可变电阻值为0时的输出电压过高。
R1串联一个可变电阻Rx。
Rx并联一个电阻R3，R3其作用是提高Rx的精确度。
C5为滤波电容，当稳压器离电源滤波器有一定距离时C5是必要的[7]。
电路如图4-
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