智能充电器的设计.docx

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智能充电器的设计

智能充电器的设计

智能充电器的设计　　　

    　　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为电能。

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，电解液是硫酸溶液的蓄电池。

    　　二、常用的蓄电池分类及特点

    　　1）普通蓄电池；普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液。

它的主要优点是电压稳定、价格便宜；缺点是比能低（即每公斤蓄电池存储的电能）、使用寿命短和日常维护频繁。

    　　2）干荷蓄电池：

它的全称是干式荷电铅酸蓄电池，它的主要特点是负极板有较高的储电能力，在完全干燥状态下，能在两年内保存所得到的电量，使用时，只需加入电解液，等过20-30分钟就可使用。

    　　3）免维护蓄电池：

免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。

它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。

使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。

市场上的免维护蓄电池也有两种：

第一种在购买时一次性加电解液以后使用中不需要维护（添加补充液）；另一种是电池本身出厂时就已经加好电解液并封死，用户根本就不能加补充液。

    　　三、电瓶的工作原理

    　　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。

    　　四、电瓶的主要用途

    　　铅酸蓄电池产品主要有下列几种，其用途分布如下：

    　　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；

    由于铅酸蓄电池维护简单、价格低廉、供电可靠、使用寿命长，广泛作为汽车、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。

随着经济的发展，大容量蓄电池的应用迅速增加，人们希望能快捷、安全地对蓄电池进行充电，而现有市场销售的充电器充电电流多为20A。

为了满足人们对大功率充电器的需求，设计了一款基于LPC933充电电流50A、充电功率740W、功能完善、可扩充的智能充电器。

铅酸蓄电池的制造成本低、容量大、价格低廉，使用十分广泛。

由于其固有的特性，若使用不当，寿命将大大缩短。

影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。

因此，设计一种全新的智能型铅酸蓄电池充电器是十分必要的。

    本文介绍一种基于单片机的通用智能充电器的设计。

充电器可以实时采集电池的电压、电流,对充电过程进行智能控制,计算电池已充的电量和剩余的充电时间;还可以通过串口和上位机进行通讯并给用户显示必要的信息,有虚拟仪表的作用;另外,它也可以改变参数,适应各种不同电池的充电。

这里列举几种不同的电池充电试验,来说明智能充电器的实用价值。

    1.1本课题的研究背景、发展及意义

    中国是全球铅酸蓄电池的产销大国，铅酸蓄电池已有200多年的历史，是一种应用广泛的动力电源。

具有原材料易得、价格低廉、可靠性好等优点，目前约有95％的市场占有率。

铅酸蓄电池作为稳定电源和主要的直流电源，需求广泛，用量巨大，与我们的社会生活息息相关

    由于铅酸蓄电池维护简单、价格低廉、供电可靠、使用寿命长，广泛作为汽车、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。

随着经济的发展，大容量蓄电池的应用迅速增加，人们希望能快捷、安全地对蓄电池进行充电。

因此，为了适应市场的需求，我们需要设计一种铅蓄电池智能充电器。

    1.2本课题的基本内容

    智能电瓶充电器的设计所涉及的基本内容大概有：

    第一，有关铅蓄电池的电化学原理和充放电原理。

    第二，关于充电器对铅蓄电池充电的原理及其电路设计。

    第三，涓电流对电池充电的原理及其特点。

    第四，充电器对充电过程的检测及其自动转换。

    第五，充电器在充电过程中对电池的保护功能。

    第六，电路设计及其元件的选择调试等。

    第二章　基本理论介绍

    2.1铅蓄电池充电理论基础

    上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图1所示。

实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。

原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了智能充电方法的研究方向。

    由图1可以看出：

初始充电电流很大，但是衰减很快。

主要原因是充电过程中产生了极化现象。

在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。

    蓄电池是可逆的。

其放电及充电的化学反应式如下

（1）

    很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。

可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。

理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。

但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行,这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。

在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。

    一般来说，产生极化现象有3个方面的原因。

    a）欧姆极化　充电过程中，正负离子向两极迁移。

在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。

为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。

该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。

随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。

    b）浓度极化　电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。

实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。

也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。

这种现象称为浓度极化。

    c）电化学极化　这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。

例如：

电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。

放电时，立即有电子释放给外电路。

电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢Me－eMe＋，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。

这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子M＋转入溶液，加速Me－eMe＋反应进行。

总有一个时刻，达到新的动态平衡。

但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。

也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。

同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。

    这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。

    2.2充电方法的研究

    2.2.1常规充电法

    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。

    一般来说，常规充电有以下3种。

    a）　恒流充电法

    恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图2所示。

控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。

    b）阶段充电法

    此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。

    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。

    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。

这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。

    c）恒压充电法

    这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。

但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。

    鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。

例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。

    2.2.2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。

    a）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5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。

    b）Reflex快速充电法

    这种技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是镍镉电池。

由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池的记忆效应，因此，大大降低了蓄电池的快速充电的时间。

铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉电池有很大的不同，但它们之间可以相互借鉴。

    如图6所示，Reflex充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲，反向瞬间放电脉冲，停充维持3个阶段。

    c）　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7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。

    d）　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8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。

    比较图7和图8，可以看出：

图8更加符合最佳充电的充电曲线。

在每个恒电压充电阶段，由于是恒压充电，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。

    e）　变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法

    综合脉冲充电法、Reflex快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间歇充电法的优点，变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法得到发展应用。

脉冲充电法充电电路的控制一般有两种：

    ⅰ　脉冲电流的幅值可变，而PWM（驱动充放电开关管）信号的频率是固定的；

    ⅱ　脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。

    采用了一种不同于这两者的控制模式，脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进更多的电量，提高蓄电池的充电接受能力。

    2.3脉冲快速充电法的理论基础

    理论和实践证明，蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程。

一般地说,充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降,不可能自动按恒流或恒压充电。

充电过程中影响充电的因素很多,诸如电解液的浓度、极板活性物的浓度、环境温度等的不同,都会使充电产生很大的差异。

随着放电状态、使用和保存期的不同,即使是相同型号、相同容量的同类蓄电池的充电也大不一样。

    1972年，美国科学家马斯在第二届世界电动汽车年会上提出了著名的马斯三定律，即

    a）对于任何给定的放电电流，蓄电池充电时的电流接受比a与电池放出的容量的平方根成反比，即

（1）

    式中：

K1为放电电流常数，视放电电流的大小而定；

    C为蓄电池放出的容量。

    由于蓄电池的初始接受电流Io=AC，所以

    I0=AC=K1（根号C）

（2）

    b）对于任何给定的放电量，蓄电池充电电流接受比a与放电电流Id的对数成正比，即

    a=K2logkId

    （3）

    式中：

K2为放电量常数，视放电量的多少而定；

    k为计算常数。

    c）蓄电池在以不同的放电率放电后，其最终的允许充电电流It（接受能力）是各个放电率下的允许充电电流的总和，即：

    It=I1＋I2＋I3＋I4＋...

    （4）

    式中：

I1、I2、I3、I4...为各个放电率下的允许充电电流。

    综合马斯三定律,可以推出，蓄电池的总电流接受比可表示为

    α=It/Ct

    （5）

    式中：

Ct=C1＋C2＋C3＋C4＋...为各次放电量的总和，即蓄电池放出的全部电量。

    马斯三定律说明，在充电过程中，当充电电流接近蓄电池固有的微量析气充电曲线时，适时地对电池进行反向大电流瞬间放电，以消除电池的极化现象，可以提高蓄电池的充电接受能力，如图1所示。

也就是说通过反向大电流放电，可以使蓄电池的可接受电流曲线不断右移，同时其陡度不断增大，即α值增大，从而大大提高充电速度，缩短充电时间。

    2.4充电方法设计

    基于上述理论，并考虑到铅酸蓄电池自身的一些特性，本文介绍的快速充电装置所采用的充电方法将整个充电过程分为了预充电、脉冲快速充电、补足充电、浮充电4个阶段，如图9所示。

根据蓄电池充电前的残余电量，进入不同的充电阶段。

    2.4.1预充电

    对长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池充电时，一开始就采用快速充电会影响电池的寿命。

为了避免这一问题要先对蓄电池实行稳定小电流充电，使电池电压上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阈值时再进行大电流快速充电。

    2.4.2脉冲快速充电

    在快速充电过程中，采用分级定电流脉冲快速充电法，将充电电流分成三级，如图10所示。

开始充电时采用大电流，随着电池容量的增加，电压逐渐升高，电流等级开始降低，使充电电流的脉冲幅度和宽度随蓄电池端电压的升高而分级减小。

采用这种方法可以消除充电接近充满时易出现的振荡现象及过充电问题。

    在脉冲快速充电过程中，电池电压上升较快，当电压上升至补足充电电压阈值时，转入补足充电阶段。

    2.4.3补足充电

    快速充电终止后，电池并不一定充足电，为了保证电池充入100％的电量，对电池还要进行补足充电。

此阶段充电采用恒压充电，可使电池容量快速恢复。

此时充电电流逐渐减小，当电流下降至某一阈值时，转入浮充阶段。

    2.4.4浮充电

    此阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，只要电池接在充电器上并且充电器接通电源，充电器就会给电池不断补充电荷，这样可使电池总处于充足电状态。

此时也标志着充电过程已结束。

    第三章　设计方案论证

    3.1控制方式

    3.1.1单片机的控制方式

    根据铅蓄电池脉冲魁岸素充电理论，可利用单片机的输出脉冲控制半桥式变换器的两个开关管V1、V2的通断。

单片机通过各种检测电路在充电过程中对铅蓄电池进行检测并做出相应的控制处理。

    铅蓄电池的充电温度可以通过温度传感器测量，将测出的电压量送至单片机的输入口，充电电压有两个分压电阻检测。

单片机通过检测的蓄电池的充电温度、充电电流、充电电压等，再经软件处理计算后控制主电路处于不同的充电状态：

预充电、脉冲快速充电、补足充电和浮充电。

　总体控制方案如11图所示。

    图11单片机总体控制方案

    3.1.2脉冲调制控制器SG2535的控制方式

    通过对电压、温度的检测控制脉冲调制控制器SG2535的输出脉冲宽度，以实现不同阶段的充电、暂停和终止充电。

本方案由脉冲调制控制器SG2535输出的脉冲控制开关管V1、V2的栅极，以达到控制充电状态的目的。

    3.2方案设计

    基于铅蓄电池的充电理论，充电器主电路采用半桥变换器高频开关稳压电源。

而控制电路通过单片机控制。

电网点先经过各种保护环节，在通过EMI滤波器除去共模信号。

桥式整流后，通过两电容分压，分压后与两开关管V1、V2相联。

组成半桥式功率变换器，将正弦交流电压变换成约高于充电电压的脉冲电压。

在经过半桥滤波和LC滤波电路使电压达到一较稳定值。

    控制电路由单片机AT89S51组成，电源由电网交流电经过变压器变压、全桥整流、稳压管稳压后提供。

单片机通过检测温度传感器的电压信号，以软件的方式控制输出脉冲，从而控制开关管的通断。

另外，通过检测充电电压和电流值，控制单片机输出脉冲宽度，以进入不同的充电阶段。

    第四章　硬件电路设计

    4.1充电器主电路设计

    4.1.1整流电路设计

    a）桥式整流

    由于单相半波整流只利用了电源电压的半个周期，同时整流电压的脉动较大。

为了克服这些缺点，这里采用全波整流电路--单相桥式整流电路。

单相桥式整流电路由4个整流二极管接成电桥的形式构成，如图12所示。

    图12　桥式整流电路

    由电路图可知，无论电压U2是在正半周还是负半周，负载上都有相同方式的电流流过。

因此，在负载得到的是单相脉动电压和电流。

忽略二极管导通时的正向压降，则单相桥式整流电路的波形图如下。

    图13　桥式整流电路的输出波形

    单相半波整流电压的平均值为：

    二极管截止时承受的最高反向电压为U的最大值，即　　　

    UDRM=U2M=1.414U

    =1.414×220V

    =308V

    因此，所选用的整流二极管的最高工作电压为1000V。

    b）电容滤波电路

    电容滤波电路是在整流电路的直流输出侧与负载并联电容器，利用电容的端电压在电路状态改变时不能突变的原理，使输出电压趋于平滑。

电容滤波电路如下所示。

    　　　　　　　　　　　　　　　　图14　电容滤波电路　　　　　　　　

    本电路的输出电压在负载变化时波动大，说明它的带负载能力差，只适合于负载较轻且变化不大的场合。

电路简单，输出电压高，只是输出电压不稳定。

    电容滤波是的输出电压平均值为：

    全波：

　　U3=（1.2～1.4）U1

    =（1.2～1.4）×220V

    =264V（取1.2）

    4.1.2半桥逆变电路

    半桥逆变电路由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成。

电路图如下所示。

直流侧接有两个相互串联切足够大的电容器C1和C2，满足C1=C2。

    图15　　半桥逆变器电路

    在一个周期内，开关管V1、V2的基极信号各有半周正偏、半周反偏，且互补。

设在t2时刻以前V1导通，V2截止，则U4=±1/2U3。

    t2时刻V1截止，同时给V2发出导通信号，由于感性负载中的电流i不能立即改变方向，于是D2导通续流。

U4=－1/2U3。

    t3时刻i0降至零，D2截止，V2导通，i0开始反向增大。

此时仍然有U4=－1/2U3。

    t4时刻V2截止，同时给V1发出导通信号，由于感性负载中的电流i0不能立即改变方向，于是D1先导通续流。

此时仍然有U4=＋1/2U3。

    t5时刻i0降至零，V1导通。

U4=＋1/2U3。

    由上分析可知，输出电压U4周期为TS矩形波，其幅值为1/2U3。

当V1或V2导通时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量。

而当D1或D2导通时，负载电流和电压反方向，负载中电感的能量向直流侧反馈，即负载将起吸收的无功能量反馈回直流侧，反馈的能量暂时存储在直流侧的电容中。

该电容起缓冲这种无功能量的作用。

半桥逆变电路输出电压波形如图所示。