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最新版机械专业毕业论文

本科毕业论文（设计）

论文（设计）题目：

蓄电池智能均充系统设计

学院：

_____机械工程学院　

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

＿___机自071班＿＿__

学号：

＿___＿＿__

学生姓名：

＿＿＿＿_____

指导教师：

＿__＿＿

2011年5月２5日

贵州大学本科毕业论文（设计）

诚信责任书

本人郑重声明：

本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。

毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

特此声明。

论文（设计）作者签名：

日期：

摘要IV

关键词IV

第一章绪论1

1.1、蓄电池的介绍1

1.1.1、蓄电池的现状与前景1

1.1.2、铅酸蓄电池的工作原理1

1.1.3、蓄电池的充电理论基础2

1.1.4、充电方法的研究3

1.2、课题的应用背景4

1.3、课题的研究意义5

第二章串联蓄电池组均衡法6

2.1、引言6

2.2、蓄电池的不一致性6

2.3、蓄电池组中各蓄电池容量不一致的影响6

2.4、各种均衡充电的方法7

2.4.1、电池单体电压均衡法7

2.4.2、电容切换均衡法8

2.4.3、多绕组变压器均衡法8

第三章总体设计9

3.1、系统的设计要求9

3.1.1、系统的基本功能9

3.1.2、系统的理想技术指标9

3.2、充电方法的选择9

3.3、系统总体框图10

第四章各电路（元件）的设计11

4.1、单片机的选择11

4.2、整流电路的设计11

4.3、滤波器的选择12

4.3.1、电容滤波器12

4.3.2、电感电容滤波器12

4.3.3、π形滤波器12

4.3.4、滤波器的选定13

4.4、开关管的选择13

4.5、放电电路的设计13

4.6、采样电路14

4.6.1、蓄电池端电压的采样电路14

4.6.2、蓄电池温度采样16

4.7、蓄电池电压均衡电路17

4.8、AD转换器的选择18

4.9、显示电路20

4.10、DA转换器的选择21

4.11、时钟电路22

4.12、复位电路23

4.13、报警电路23

第五章软件部分设计24

5.1、系统程序流程24

5.2、显示子程序的设计25

5.3、模数转换子程序28

5.4、数模转换子程序29

第六章设计总结30

参考文献31

致谢32

基于单片机的蓄电池智能均充系统

摘要

随着电子技术的迅速发展,蓄电池正广泛运用于交通运输、电力、通信等领域的各种设备中。

它已经成为这些设备的最为重要的部件，其直接影响到设备的寿命和可靠性。

本文介绍了蓄电池的工作原理及充电的特性。

由于充电方法的选择对蓄电池的性能和寿命影响较大，因此本文还涉及到目前该领域中的充电方法。

通过综合考虑各个方面，我们选择了分阶段脉冲充放电的充电方法。

而实现脉冲充放电的方法有很多，这里主要利用了场效管作为开关管使用。

通过8051单片机发出电压控制信号，来控制开关管的导通与截止。

另外，本设计中还提出了电压均衡的实现方法，从而保证了蓄电池组串充时各节电池的充电状态基本上一致。

而这里的一个亮点就是，该系统能根据蓄电池组的周围环境温度变化而自动地调整其充电电压，使它们处于最佳的充电电压上。

本课题的研制，对蓄电池的大规模应用具有积极的促进作用，具有较强的实际意义与应用价值。

关键词：

蓄电池，单片机，充放电

BasedontheSCMarefullyintelligentbatterysystem

Abstract

Withrapiddevelopmentoftheelectronictechnology,batteriesarewidelyusedfortransport,electricpower,telecommunicationsandotherfieldsofequipment.Itbecomesthekeypartialoftheseequipments,itdirectlyaffectedtheequipmentlifeandthereliability.

Thispaperintroducestheprincipleofbatteryandchargerfeatures.Asthechargingmethodofchoicefortheperformanceandbatterylifeofgreaterimpact,thispaperalsorelatestothecurrentfieldofchargingmethod.Comprehensiveconsiderationofallaspects,weaphasedpulsechargedischargechargingmethod.Andtherearemanywaysofrealizingapulsechargedischargecharging,thisismainlyusedtomarketeffectivelymanageasaswitchtouse.Through8051SCMissuedvoltagecontrolsignals,itcouldcontroltheswitchconductionordeadline.Inaddition,thedesignthebatterychargingseriesisbasicallyconsistent.Andtheonebrightspotthechargevoltage.Theresearchofthissubjectwillplayanactiverole,andproducesignificanceandvalueonlarge-scaleapplicationofbattery.

Keywords:

battery,SCM,chargedischarge

第一章绪论

1.1、蓄电池的介绍

1.1.1、蓄电池的现状与前景

在蓄电池问世一百余年的时间里，由于蓄电池作为一种能源变换器可以方便的存储与提供电能，且具有可逆性好，电压特性平稳，使用寿命长，适用范围广，原材料丰富且可再生，使用及造价低廉等优点，得到了越来越广泛的应用，是社会生产经营活动中不可或缺的重要产品，在大力提倡环保节能、使用绿色能源的今天，蓄电池将具有更加广阔的发展应用前景。

蓄电池按其采用原料分，目前主要应用的多为铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池及锂离子电池。

其中铅酸蓄电池由于具有能够储存大量的电能、提供电流范围宽（从几安培到几百安培的电流）、价格低的特点，主要应用在工农生产中；而锂离子电池由于具有体积小、重量轻、安全可靠的特点，则广泛应用于各类小型设备、通讯设备与日常生活中。

虽然蓄电池产品不断更新换代，但就其充电方法上来讲却基本上仍然采用较为老套的常规方法，已经无法满足蓄电池生产企业对其产品质量检测控制、工农业生产和国防建设发展的需要，严重的影响了蓄电池产品的应用质量和使用寿命，制约与阻碍了蓄电池产品的发展。

1.1.2、铅酸蓄电池的工作原理

铅酸蓄电池由正极板（二氧化铅）、负极板（海棉状铅）以及电解液（硫酸）组成。

充电时，硫酸铅通过氧化还原反应分别恢复成二氧化铅和铅，电解液中的硫酸浓度增大。

放电时，正极板的二氧化铅和负极板的铅与电解液中的硫酸反应，生成硫酸铅，电解液中的浓度降低。

在充放电状态下，铅酸蓄电池的正、负极板上在进行不同的化学反应，产

生正负离子形成电流，称为成流反应。

正极的成流反应式：

负极的成流反应式：

电池的总反应式：

反应的中间过程可以表示为：

式中左方向为放电反应，右方向为充电反应。

研究发现:

电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。

也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。

由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。

1.1.3、蓄电池的充电理论基础

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1.1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，从而奠定了快速充电方法的研究方向。

由图1.1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。

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，而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。

1.1.4、充电方法的研究

（1）、常规充电方法

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1.2所示。

该控制方法简单，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。

二阶段充电法:

采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图1.3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：

充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。

与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。

用恒定电压快速充电，如图1.4所示。

由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。

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。

（2）、快速充电方法

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。

下面介绍目前的其中一种快速充电方法：

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1.5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。

1.2、课题的应用背景

蓄电池因其可循环再充电的特性，以及成本低廉、使用安全、无污染等优点，在目前的工农业生产中的需求正日益增大。

相应的，免维护蓄电池的快速充电技术也引起了普遍地关注。

一方面，传统的充电方法充电时间过长，远不能适应现代生产和生活的需要。

资料表明，使用传统的恒压或恒流充电方法一般需要大约20小时左右的时间才能充满。

另一方面，充电技术不能适应免维护蓄电池的特殊要求，会严重影响蓄电池的寿命。

国内外多年来的实践证明，免维护电池浮充电压偏差5%，电池的浮充寿命将减少一半。

统计数据表明，国内通信设备和UPS中的免维护电池很难达到规定的浮充寿命（12～16年），大量的免维护电池在使用几年后即报废，造成巨大的经济损失。

在其他方面，由于充电方法不正确，免维护电池也很难达到规定的循环寿命。

1.3、课题的研究意义

蓄电池作为一种能源变换器，充电时将电能转变成化学能储存起来，而放电时将化学能转变为电能。

充电是放电的逆反应，充电的反应物就是放电的生成物，所以充放电过程对于蓄电池来讲是十分重要的。

但在以往的蓄电池实际使用中，往往过分强调蓄电池的放电能力与使用寿命，常常忽略了蓄电池充放电过程对其产生的严重影响。

研究与实践表明，蓄电池组的寿命远远不及单体电池的寿命。

蓄电池组的循环寿命往往达不到厂商标称值。

很大部分原因是由于蓄电池组中电池单体不均衡。

对电池组充电时，目前普遍采用单一电源对串联电池组进行充电，此时流过各单体电池的电流大小相同，然而由于电池的化学，运行温度与湿度存在一定差异，可能导致电池的特性有所不同，单个电池的容量就不一致。

研究蓄电池组均衡充电是一个非常重要的课题，充电不均衡是影响蓄电池组寿命的主要因素之一。

蓄电池在循环使用的条件下，对充电条件的要求更为严格，同样的电池，在不同的充电条件下，会出现很大的差异，即所谓的电池的不一致性。

蓄电池的不一致性极大地降低了电池的使用水平，严重影响了装置的寿命，危及系统的安全。

因此，研究一种有效的充电均衡方法，弥补蓄电池在使用过程中电池的不一致性，最大限度地发挥电池的效用，延长电池的使用寿命，增加系统的安全性，是十分必要的。

第二章串联蓄电池组均衡法

2.1、引言

由于单体蓄电池电压和容量有限，因此大部分蓄电池系统使用的都是电池组，这些蓄电池组由单体蓄电池串联或并联而成。

在循环充放电过程中，由于各蓄电池化学组分的差异，蓄电池运行历史的不同，蓄电池的不一致性会不断扩大，导致在同一充放电条件下蓄电池充电终止电压不同。

若让电池系统在该情况下运行而不加以管理，蓄电池的使用寿命以及系统的可靠性均会受到影响。

为了延长电池组的使用寿命，必须使所有的蓄电池单体均保持在同样的放电深度，通过均衡充电的方法可加以解决。

2.2、蓄电池的不一致性

蓄电池的不一致性是指同一型号规格的电池的电压、内阻、容量等参数存在差异。

产生这种差别的主要原因有两个方面:

一是在制造过程中，由于工艺和材料均匀性问题，使得同批次出厂的同型号电池的容量、内阻等不完全一致;二是在电池装车使用时，由于电池组中各个蓄电池电解液密度、温度和通风条件等的差别，增加了蓄电池的不一致性。

在使用过程中，造成蓄电池的不一致性扩大的原因有：

蓄电池过充电、充电接受能力的差异和过放电的影响。

2.3、蓄电池组中各蓄电池容量不一致的影响

如上所述，组成蓄电池组的各电池的内阻、容量等参数的不一致性，会使电池组中容量低的蓄电池更容易过充电和过放电，从而使蓄电池组陷于电池极板硫化加剧，容量差距更进一步拉大的恶性循环中。

这不仅缩短电池的使用寿命，而且还会因为蓄电池极板硫化而内阻增大和有效活性物质减少，从而使蓄电池组充放电转换效率、输出功率和装置性能下降。

2.4、各种均衡充电的方法

串联蓄电池组均衡是指对串联蓄电池组中不同的电池（或电池组）采用差分电流。

串联蓄电池组中每个蓄电池的电流通常是一样的，因此必须给蓄电池组增加额外的元件和电路来实现蓄电池均衡。

电池组在串联充电过程中通过一定的装置和控制规则使每个电池单体都能充到自己的最大电量而又不过充。

如果没有充电均衡，那么由于蓄电池单体状况不一致，而流过其中的电流却是一样的。

这样，若充电的控制规则以大容量电池的充电情况作为判据，则小容量电池必定过充;相反，若以小容量电池的情况作为判据，则大容量电池不能充满。

目前国内外对于蓄电池的充电均衡方面做得比较成熟，有很多充电均衡的资料和系统可供借鉴。

大致而言，充电均衡电路可分为以下几类:

2.4.1、电池单体电压均衡法

如图2.1所示为蓄电池单体电压均衡法的拓扑结构。

在每个单体蓄电池上附加一个均衡电路，它可以起到分流作用。

其中，最简单的方法就是在串联电池组中的每个单体蓄电池都并联一个大电阻。

电压较高的蓄电池将会在并联的电阻上消耗较多的能量，尽管这种方法简单，而且便于实施，但这种方法是以消耗大量能量为代价。

而且，电阻的大小难以确定，太大均衡效果不明显，太小功耗却较大。

另外，还可以利用三极管和电阻进行串联来实现ICE，在这种模式下，当某个蓄电池首先达到满充时，其均衡装置能阻止其过充并将多余的能量转化成热能，同时可以对没有充好的蓄电池继续充电。

虽然这种方法也会消耗大量能量，但与纯电阻实现ICE相比较要优越得多。

2.4.2、电容切换均衡法

如图2.2所示为电容切换均衡法，这种方法是利用电容在蓄电池组间来回切换实现电压均衡充放电，通过单刀双掷的双向开关进行切换。

每个电容都与相邻的两个蓄电池相连。

均衡充电时，电容通过其控制开关交替地与相邻的两个蓄电池相连，接受电压高的电池充电，并向电压低的电池放电，直到两电池电压趋于一致。

这种方法不用消耗能量，效率明显高于上种方法，因此实际应用中较为常见。

但是这种方法由于引进电容，所以均衡频率受到一定限制。

2.4.3、多绕组变压器均衡法

图2.3所示为多绕组变压器均衡法拓扑结构。

理论上，如果变压器的副边绕组匝数相等时，它们就能提供相同的电压对各单体蓄电池充电，由此达到电压均衡的目的。

然而实际上，任何相互耦合的绕组之间的耦合系数都不可能为1，因此在实际应用中我们必须考虑变压器的漏感，还有副边绕组之间的互感，在这种情况下，即使副边绕组的匝数完全相同，它们也未必提供相同的充电电压。

所以，这种方法的重点是如何减小绕组的漏感和互感的影响。

第三章总体设计

3.1、系统的设计要求

3.1.1、系统的基本功能

1.充电过程可以在系统的控制下智能地快速地完成；

2.充电过程中，实时监测并显示电池的电压和温度；

3.电池充满电后，自动转入浮充状态。

3.1.2、系统的理想技术指标

根据实际需要，设计的充电系统应该满足对相应蓄电池进行理想的快速充电。

因此对本系统的电源提出下面的理想技术指标：

一、充电电源空载输出电压＞40V

蓄电池组由8节蓄电池构成，每节电池的充电极限状态或高阻抗电池的充电饱和电压为5V，则8节电池的极限端电压为8×5V=40V，因此电源开路电压必须在40V以上。

二、电源的充电电流可在0～4A范围内调整

在充电系统的工作中，应能够根据使用者的需要来改变充电电流的大小。

根据实际情况，我们要求充电电源可以输出的充电电流的大小可由程序控制，在0～4A范围内调整。

3.2、充电方法的选择

充电方法的选择是非常重要的，不同的充电方法，其充电速度的差别可能很大，导致的充电效果的差距也会很大。

针对传统充电方法充电缓慢，安全性能不好等缺点，本系统选择的快速充电方法，一方面要求能够最大程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，提高充电速度:

另一方面，又要保证蓄电池负极的吸收能力足以及时地吸收正极所产生的氧气，以避免电池的极化现象。

以这种标准为出发点，选择了分级电流脉冲快速充电法。

在快速充电过程中，采用定电压脉冲快速充电法，将充电电流分为三级，如图3.1所示。

开始充电时采用大电流，随着容量的增加，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少。

采用这种方法可以消除充电接近充满时出现的振荡现象及过充电问题。

3.3、系统总体框图

交流220V的电流，经变压器降压成66V的交流电，再通过桥式整流和滤波器后，转换成较为平滑的直流量。

而单片机通过发出脉冲控制信号，控制开关管的导通与截止，从而对蓄电池组进行充放电，如图3.2所示。

图中的电池端电压采样装置和电池组温度检测装置，分别对蓄电池组中的每节电池的端电压和电池组的周围环境温度进行实时检测，通过放大电路放大后，将检测的信号送AD转换器转换成数字量，输入到单片机上。

单片机内部经过一系列运算，求出由于温度变化而引起的充电电压变化量ΔU，将该值经DA转换后转换成模拟量，输入到减法运算器上，使充电电压适应周围环境温度的变化。

这里还有一个均压装置，对串联蓄电池组进行电压均衡操作，使各节蓄电池的充电状态尽量接近一致。

第四章各电路（元件）的设计

4.1、单片机的选择

目前常用的单片机主要有MCS-48、51、96系列。

其中，MCS-96系列是16位单片机。

而MCS-51系列单片机是目前8位微机中性能价格比最佳，应用较多的系列产品。

MCS-51系列单片机包括8051、8751、8031三种产品。

它们的功能相同，主要区别在于：

8051片内有4KB的ROM；

8751片内有4KB的EPROM；

8031片内无ROM或EPROM，使用时必须配置外部的程序存储器EPROM。

本系统的精度要求不高，8位的单片机已经足够了，而且运行程序不多，可以直接选用有ROM的8051单片机，无需另外扩展程序存储器。

它有4KB的ROM和128B的RAM，其管脚图见［8］所示。

它有四个8位的并行IO口，分别记作P0、P1、P2、P3。

其中P0是访问外存储器的低位地址和数据总线。

P2口，在访问外存储器时，输出高位地址字节。

P3口具有第二功能，它实现第二功能时，必须在相应的输出锁存器里写入“1”。

这四个IO口的输入低电平：

-0.5～0.8V；输入高电平：

2.0～VCC+0.5V；输出低电平：

≤0.45V；输出高电平：

≥2.4V。

4.2、整流电路的设计

整流电路是将交流电压变换为单向脉动电压。

为了有效地利用交流电源的正负极性，本设计选择了桥式整流电路。

而其中的整流元件有晶体二极管、电子二极管或晶闸管，这里选则最常用的晶体二极管作为整流元件。

如图4.2所示，它利用了晶体二极管的单向导通性，在正电流时，晶体二极管1和3导通，而在负电流时，晶体二极管2和4导通，这样就使输出端输出单向的电流。

4.3、滤波器的选择

滤波器是减小整流电压的脉动程度，以适合负载的需要。

目前，常用的滤波器有电容滤波器、电感电容滤波器、π形滤波器等。

4.3.1、电容滤波器（C滤波器）

如图4.2所示，它的电路简单，输出电压较高，脉动也较小；但是外特性较差，且有电流冲击。

因此，电容滤波器一般用于要求输出电压较高，负载电流较小并且变化也较小的场合。

4.3.2、电感电容滤波器（LC滤波器）

如图4.3所示，电感电容滤波器比C滤波器能滤掉更多的交流分量，可以得到甚为平直的直流输出电压。

但是，由于电感线圈的电感较大（一般在几亨到几十亨的范围内），其匝数较多，电阻也较大，因而其上也有一定的直流压降，造成输出电压的下降。

具有LC滤波器的整流电路适用于电流较大、要求输出电压脉动很小的场合，用于高频时更为适合。

4.3.3、π形滤波器

如图4.4所示，π形滤波器的滤波效果是三者中最好的，所以这种滤波电路主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。

4.3.4、滤波器的选定

由