基于单片机控制的智能充电器设

1、 基于单片机控制的智能充电器设 电子信息工程：何娇艳 指导老师：朱成云摘要 据环境部门统计，目前大气污染的42来源于交通运输，随着人们生活水平的提高，汽车保有量会迅速增加，污染的比例也会相应提高，预计到20lO年汽车尾气造成的大气污染将占空气污染的64，这将严重破坏和影响人们赖以生存的地面生态系统。 随着能源的日益紧缺和大气污染的加剧，从我国国情和人们的消费水平出发，电动车具有广阔的发展前景。开发实用、安全、清洁的移动电源，寻求相关的节能、环保解决方案一如发展新型电动车，成为当前各国的迫切任务。作为电动车核心部件的电池及其充电器，其性能的优劣，直接影响电动车的质量状况，因此，研制性能良好的智能

2、充电器，会带来显著的经济效益和良好的社会效益。 关键字：1 绪论1.1选题背景中国对汽车的需求量日益增加，现已成为世界上第三大汽车消费国。在以后的十年里中国汽车的需求量将稳步上升，将成为世界上第二大汽车市场。到2013年预计中国汽车需求量将达到1100万辆，但人均保有量低，预示着国内汽车市场潜力仍然巨大嗍。纯电动汽车具有低噪声、零排放、综合利用能源的优点，是汽车工业解决能源危机和环境污染这两大突出难题的重要途径，有着广阔的应用前景和巨大的发展空间。如今限制电动汽车发展的瓶颈主要是动力电池能源问题，而改计。进电池特性是一个漫长的过程，那么在车载电池能量不足时，需要用充电设备及时地对电池充电。本文

3、就是基于这样一个背景，以车载智能充电器为研究对象，对控制方法进行了研究，并对系统进行了设1.2国内外研究现状 电池作为电动车动力来源，纯电动汽车是完全由二次电池(如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池)提供动力的汽车。由于纯电动汽车完全消除了车辆在运行中的废气排放，完全使用二次能源电池，使其更符合能源持续利用战略；电动车节能，无尾气排放，无噪音，缓解了机动车尾气对大气的污染；是解决环境与能源问题的有效途径 目前应用于电动车的可充式二次电池主要有：铅酸(Lead Acid)电池、镍镉(Nickcl CadIni啪)电池、镍氢(Nickel Metal HydIidc)电池和锂(Litlli啪

4、)电池。一电池技术得发展动力电池技术是推动电动汽车发展的关键。电动汽车用电池的发展大致经历了三个阶段：第一阶段采用铅酸蓄电池；第二阶段采用的有镍镉、镍氢、钠硫、钠氢化镍、锂聚合物、锂离子、锌空气和铝空气蓄电池等多种蓄电池；第三阶段采用以燃料电池和飞轮电池为代表的蓄电池，其它还有太阳能蓄电池等。随着电池技术的发展，还会出现更高性能的电动汽车用蓄电池。电动汽车动力电池的主要性能指标包括比能量、能量密度、比功率、功率密度、寿命、快速充电性能及成本。另外，对动力电池的安全性、可靠性、充电方便性和维护性都有一定的要求。1、镍一氢电池(NiMH)此类蓄电池的比能量高，有较高的比功率，寿命长，材料来源丰富(

5、我国有丰富的稀土资源)，污染轻等优点，被认为是较好的电动车用蓄电池。但是由于NjMH蓄电池的技术未臻成熟，格贵，单体电池电压低，使用时串联电池个数多，而且均匀一致性较差，限制了蓄电池组实际可使用的寿命。尤其是镍氢电池在高温时自放电率会增高，造成电容量下降的缺点。因此认为NiMH蓄电池在电动车上应用的地位是暂短的、过渡性的，将来的市场份额是有限的。2、锂离子蓄电池和聚合物锂离子蓄电池锂离子蓄电池和聚合物锂离子蓄电的比能量更高，有较高的比功率，寿命长，污染轻等优点，被认为是有希望的电动车用电池。但因内含锂活性物质，易产生化学作用，遇火、氮、酸或氧化剂时，可能会有爆炸或着火危险等安全性问题成为影响锂

6、离子蓄电池和聚合物锂离子蓄电池在电动自行车上应用的主要制约因素。它们将成为用于高端电动车的电池，将是继铅酸蓄电池之后所占比例较大的电池。但受价格限制，暂时所占比例不会很大。3锌空电池 锌空电池是金属一空气电池的一种，属于半燃料电池范畴。它有比能量高，原材料丰富，价格不高，污染轻等优点，被认为是电动车用电池的有竞争力的候选者。电动车要取代燃油发动机车，得到迅猛发展，必须克服以下几个技术难点 二。充电技术的发展充电方式的选择直接影响着电池的使用效率和使用寿命，充电技术近年来发展非常迅速。充电器的发展经历了三个阶段：1限流限压式充电器；2恒流限压式充电器；3自适应智能充电器1限流限压式充电器最原始的

7、就是限压式充电，然后过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅放，其寿命表述就是时间，没有次数，比如10年。这种充电模式的效果较差。2恒流限压式充电器这是充电器发展的第二阶段这种模式的充电器占据了充电器市场近半个世纪。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。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，并且该电流是用调整充电装置来达到的。其主要特点是此充电方法有较大的适应性，可以任意选择和调整充电电流。因此可以对各种不同情况及状态的蓄电充电。恒压 充 电是指每只单体电池均以某一恒定电压(一般取单格电池数x2.5V )进行充电。其主要特点为:充电初期电流

8、相当大，蓄电池电动势和电解液相对密度上升较快，随着充电的延续，充电电流逐渐减小，在充电终期只有很小的电流通过;充电时间短、能耗低，一般充电4-5小时后蓄电池即可获得本身容量的90%-95%:如果充电电压选择得当，8小时即可完成整个充电过程，且整个充电过程不需人照管，所以广泛应用于补充充电。3自适应智能充电器随着大规模集成IC的出现，充电设备进入了一个全新的自适应、智能阶段，即称为第三代充电器一、数字化 传统的蓄电池充电器多为模拟电路充电器，存在较大的弊端。其外围器件多、电路复杂、成本高、设计困难，维修困难、维护和扩展性能差、可靠性不高，充电方法落后、充电时间往往较长。 二、智能化 从充电系统上

9、来看，近年来国外的充电系统在产品和技术上都取得了长足的进展，先进的技术(如计算机技术、控制技术、人工智能技术、模糊控制技术等)使得充电产品从单一型充电器向多功能、安全型、智能型充电系列产品转化。 三、网络化大型充电站的设计要考虑充电器的网络化，包括电气上的可并联信息上的可通信、任务上的互操作等。1.3本课题研究的内容和意义电动车的开发在全球范围内未能深入展开，其中，最重要也是最困难的一个问题是“充电”问题，主要是指充电模式和参数。在中国，电动车的大力发展已经是迫在眉睫的事情，因而充电器及充电技术处于十分关键的位置。一个性能优良的充电器要解决一系列理论问题，例如，防止或尽量减少极化效应；防止出现

10、热失控，防止或尽量减少失水效应；防止充电所形成的不可逆盐化，等等。目前由于传统的充电器充电速度慢，充电时间长、充电有效容量低、循环奉命短、对电池易损伤，快速充电技术至今未能完全2. 智能充电器的总体设计、检测方法、原理3. 硬件设计智能充电器的硬件设计主要包括电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组等,形成了一个闭环系统。下面对系统的工作原理分几个部分进行简述。1.处理器 处理器采用51系列单片机89C51（如图所示）。89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory

11、）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机内部有两个定时器、两个外部中断和一个串口中断、三个八路的I/O口,采用11.0592MHz的晶振。 单片机的任务是通过采样电路实时采集电池的充电状态,通过计算决定下一阶段的充电电流,然后发送命令给控制器控制电流的大小。单片机通过串口RS232和上位机相连,用于存储数据和虚拟显示。2.采样部分 电压和电流采样采用模/数转换器AD574。AD574为15V双电源供电,12位输出,最大误差为4bit,合计电压0.01V。充电电流通过电流传感器MAX471转换为电压值。电流采样的电压值和电池组的端电压值两者经过模拟开关CD4051,再经过电压跟

12、随器输入到AD574,分别进行转换,其结果由单片机读取,并进行存储和处理。 充电电流通过电流传感器MAX471转换为电压值。 电流采样的电压值和电池组的端电压值经过模拟开关CD4051,再经过电压跟随器LM258输入到AD574,分别进行转换,其结果由单片机读取,并进行存储和处理。主要的电路连接如图所示需要采集的电压信号有充电电压、输入电容电压，考虑成本问题和精度要求，采用了差分电路实现电压采样。 电压采样需要采集的电压信号有充电电压、输入电容电压，考虑成本问题和精度要求，采用了差分电路实现电压采样，其原理图如图所示。LF353为运算放大器，在理想运放情况下，两输入端存在“虚短”与“虚断”现象

13、，从而推出LF353的输出电压公式为：参考电压VREFHI为33V，可变电阻W06、R41、R42组成调零电路，调节可变电阻W06使输入为0时，输出为165V，使0-165V表示负电压，165-33V表示正电压。差分电路要求两臂上的电阻阻值稳定且相等，但是电阻值随着流过电流和环境温度难免有所变化，因此此方法采样难以做到很高的精度。 电流采样需要采集的电流信号有直流母线电流和充电电流，采用霍尔电流传感器HYl5P。 该传感器为一种磁场平衡式的电流传感器，其基本工作原理是主回路电流所产生的磁场，通过次级线圈中的电流所产生的磁场进行补偿，霍尔器件检测磁场的大小，并调节次级线圈中的电流大小，使磁场保持

14、平衡。3.控制器 充电器的控制电路主要由充放电电压电流控制和保护两部分构成，其核心是微处理器AD u C812单片机，控制电路框图如图所示。电源变换器为固定占空比开环控制。电流可逆双象限变换器的控制方式为双闭环控制，MOSFET管Q2, Q3的PWM控制信号由控制芯片SG1525A产生。当变换器的工作方式不同时，其控制也不同。 系统充放电控制模块原理框图如图所示，图中电压和电流的给定值均来自单片机AD u C812的D/A输出，由软件设定，易于实现智能充电控制。整个系统控制为双闭环控制，外环为输出电压环，保证输出直流电压恒定。内环为输出电流环，其给定为电压调节器的输出，同时具有限流的功能;如果

15、为电流控制充电方式，则使电压环饱和并退出控制，整个控制电路中仅电流环起作用，目的是保证充电器能根据蓄电池在任意环境温度下，能够接受的安全电流，对电池进行充电。当蓄电池充足电后，充电器工作在恒压充电方式时，以对蓄电池提供很小的均衡电流。当充 电 器 工作在放电工作方式时，电压调节器总是处于饱和状态，此时仅电流环在工作，其实质为电流控制环。电流调节器工作，使电感电流等于设定值，由于放电时电感电流方向与充电时相反，所以电流检测信号应先经绝对值电路进行极性变换。 另外控制器采用脉宽调制( PWM)方式控制供电电流的大小。PWM发生器由另一个20MHz的单片机构成,主控制器和它采用中断的方式进行通讯,控

16、制其增大或减小脉宽。 PWM信号通过光电隔离驱动主回路上的MOSFET。开关管、二极管、LC电路构成开关稳压电源。用PWM方式控制的开关电源可以减小功耗,同时便于进行数字化控制,但母线的纹波系数相对较大。 充电控制器采用数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)，它具有处理性能好(30MIPS)，外设集成度高，程序存储器大，AD转换速度快等特点【401。DSP采用程序和数据分离的哈佛结构，流水线操作，具有专门的硬件乘法器，可以用来快速实现各种数字信号处理算法。 它内置AD转换器，串行通信接口，串行外设接口，符合CAN20B规范的CAN通信模块。最重要的是两个功能

17、强大的事件管理器模块，它们包括通用定时器单元、比较单元、捕获单元和正交脉冲编码电路，使其可广泛应用于电力电子各领域。4.充电器保护电蓄电池充电器质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。在电气技术指标满足正常使用的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作.必须设计多种保护电路，比如软启动电路，防过压、欠压、过热、短路、缺相等保护电路4. 软件设计1.数据测量在单片机的测量中,电池电压值和电流测量值经过多路选择器进行选择,然后通过A/D转换器转换为16进制数,直接存入单片机。电池电容量C则需要间接计算,由于每个循环周期检测电流一次,故可以利用电流值的积分求出电容量C。考虑电池内阻

18、r的影响,可以得到计算电容量的计算公式为:Cn+1=Cn+It-I2rt充电时间和剩余充电时间由上位机进行计算,剩余充电间等于预设的充电时间与已充电时间的差值。其中,预设时间可根据电池的型号预先得到。2.单片机控制程序设计对于不同的电池和不同的参数,单片机需要设定不同的充电参数,选择不同的充电策略。另外,程序需要在电池过电流、过电压等异常情况下强制终止充电。以锂离子电池为例,一般采用恒流-恒压充电方式,其充电过程包括小电流预充电、大电流充电、恒压充电等几部分。 在控制恒定电流和恒定电压的过程中,采用比例控制,即如果充电电流I大于设定电流Is,就按照比例减小脉宽;反之按照比例增大脉宽。单片机还需

19、要接收和处理上位机的命令,并根据上位机的要求将数据实时回送给上位机。两者的通讯协议要在程序中预先设定。3.上位机处理程序设计上位机程序由VisualC+编写。其任务是每隔1秒钟向串口发送一个查询命令,并读取单片机回送的信息,提取充电电流、充电电压、工作状态等参数。参数经过数制转换和计算后进行显示。软件有着良好的用户界面,可以方便地观测电池目前的工作状态以及剩余充电时间等信息。上位机程序会同时把读到的数据存储到文件中,这些数据可以利用其它数学软件(如Mat-lab)进行处理。另外,程序在初始化时要把充电电池的型号参数发送给智能充电器,参数一般包括充电电池的种类(锂离子电池、镍镉电池)、充电电池的

20、容量(单位为mAh)等。根据不同的电池型号,单片机可以设定不同的充电参数,程序可以直接控制单片机的运行与停止。 智能充电器的软件设计图5是该智能管理系统的程序流程图。程序开始执行后，首先进行初始化并检测电池电压、电流、温度等信息是否正常。如正常则进入下一步，否则报警并关闭电路。如果电池电压在充电终止电压和放电终止电压之间，说明电池既可充电也可放电。 此时电路将判断接上充电机还是接上负载，以进行相应的充电和放电。如果两者都没有接，则循环检测过程。若电池电压已经到达充电终止电压，则等待负载的接入进行放电；同样若电池电压己经达到放电终止电压，则等待充电机的接入以进行充电。在整个过程中，该电路将始终实时检测电池信息，若有异