数字化快速充电系统设计附件

1、本科毕业设计(论文)附件题目：数字化快速充电系统设计院 （系）： 专 业： 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2012年 6月目录1 西安工业大学毕业设计（论文）开题报告2 西安工业大学毕业设计（论文）开题报告检查表3 西安工业大学毕业设计（论文）中期报告4 西安工业大学毕业设计（论文）中期检查表5 西安工业大学毕业设计（论文）指导教师评分表6 西安工业大学毕业设计（论文）评阅教师评分表7 西安工业大学毕业设计（论文）答辩暨综合评分表毕业设计(论文)开题报告题目：数字化快速充电系统设计院（系） 专 业 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012年3月6日1. 毕业设计（论文）综述（题目背

2、景、研究意义及国内外相关研究情况）1.1题目背景如今，随着越来越多的手提式电器的出现，对高性能，小尺寸，重量轻的电池充电器的需求也越来越大，电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速安全的充电。因此需要对充电过程进行更精确的监控，以缩短充电时间，达到最大的电池容量，并防止电池损坏。与此同时，对充电电池的性能和工作寿命的要求也在不断提高。从二十世纪六十年代的商用镍镉和密封铅酸电池到近几年的镍氢和锂离子技术，可充电电池容量得到了飞速发展。电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的,由于使用的化学物质的不同,电池有自己的特性.设计充电器时要仔细了解这些特性以防止过度充电而损坏电池

3、。1.2研究意义目前所装备的充电器大都采用固定模式对电池进行充电，缺乏自适应能力，不能实时控制充电状态。经常出现电池充电过度，充电不足或电池过热等诸多问题，缩短了电池的使用寿命，影响了电池设备的工作。为了解决目前存在的诸多问题，同时适应未来电子装备的数字化，信息化，研究出一种可给多种电池自适应充电的智能快速充电设备，已解决目前存在的问题。1.3国内外相关研究情况近年来，电设备越来越广泛的应用与各个领域，而且越来越复杂，对供电系统的要求也越来越高。除了系统的可靠性、效率、体积和重量等要求之外，一些新的要求在不断提出，例如emc（电磁兼容）的要求，智能化程度和自适应等，一个新型的充电器，不但具有传

4、统充电器的功能，还能识别被充电电池的类别，然后根据电池的参数，以及环境温度等自适应地生成充电曲线，使得被充电电池在最短时间内，以最佳的方式完成充电工作。在充电过程中，要不断地检测被充电电池的电压、电流和温度的变化情况及时调整充电曲线。2.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1研究主要内容根据锂离子、镍镉、镍氢电池的充电特性，完成快速充电系统设计。掌握智能充电理论和充电电源原理及应用。具体为：掌握充电电源的工作原理,种类，发展过程及当前的发展水平；掌握智能充电理论及ni-h，锂离子电池充电要求；充分对要制作的系统进行论证，充分掌握要害，并进行最佳设计；技术指标：输入电压范围

5、：20-28v直流；适用电池范围：适用于当前便携装备的锂离子，镍镉，镍氢可充电电池，标称充电值：3.6v，7.2v，12v，14.4v。充电时间可在30min内使被充电池所充电量不小于标定值得50%（限1ah电池）；充电电池容量：规定在0.6-2.0ah以内。输出电压：5v,12v;额定电流：2a+0.2a（2a-0.2a）；输出纹波:=<1%vpp；负载调整率=<1%。2.2研究方案根据本次设计的要求，设计的智能充电器必须能对镍镉，镍氢及锂离子电池组充电。并能够对充电过程进行实时监测，针对不同电池的不同充电状态做出及时调整，使之符合与其相应的充电曲线。对此,充电器的总体方案设计主

6、要有两部分组成，即ac/dc转换电路和充电控制电路。（1） ac/dc转换电路：ac/dc转换电路的原理框图如下图所示，ac/dc转换电路部分将市电220vac的电压转化为系统设计所要求的输出电压25vdc。该电路主要包括输入滤波器，整流器，dc/dc转换器，输出整流滤波器。220vac的市电经过输入滤波器能抑制大部分干扰信号。整流器将交流电整流滤波成直流电，然后经过dc/dc变换器得到充电所需的直流电压。为了抑制电压波动得到持续稳定的输出电压，在输出端添加一电压负反馈电路。输入滤波器220vac 25vdcac/dc转换器电路整流器dc/dc输出整流滤波器电压反馈pwm波产生（2）充电控制电

7、路：充电控制电路的原理框图如下图所示，充电控制电路以单片机xc164cm为核心控制充电电路对电池充电。并通过电流检测，电压检测等电路获得当前状态参数。并与设定各状态的标准充电电流，最大允许电池电压等比较。智能的控制和选择合适的充电模式，保证快速有效充电，并在电池组充满电时要及时结束充电。这时就要通过对被充电电池的电量，电压，电流变化等参数来判断电池电量的饱和程度，并决定是否停止充电。由于各个电池特性有所差异，因此各自的充电状态都不会相同所需充电时间也不会一样，所以要对每个电池的状态参数进行检测，比较处理后决定每个电池的充电状态转换及充电终止。整个充电过程的数据处理和控制调整都由单片机xc164

8、cm来完成。检测电路包括电压检测电路和电流检测电路。电压检测电路检测电池的端电压，分压后送入单片机，计算当前电池电压值。除反馈给充电电路，稳定充电电压外，还用来判断充电状态。在对镍镉，镍氢电池充电时，不断检测电压增量。当电压出现零增量或者负增量时，表示充满，停止充电。在对锂电池恒流充电时，检测到电压最大值，使充电状态转入恒压充电。电流检测电路通过与电池串接接入，检测电池的充电电流。led显示电路用来显示充电状态，供电状态，电池类型，供电电压。通过键盘上的按键来切换充电和供电状态。充电控制电路led显示xc164cm充电电路检测电路键盘电池3.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作重点：掌握锂离

9、子，镍镉，镍氢电池的充电特性，充电方法。难点：掌握xc164cm的控制方法。已开展的工作：明确设计方案，画出系统框图，选择主要元器件，学习锂离子，镍镉，镍氢电池得充电特性和充电方法。学习单片机xc164cm的控制方法。查看相关文献。4. 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）设计自2011年12月开始，未央校区进行，具体安排如下： 12周：知识储备阶段。收集相关资料和信息，并撰写毕业设计开题报告。34周：总体方案制定阶段。513周：系统硬件电路设计。 1415周：系统调试。 1618周：设计论文撰写阶段。对自己的整个设计论文的资料进行整理，对毕业论文进行修改、整理，准备论文答辩。 参考文

10、献1张占松、蔡宣三，开关电源的原理与设计，北京：电子工业出版社，1998年6月。2王鸿麟、景占松，通信基础电源，西安：西安电子科技大学出版社，2002年2月。3周志敏、周纪海，开关电源实用技术与设计，北京：人民邮电出版社 ，2003年8月。4曲学基等、稳压电源基本原理与工艺设计，北京：电子工业出版社，2004年1月。5杨旭、裴元庆、王兆安，开关电源技术，北京：机械工业出版社，2004年。6赵修科等，实用电源技术手册（磁性元件分册），辽宁科技出版社，2002年。7黄正佳，智能电源模板，电源技术，2002年。8数字化电池组说明书。9易继锴、侯媛彬，智能控制技术，北京：北京工业大学出版社，1999年

11、9月。10期刊论文：李丹、刘风春，li dan,liufengchun.基于a次单片机的智能充电器的设计与实现-电子工程师，2005.31（2）11阎石，数字电子技术基础，高等教育出版社。12童诗白、华成英，模拟电子技术基础，高等教育出版社。13xc164-16 user' manual,v2.1,infineon,march 2004.14ullah、zafar,fast intelligent battery charging: neural-fuzzy approach, ieee aerospace and electronic systems magazine ,1996.1

12、5b rviet，turboswitch in a pfc boost converter z. sgs-thomson microelectrtronics,1995.16张卫国、杨向忠，模糊控制理论与应用，西安：西北工业大学出版社，2004年7月。17孙传友、翁惠辉，现代检测技术及仪表，高等教育出版社，2006年5月。18ivo barbiet.al.buck quasi-resonant converter operating at constant frequency. analysis design and experimentation,ieeetrans.on power ele

13、ctronics，276283,vol.5,no.3,1990毕业设计（论文）中期报告题目：数字化快速充电系统设计院（系） 专 业 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012年5 月 7 日设计（论文）进展状况 本课题研究的主要内容是根据锂离子、镍镉、镍氢电池的充电特性，完成快速充电系统的设计。通过查阅相关资料，阅读大量文献，掌握了锂离子、镍镉、镍氢电池的充电特性。在此基础上，提出了总体设计方案和各分电路原理图的设计，具体如下：1.锂离子、镍镉、镍氢电池的充电特性1.1锂离子电池的充电特性单节锂电池正常工作电压为3.6v，充足电时电压可达4.2v，放完电时电压可降至2.7v。锂电池的充电与镍镉、

14、镍氢不同，其典型的充电曲线如图1.1所示。由图1.1可见，锂电池先经过恒流充电，待电压上升至最高电压a点后，再转至恒压充电，此时电池端电压保持不变。恒压充电时，电池的充电电流会降低，待电流降至b点即此时电流为恒流充电时电流的1/10时，认为电池已充满电，转至浮充维护充电。因此，锂电池充电时要经过恒流恒压两个充电过程。图1.1锂电池充电曲线1. 2.镍镉、镍氢的充电特性 单节镍镉电池正常工作时电压为1.5v，充电时其最高电压可达1.8v，放完电时，电压可降至1.2v以下。由于要求是给12v电池充电，所以12v电池的特性为：正常工作时电压为12v，充电时其最高电压可达14.4v，放完电时电压降至9

15、.6v以下。由于镍镉电池有记忆应因此在充电之前要先将其放电到10v以下，再进行充电。充电时主要采用一定电流充电，其典型的充电曲线见图1.2.1。 图1.2.1 镍镉电池的充电特性 图1.2.2 镍氢电池的充电特性 镍氢电池与镍镉电池的特性基本一致如图1.2.2，只是镍氢电池具有很弱的记忆效应，在充电之前无需放电，只需对其直接充电。充电曲线与镍镉电池充电曲线相似，只是充电电压到最高点后，电池端电压变化较小，此时出现零增量0v。此刻同样应对电池进入浮充维护状态。为了叙述方便，以后若无特别说明，负增量（-v）和零增量（0v）统称为v。2.总体设计方案 根据本次设计的要求，设计的智能充电器必须能对镍镉

16、，镍氢及锂离子电池组充电。并能够对充电过程进行实时监测，针对不同电池的不同充电状态做出及时调整，使之符合与其相应的充电曲线。对此，本次设计的主要设计电路包括电源电路、充电电路和充电控制电路。其主要功能是实施对电池组的快速充电，并实时监测电池电流，电池端电压及充电持续时间等参数。通过这些信息，判断出电池的实时充电状态，并对充电电流作出及时调整，从而实时而正确地控制充电过程。当检测到电池已充满时，会提示用户并且充电器自动进入浮冲维护状态。充电过程中，充电器设置有定时，电流保护和故障检测功能，如有异常将使充电器停止充电而保护电池。利用模糊控制理论对充电过程进行优化控制，使充电严格地按照具体电池理想的

17、充电曲线进行，实现对多种电压等级和不同类型电池的智能充电。系统的总体框图如图2.1所示。图2.1智能充电器的总体设计框图充电电池键 盘显 示xc164cm单片机控制电路电压电流测量电路pwm保护电路buck拓扑25v开关电源220v220v交流电压首先送入反激式开关电源进行ac/dc变换，使其直流输出电压为25v，再经过dc/dc变化转化为供电电压和充电电压。此充电电压不能直接对电池进行充电，必须经过充电电路，采用buck 拓扑结构,对ac/dc 变换电路所得的18-25v 的直流输入电压进行二次斩波,得到合适的充电电流、电压给电池充电。整个充电过程由充电控制电路控制，充电控制电路保证整个充电

18、过程的顺利进行，该电路通过充电电池接口和检测单元得到电池工作状态，同时，该电路还实时监测电路各部分工作是否正常，并提供保护功能。另外，键盘输入单元用于设定输出电压等参数，显示单元显示系统的工作状态和故障类型等信息。所以，本系统应当具备对电压、电流、温度的检测和保护电路，并且这些电路在对传统电池组充电时也是必不可少的。3.各分电路原理图设计3.1开关电源电路设计开关电源电路的主要任务是将市电220vac转化成充电所需的25vdc的电压。电源电路主要包括输入滤波器，整流器，dc/dc转换器，输入整流滤波器等电源变换电路。220vac的市电经过输入滤波器能够抑制大部份共模干扰和差模干扰。整流器将交流

19、电整流滤波成直流电，然后经过dc/dc变换器得到充电所需的直流电压。为了抑制电压波动得到持续稳定的输出电压，在输出端添加一电压负反馈电路。该电路由光电耦合器将检测到的电压状态参量反馈给控制电路。 3.2 ac/dc转换器电路的设计该部分电路主要包括：保险丝；滤波电容c1组成的主要用来对输入交流电滤波，消除共模干扰和差模干扰滤波网络；桥式整流电容滤波电路如图3.2所示。图3.2 单相桥式整流电容滤波电路3.3 dc/dc变换器电路的设计该电路主要是应用pwm调制的反激式开关电路，并由芯片top224y进行输出电压反馈控制，保持变换后的输出电压稳定。原理如图3.3所示。图3.3 dc/dc变换器电

20、路 3.4充电电路的设计充电电路由25v电压输入，通过一个由控制器控制的pwm调制的buck开关电路得到对电池充电所需的直流电压，对电池充电。原理图如图3.4所示。图3.4充电电路3.5充电控制电路的设计充电控制电路核心控制器xc164cm单片机控制充电电路对电池充电。并通过电流检测，电压检测，时间定时等电路获得当前充电状态参数。并与设定各状态的标准充电电流，最大允许电池电压，最长充电时间等比较。智能地控制和选择合适地充电模式，保证快速有效充电，并在电池组充满电时要及时结束充电。这时就要通过对被充电电池地电量，电压，电流变化，充电时间等参数来判断电池电量地饱和程度，并决定是否进入缓流维护状态或

21、者停止充电。由于各个电池特性有所差异，因此各自的充电状态都不会相同所需充电时间也不会一样，所以要对每个电池的状态参数进行检测，比较处理后决定每个电池的充电状态转换及充电终止。整个充电过程的数据处理和控制调整都由单片机xc164cm来完成。其设计的电路如图3.5所示。图3.5 xc164cm单片机控制电路3.6单片机及其外围电路的供电电路的设计控制电路中给单片机xc164cm及其外围电路的vcc供电都是由芯片lt1767通过对输出电压降压得到的5v输出电压提供。由于xc164cm的内核cpu需要2.5v的供电，因此要使用ams11172.5v的芯片对5v电压进一步降压产生2.5v的供电电压。3.

22、6.1 5v供电电路该电路从充电电路得到25v电压后，通过核心芯片lt1767将25v电压降至5v给单片机及其外围电路供电。电路如图3.6.1所示。图3.6.1 5v供电电路3.6.2 2.5v供电电路2.5v供电电路选择ams11172.5v型号的芯片。5v电压输入。输出稳定的2.5v直流电压为xc164cm的内部cpu供电。其电路如图3.7.2所示。图3.6.2 2.5v供电电路3.7电压和电流检测电路的设计为了能够实现对充电过程的实时监测，这时单片机就要根据被充电电池地电量，电压，电流变化，充电时间等参数来判断电池电量地饱和程度，并决定是否进入缓流维护状态或者停止充电。因此，就需要设计电压和电流检测电路，以便将检测的参数提供给单片机。下面分别介绍电压和电流检测电路：3.7.1电压检测电路电压检测电路检测电池的端电压，分压后送入单片机，计算出当前电池电压值。除反馈给充电电路，稳定充电电压外，还用来判断充电状态。在对镍镉，镍氢电池充电时，不断检测电压增量。当电压出现零增量或者负增量时，表示充满，停止充电。在对锂电池恒流充电时，检测到电压最大值，使充电状态转入恒压充电，并起到反馈稳压作用。电路如图3.7.1所示。图3.7.1电压