汽车蓄电池智能充电系统

1、摘 要 该文设计的是铅酸蓄电池智能充电控制系统,文中主要提及蓄电池充电方法的研究与充电控制系统的设计。在通过有关蓄电池充电原理与充电方法研究的基础上,提出使用恒压限流充电与脉冲充电相结合的充电方法。该充电方法能够一直保持对充电电流在总体上逼近蓄电池的可接受充电电流曲线,并且在整个充电期间内适时地使用了去除蓄电池极化的方法。理论研究与实验数据表明,该充电模式能够很大程度缩短充电时间,提升充电效率。实验结果表明,基于801196KB单单片机控制的的智能充电控控制系统,其效率高、调调节时间快的的良好充电特特性能得到充分发发挥,使得蓄电池池具有较高的的使用容量与与较长的循环环寿命,可以满足电机机车动力

2、蓄电电池的充电的的要求,具有良好的的应用前景,为提高蓄电电池的性能与与可靠性提供供一条新的、有有效的途径。 关键词词: 铅酸蓄蓄电池；智能充电；80C1996KB ；单片机AbstracctIn thiss papeer thee desiign off leadd-acidd battteriess inteelligeent chharginng sysstem, conteent maainly incluudes tto batttery chargging mmethodd of rresearrch annd chaargingg systtem deesign. In tthe

3、baatteryy prinnciplee and chargging mmethodds on the bbasis of sttudy, the ppaper propooses tthe coonstannt preessuree and pulsee currrent llimitiing chharginng chaargingg combbinatiion off charrging methoods. TThis kkind oof chaargingg methhods ccan allways to reechargge currrent in ovveralll apprr

4、oximaation batteery accceptaable cchargiing ellectriic currrent curvee, andd throoughouut thee charrging periood timmely aadopteed remmove bbatterry pollarizaation measuures. Theorreticaal andd expeerimenntal ddata sshows that this modell can greattly shhortenn charrging chargging ttime aand immprov

5、ee charrging efficciencyy. Experimmentall resuults sshow tthat bbased on thhe inttelliggent cchargiing 800196KBB singgle-chhip miicrocoomputeer conntrol systeem, itts higgh effficienncy, rregulaating time quickk goodd charrging charaacteriisticss can get ffully, makee batttery hhas hiigher use ccapa

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7、aargingg ；80C1996KB ；singllechipp目 录TOC o 1-3 f h u HYPERLINK l _Toc4658 绪 论 绪 论如今以动力蓄电电池作为能源的电电动车被称作作二十一世纪纪的绿色工程程,它将汽车工工业发展带入入到一个全新的的领域。电动动车主要的部件中中电动机、控控制器与车体三大部部件全部在理论与技术上已较较为成熟,但但是其他两大大部件蓄电池池和充电器的发发展却不能满足电电动车的需求求,有许多理论与技术问题还还有待攻关,现在已成为影响响电动交通工工具发展的瓶瓶颈。我国电电动车所用动力蓄电电池基本上是是铅酸蓄电池池,因为铅酸蓄蓄电池具有技技术成熟、成成本

8、低、电池池容量大、跟跟随负荷输出出特性好、无无记忆效应等等优点。当然然,还有其他一些高性性能电池,如锂电池、燃燃料电池等。铅铅酸蓄电池因因为具有价格格低廉、供电电可靠、电压压稳定等优点点,被广泛应用用于国防、通通信、铁路、交交通、工农业业生产等部门。这些年来全密密封免维护铅铅酸蓄电池其其密封好、无无泄漏且无污染等优优点,不仅能够保保证人体与各种用电设设备的安全,而且在整个个使用期间,无需要任何维护,因因此揭开了铅铅酸蓄电池发发展的新章程程。通信设备备通常都是使使用免维护电电池作为备用用电源,许多电子设设备必须的不不间断电源系系统（UPSS）也无法离离开免维护电电池,此外在应急急灯、汽车、游游艇

9、中也越来来越多的选用用免维护电池池。然而,因因为充电方法法的不正确,充电技术无法法适应免维护护电池的特殊殊需求,使电池很难难达到规定的的循环寿命。虽虽然近年来蓄电池本身的技术有有了不错的进步,但作为其能能量再次补充充的充电器的的发展太缓慢,传统的常规规充电时间过过于长,快速充电技技术至今还未能完全解解决,严重地阻碍了了电动车的发发展。目前,我国工农业业的运输设备对对蓄电池用量量非常大,但是由于其充电设设备太落后,充电的方法也很不不科学,急需设计出出一种新型的的智能充电系系统以满足工工农业生产的的需求。1 汽车蓄电电池简介1.1 汽车车蓄电池蓄电池是汽车必必不可少的一一部分,可分为传统统的铅酸蓄

10、电电池与免维护型蓄蓄电接线桩头等等组成,其放电的化化学反应是依依靠正极板活活性物质与负极板活性性物质在电解解液（稀释的的硫酸溶液）作作用下进行,其中极板的的栅架是由铅锑合金制制造。免维护护型蓄电池是是由铅钙合金制制造,由于蓄电池池使用铅钙合金金做栅架,由由此充电时产产生的水分解解量少,水分的蒸发量也低低,再加上外壳壳使用密封结构构,释放出来的的硫酸气体也也非常少,因此它和传统蓄电池池相比,具有不需添添加的任何液体,对接线桩头头,电量储存时时间长等优点点1。1.1.1 蓄电池的种类类与选择 蓄电池池又称作二次次电池,是化化学龟池(所所谓化学电池池是指可以把把化学能直挤挤变换为电能能的装置)的的一

11、种,它既既能将储备的的化学能转为为电能(这一一过程称作放放电),还能能够使参加反反应的物质以以电能的形式式释放完毕之之后,再用充充电器对它输输入直流电能能(这一过程程称作充电),又能将已已损耗的活性性物质复活。通通常采用的化化学电池分为为原电池与蓄蓄电池2种。原原电池只可以以使用1次,就是我们所所生活里的干干电池,蓄电电池便能多次次反复的使用用2。蓄电池主要由33个部分组成成:发生氧化化反应的阳极极、发生还原原反应的阴极极、还有将阳阳极反应与阴阴极反应统一一在一起的介介质电解液。在在电极里发生生氧化反应与与还原反应的的物质被称作作活性物质。根据使用场所的的不同,蓄电电池也有不同同类型: 固定型

12、(供供室内装置使使用)、移动动型 (便于于携带用)。移移动型电池分分为电动机车车型与启动型型蓄电池。根根据蓄电池电电解质的状态态不同分类:分为电解质质采用稀硫酸酸的称作铅酸酸蓄电池,使使用硫酸电解解质胶体的称称作胶体铅蓄蓄电池。又根根据蓄电池电电解质性质来来区分:电解解质使用稀硫硫酸的称作酸酸性蓄电池；使用碱性电电解质的称作作碱性蓄电池池。如铅酸蓄蓄电池是酸性性蓄电池,但但镍镉电池则则是碱性蓄电电池。依据蓄蓄电池的结构构又能够分为为开口蓄电池池与密封蓄电电池2种形式式。开口蓄电电池有以下几几点特点:能能够进行大电电流放电、自自放电小等。但但开口蓄的电电池不便于维维护,它要经经常添加蒸馏馏水与更

13、换电电解液；而密密封蓄电池在在这一方面具具有明显的优优势: 密密封好、无泄泄露、无污染染、无需维护护、易保存等等特点,可以以保障人体和和各种设备的的安全3。目前主要的蓄电电池有以下44种: 铅铅酸蓄电池、镍镍镉蓄电池、镍镍金属氧化物物蓄电池与锂锂离子蓄电池池。这4种蓄蓄电池有一个个共同的功能能就是为最终终产品提供可可补充的电能能,但不同的的电池具有不不同的特性,适用的对象象与场合也是是不同的。选择电池的根据据主要是由电电池的能量密密度、电池的的容量和内阻阻,它们直接接判定了电池池为负载提供供电能的速度度与大小。关关于放电速率率要求不高的的产品,如便便携式计算机机、蜂窝电话话机和手提式式视频设备

14、,能采用镍金金属氧化物电电池与锂离子子电池。因为为它们具有较较大的内阻,从而限制了了峰值放电电电流,使得它它们适合长期期电流消耗要要求较小的产产品。而铅酸酸电池与镍福福电池由于内内阻较小,可可以提供较大大的电流,则则适用于放电电速率要求较较高的产品,如某些由电电池供电的电电动工具: 锄草机。在这些电池当中中,铅酸蓄电电池具有价格格低廉、供电电可靠、电压压稳定等特点点,在国内外外得到了广泛泛应用。1.1.2 铅酸蓄电池池的工作原理理电池充电是通过过逆向化学反反应将能量存存储至化学系统里里实现的,由于使用的的化学物质不不同,电池有自己己的特性,设计充电器器时要仔细了了解这些特性性以防止过度度充电而

15、损坏坏电池。密封封免维护蓄电电池是一种将将化学能和电电能相互转化化的装置,免维护蓄电电池需要先用用电源对其充充电,将电能转化化为化学能储储存起来,蓄电池阳极极的活性物质质是二氧化铅铅,阴极的活性性物质是铅,电解液是稀稀硫酸,其化反应式式为放电反应式: （11）充电反应式: （22）即电池在充电时时,正极板产生生的氧气又复复合为,重新回到系系统中,实现电池内内部氧的循环环复合。而负负极亦因生成成、使极化电电位降低,从而使负极不析氢氢,此时电池在在充电的过程中负极极生成了被再次还原成海海绵状铅,这就是免维维护电池特有有的内部氧循循环反应机理理。理想情况况下,在电池的充充电过程中,电解液中的的水几乎

16、不损损失,所以在电池池的使用过程程中可达到不不需要加水的的目的。1.1.3 传统的充电电方式A.恒流充电在充电的过程中中伴随电池电压压的变化需要要调整电流使使其恒定,通常使使用1oh率率或20h率率电流充电。此种维持电流恒定的措施,从直流发电机与硅整流装置中皆能得到实现,它操作简单、方便,易于做到。此种充电方法非常适合由多数电池串连的电池组,落后电池的容量容易恢复,最好使用在小电流长时间的充电模式。恒流充电方式的不足之处是: 起初充电阶段电流过小,在充电后期充电电流又太过于大,整个充电时间过长,析出气体较多,对极板冲击大,能耗高,充电效率不超过65%。就是因为这个缺点,在国外除了蓄电池需要长时

17、间小电流进行活化充电外,已经很少使用。该种充电方法,充电时间均在10h以上6。B.恒压充电这方法是对每一一只单体电池池以某一恒定定电压进行充充电。所以充电初期期电流相当大大,随着充电进进行,电流逐渐变小,在充电后期只有很小小的电流通过过,如此在充电电过程中就不不需要调整电流流。该方法较简单单,由于充电电电流自动减小小,所以充电过过程中析气量量小,充电时间短短,能耗低,充电效率可可达80%,如充电电压压选择得当,可在8h内内完成充电。它缺点有:a.在充电初期期,假如蓄电池池放电深度太太深,充电电流会会很大,不仅会危及充电机机的安全,还还会使电池因因过流而受到到损伤;b.假如充电电电压选择太低,后

18、期充电电电流又太小,充电时间太长,不适用于串联数数量多的电池池组充电;c.蓄电池端电电压的变化难难以补偿,充电过程中中对落后电池池的完全充电电也难以完成。恒恒压充电通常常应用在电池池组电压较低低的场合。C.恒压压限流流该方法是为补救救恒压充电的的缺点,广泛使用恒压限流流的方法。在在充电电流和和电池之间串串联一个电阻,称为限流电电阻。当电流流大时,它的电压降降也大,从而减小了了充电电压；当电流小时时,作用于电阻阻上的电压降降也很小,充电设备输输出的电压降降损失也会小,如此就自动动调整了充电电电流,使其不超过某一限度,充电初期的的电流得到控控制。该法也称为准准电压充电法法,串联的电阻阻值可按下式式

19、计算 （3）式中U充电电源源电压（V）I充电电流流（A） R(内内)电池内阻（因因很小可以忽忽略）1.1.4 铅酸蓄电池池充电的过程当蓄电池完成了了初充电阶段段后,为加快蓄电电池的充电速速度,且提高充电电效率,进一步满足足用户的实际际使用需求,对充电方式式以及相关参数数进行了修正4。（1）涓流充电电当系统检测到蓄蓄电池亏电时时,首先以小电电流充电,充电电流一一般采用0.05倍率充充电。（2）大电流快快速充电主充阶段以恒流流方式充电。主主充时的充电电电流一般采采用0.3倍率充充电。 （33）过充充电电随着限压充电进进行,电池电流也也会随之逐渐减减低。充电电电压一般使用V =6.3V,当充电电流流

20、减小到浮充电电流时,电池已基本本充满。 （4）浮充充电电此阶段采用低压压小电流的充电,用于补充电电池的自然放放电,此时必须将充电电电压稳定在蓄蓄电池的额定定电压附近(比主充最高高限压要低)。从而,充电电电流和主充时相比比很小。但因因为工作情况况的复杂性,浮充的时候有电流流较高的可能能(电池严重重亏电、漏电电、负荷过重重等)。这时时应该采取限流措措施,使电流不超超过某一设定定值从而使电压降降低,待电流降低低、电压升起起后再稳压,这就是恒压压限流的含义义。在电池设计的充充电模式中,包括涓流充充电、大电流流充电、恒压压限流充电、浮浮充电和均衡衡充电功能,在运行中单单片机会根据据对被充电池池的数据采样

21、样和事先设定定的程序来决决定何时加入入大电流充电电、过充充电电、浮充充电电、电池充满满时间并停止止。2 课题的研研究现状2.1 项目目开发的背景景面对日趋严重的的资源短缺和和环境恶化问问题,为了寻寻找社会、经经济和资源、环境境相互促进和协调发展的的可持续发展展模式正在成成为世界性潮潮流,汽车作为主主要的交通工具与国民经济重重要的支柱产业得得到了快速发发展。此时,汽车带来的能源消耗,环境污染等等许多负面影响响。所以,世界许许多国家皆在燃料汽车车、电动汽车车与混合动力电电动汽车方面面进行了大量量的研究和开发工作,将清洁型交交通工具的开开发应用作为为实现可持续续发展战略的的一个重要组组成部分。目目前

22、,汽车工业己己经成为世界界主要工业化化国家的支柱柱产业: 一方面,汽车工业的的飞速发展推推动了全球机机械、能源等等工业的进步步以及经济、交交通等方面的的发展,给人们带来来了大量的就就业机会。但但是另一方面面,汽车在造福福于人类的同同时,也带来了很很大的弊端地地球上有限的的石油资源被被大量消耗,而这些资源源同时又是重重要的、不可可再生的,作为燃料直直接燃烧掉是是极大的浪费费。按照目前前的消耗速度度,石油、天然然气等资源仅仅仅能再维持持数十年的时时间。与此同同时汽车排放放出大量的有有害气体,严重地污染染了人类赖以以生存的自然然环境,给人类生存存造成了严重重的危害5。 随着电电力电子技术术的迅速发展

23、展,蓄电池正广广泛应用于交交通运输,电力,通信等领域域的各种设备备中,已成为这些些设备的重要要部件,直接影响到到设备的寿命命和可靠性。电电动车作为具具有零排放优优点的“绿色”交通工具成成为人们日益益关注的焦点点,而蓄电池及及电池管理系系统是电动汽汽车发展的“瓶颈”。世界各国国都投入大量量的人力物力力进行开发研研究,我国在这方方面的研究刚刚刚起步,汽车工业发发达国家的研研制工作也不不很完善,这其中有蓄蓄电池技术与与蓄电池充放放电技术两大大难点。蓄电池作为电动动汽车的动力力源而成为电电动车发展的的关键,蓄电池的性性能决定了电电动车的性能能指标,其能量密度度决定了电动动车一次充电电的续驶里程程,其功

24、率密度度则决定了电电动汽车的加加速性能和最最高车速。因因此,在某种意义义说电动车的的成败首先取取决于电池技技术,电动车能否否普及取决于于电池技术是是否有突破性性进展。2.2 项目目可行性电动车的开发在在全球范围内内未能深入展展开,其中,最重要也是是最困难的一一个问题是“充电”问题,主要是指充充电模式和参参数。在中国国,电动车的大大力发展已经经是迫在眉睫睫的事情,因而充电器器及充电技术术处于十分关关键的位置。一一个性能优良良的充电器要要解决一系列列理论问题,例如,防止或尽量量减少极化效效应；防止出出现热失控,防止或尽量量减少失水效效应；防止充充电所形成的的不可逆盐化化,等等。目前前由于传统的的充

25、电器充电电速度慢,充电时间长长、充电有效效容量低、循循环奉命短、对对电池易损伤伤,快速充电技技术至今未能能完全解决,因而造成电电动车续行里里程短,电池维护困困难,更换频率高高等系列问题题,成为制约电电动车发展的的瓶颈。电动车动动力电池与一一般启动用电电池不同,它以较长时时间中等电流流持续放电为为主,间或以大电电流放电,用于起动、加加速或者爬波波。一般情况况下电动车动动力用电池多多工作在深度度放电工作状状态,因此,对电动车动动力电池的快快速充电的研研究和设计非非常必要6。 受到现现有的设备和和技术的局限限,我们采用规规格为6V、11.2Ah的的铅酸蓄电池池来模拟电动动车电池进行行设计和实验验。2

26、.3 充电电技术的发展展状况对于蓄电池,传传统充电方法法主要有恒压充电、恒恒流充电或者者两者相结合合等方法,这些充电方方法没有动态态的跟踪蓄电电池可接受的的充电电流的的大小,实践证明这这些充电方法法不但是充电时间长长而且还很容易对蓄蓄电池过冲,减少蓄电池池的寿命。通过了对恒压充充电与恒流充电2种方法的改改进,产生了一种种传统的充电方法: 分段式充充电方法。该该方法包括2阶段充电法法与3阶段充电法法。2阶段充电方方法: 使使用恒电流与恒电压相结结合的快速充充电方法。以恒电流流充电到预定的电压压值,再变为恒电电压完成剩的的充电。这两阶段之间间的转换电压压便是第2阶段的恒电电压。3阶段充电法法,是先

27、使用恒流充电电法达到设定定的电压之后后再转为第2阶段,高恒压充电电阶段,当充电电流流小到设定值值之后再转为第3阶段涓流充电电,此时电压值值转变为浮充电电压7。该充电方法优点点是: 技术实实现简易,基本可以满足充电电需求,成本低低。缺点是: 无法区区别电池的放放电深度；容容易使电池过充电电,从而使蓄电电池内部电压压过高,极化现象严严重,蓄电池失水水过多,会对对蓄电池造成成不可恢复的的伤害。针对传统充电方方法充电时间间长,不安全等缺点点,国内提出出了一些新的的快速充法等,这些方法都都是在传最佳充电曲曲线。分级定定电流充电法法结合了恒流流充电法与恒压充电法法的特点,在充电初期期采用尽可能能大的充电电

28、电流充电,使蓄电池在在短期内充入入尽可能多的的容量,中期采用较较小的充电电电流,最后采用小小电流充电,使蓄电池完完全充满电。它它有效的防止止了恒流充电电法和恒压充充电法中所存存在的问题,实现相对简简单,是目前应用用最为广泛的的充电方法。电 经8。2.4 充电电电源的发展展状况目前,常用的充充电电源主要要有以下三种种:相控电源源、线性电源源、开关电源源,而单片机机充电发展比比较慢。源开关电源被誉为为高效节能电电源,它代表着稳稳压电源的发发展方向,现己成为稳稳压电源的主主流产品。近近20多年来来,开关电源沿沿着下述两个个方向不断发发展。第一个个发展方向是是对开关电源源的核心单元元-控制电电路实现集

29、成成化。 采用单片机技术术的智能充电电器在我国的的研究发展比比较晚,因其其体积小、动动态响应速度快、输输出纹波小、效效率高等特点点,近年来获得了了国内外的广广泛研究和关注,特别是在通信和电力等领域域中,己经得到了了普遍的研究究和使用。但是相对于相控控电源来讲,它的价格高高,而且功率器器件的发热量量也较高,因因此,在电力力系统中的大大功率场合,相控式的充充电器依然占有较大大比重。然而国外市场场大部分充电电器都使用Wa、WWaWo、UU&U等充电电曲线方式9,充电方式更更科学、合理理,从而很大程度度的提高了蓄蓄电池的使用用寿命,大大地减小了维护护成本,简化了充电电的过程,解放了操作作人员的劳动动强

30、度,市场前景非非常广阔。近年来,国内内外人士正在在致力于智能充电器的研究,智能程度较较高的充电器器解决了动态态跟踪电池可可接受充电电电流曲线的技技术关键,使充电电流流始终和可接受充电电电流保持良良好的匹配关关系,使充电过程程始终在最佳佳状态下进行行,比常规充电电模式节约了了30%-550%电能,还提高了充充电质量与效率,充电工人只只担任辅助性性工作,为充电技术术和充电设备备的智能化发发展闯出了一一条新路10。3 基本方案案3.1 总设设计方案本设计采用的是是先组建多个个功能模块分分析然后组合的方方式来实现方案案。3.1.1 系统的设计计要求系统的基本功能能a.要求识别蓄蓄电池的好坏坏,实时监测

31、充充电过程;b.具有多种充充电方式,如恒流充电电、脉动浮充充等;c.具有可靠的的保护,如短路、断断路、过流等等;d.必要的显示示功能。 B.系系统的理想技技术指标 本充电电系统采用恒恒压限流充电电和脉冲充电电相结合的充充电方法,将充电过程程分成几个子子充电过程,充电电流总总体上呈逐级级递减的趋势势并保持恒定定电压,而每个子充充电过程按“正脉冲充电电一停充一负负脉冲放电一一停充一再正正脉冲充电”这种循环过过程进行,直至电池的的容量达到额额定容量的880%以上。之之后转入浮充充状态,使电池电量量完全恢复,即达到额定定容量。3.1.2 智能充电方方法的选择充电方法的选择择是很重要的,不同的充电电方法

32、,它充电速度度的差距会非非常大,导致其充电效果的的差距也会非非常大。系统统所需求的充电方方法,一方面要求求能够最大程度度地加快蓄电池的化化学反应速率率,缩短蓄电电池达到满充充状态的时间间,使其充电速度达到到最大的提；另一方面,要维持蓄电池负负极的吸收能能力,使其负极可以跟得上正正极氧气产生生的速度,以避免电池池的极化现象象。恒压限流充电和和脉冲充电相相结合的充电电方法结合了了这两种充电电方法的优点点,通过有规律律的间歇停充充来消除电池池在充电过程程中所产生的的极化现象。在在整个充电时时期内,一直直适时地采取取去极化措施施,以避免了蓄蓄电池在充电电过程中产生生大量气体和和温升过高的的问题,从而达

33、到大大大缩短充电电时间和提高高充电效率的的目的,因而能够比比一般的充电电方法更快地地进行充电。3.1.3 系统的结构构原理框图本充电系统电路路设计图如附附录二系统电电路的设计图图所示。本充电系统电路路的结构原理理框图如图11所示,它包括提供供充电的电源源和作为管理理中心的控制制系统。在系系统设计中,充电电源采采用开关电源源。通常把采采用“交流一直流流一交流一直直流”这种电路的的装置称为开开关电源。从从输入输出关关系来看,开关电源是是一种“交流一直流流”的变流装置置,然而由于开开关电源采用用了工作频率率较高的交流流环节,变压器和滤滤波器都大大大减小,因此同样功功率条件下其其体积和重量量远远小于传

34、传统的相控电电源。除此之之外,工作频率的的提高还有利利于控制性能能的提高。系系统的主回路路由充电电路路、放电电路路及控制电路路组成,其中充电电电路使用整流桥式式电路。铅酸蓄电池组铅酸蓄电池组充电电源充电控制系统CPUI/O设备图1 系统的的结构原理框框图 控制电电路部分是一一个实时监测测与控制系统,包括了对电池温度度、电池两端电电压、充电电电流等参数的的监测,对收集信息息的分析与计算处理,对充电机工工作参数的设设置与显示等。它的的控制过程是是通过采集蓄蓄电池的相关关参数,送入80CC196KBB单片机进行行预定的分析析与计算,得出相应的的控制数据,从而控制输输出电压、电电流,完成对蓄电电池的智

35、能充充电。其中控控制电路的核核心采用800C196KKB单片机芯芯片,具有高度的的集成度。3.2 充放放电方法的控控制与实现在充电方法的实实现上,我设计了以以80C1996KB单片片机控制为主主的控制方法法,将采集到的的电池温度、电电池端电压、充充电电流等状状态信息,送入CPUU后再进行处理和和判断,以此来变换充电方式式,实现智能充充电。其优点点是结构简单单、便于操作作、维修方便便、成本低。在放电方法的实实现上,采用大功率率IGBT管管进行PWMM控制,以控制放电电电流大小,保持其高稳稳定性。3.2.1 单片机充电电终止条件控控制方法利用单片机对蓄蓄电池充足电电后,电池的温度度与内压都会迅速速

36、上升,同时电池的的端电压也会会开始下降,出现电压负负增量。假如如此时继续进进行快速大电电流充电,会会对蓄电池造成成很大损害。所以,为了保保证电池能充充足电又不过过充电,须使用单片机采取一定的方方法来控制充充电的停充等等问题。目前前采用的控制制方法很多,通常采取的有定时时控制、电压压控制、温度度控制和最小终止电电流等方法进进行充电终止止控制6。3.2.2 最高电压控控制当电池电压达到到最大值时,电池则充足电。充充电过程中,当电池电压压达到规定值值后,单片机应马上上对蓄电池停停止充电。该该控制方法的的缺点是: 电池充电电最高电压会会随着环境温度、充充电速率而改改变,所以,最高高检测电压必必须使用一

37、定的温温度补偿,并且还要根据充电速速率加以正确确的修正。假如最高检测测电压不会随温度变化化而自动调整整的话,当低温温时,电池会充不足电；高温时,电池充足电电后仍会继续续大电流过充充。这样,会会导致电池寿寿命减小,也会使电池受到损坏坏。蓄电池组组中各单体电电池的最高充充电电压也会会有差别,所所以采用这种种方法不可能能非常准确地地判断电池已已充足电。3.2.3 定时控制通常用在单片机机控制的恒流流充电模式中中。例如,对于20Ah的蓄蓄电池,采用0.4C充电速率率,电池5h可可充足: 采用0.2C充电速率率时,需要10h才可充足电,所所有依据电池池的容量与充电电流,能能够容易地确确定所需求的充电时间

38、间。充电过程程中,达到预定的的充电时间后后,定时器会发出信号,使充电器立即即停止充电或充电电流马上上降低至浮充电电流流。这样能够够避免电池长长时间大电流流过充电。该该控制方法较较简单,但由于电池池的起始充电电状态不会完完全一样,有有的电池充不不足,有的电池过过充电,又由由于充电时间间是固定的,因此不能依据电池充电电前的状态来来自动调整。所以,只有充电速率小于0.3C时采用这种控制方法才最有效果。3.2.4 温度控制为了不损坏电池池,电池温度过过低时不能马马上开始快速速充电；电池池充足电后,充入的电量量都消耗在电电池中,电池的温度度会很快上升。电电池温度上升升到规定数值值后,单片机必须须马上停止

39、对蓄蓄电池充电的的过程。电池池的温度可以以通过与电池池在一起的温温度传感器件件来检测,再反馈给单单片机。当电电池温度大于于规定值时,单片机控制制自动转入浮浮充电模式。当当环境温度较较低时,规定的最高高温度值就要要偏大一点,这样会造成过充电电,损伤电池。为为了不损伤电池,经经常采用温升升控制法,即当温升达达到一定值时时,充电器便自自动转入浮充充电模式。上述各种控制方方法各有乾坤坤,为了使单片机机在任何情况况下,均能准确可可靠地控制电电池的充电状状态,目前快速充充电器中通常常采用的是包括了时间控制、电电压控制和温温度控制的综综合控制法。4 系统硬件件介绍及设计4.1开关电源源原理 充电电电源采用开

40、关关电源,开关电源一一般由功率变变换主回路和和控制回路两两部分组成。主主回路有多种种不同的拓扑扑结构;控制制回路是实现现电源各种性性能要求的核核心,其控制机理理有调频调幅幅调宽谐振等等。高频开关关电源的原理理框图如图22所示11、122。交流电网滤波电路交流电网滤波电路输入整流滤波电路高频变换器输出整流滤波电路控制电路保护电路市电输出直流图2 高频开开关电源系统统结构图 从图22中可以看到到,高频开关电电源主要由交交流电网滤波波电路、输入入整流滤波电电路、高频变变换器、输出出整流滤波器器、控制电路路、保护电路路几部分组成成。其基本原原理是:交流流输入电压经经电网滤波、整整流滤波得到到一定的直流

41、流电压,再通过高频频变换器将直直流电压变换换成高频交流流电压,最后经过输输出整流滤波波电路,将变换器输输出的高频交交流电压整流流滤波得到需需要的高质量量、高品质的的直流电压。4.2 充电电系统的主电电路原理与设设计4.2.1 全桥变换电电路的设计 该充电电系统采用的的是全桥移相相控制的零电电压PWM变变换电路。它它是当前运用最为广泛的软开开关电路之一一,其特点是电电路非常简单,易于操作,但有一个缺点: 滞后臂开开关管在轻载载下难以实现现零电压开关关,这使它不适适用于负载范范围变化大的的场合。当电路不能实实现零电压开开关时,将会产生以下几几个后果。 1.因因为开关损耗耗的存在,需要增大散热器的体

42、体积; 2.开开关管开通的的时候存在很很大的di/dt,将会造成较较大的EMLL； 3.因因为副边二极极管的反向恢恢复,高频变换器器副边漏感上上的电流瞬变变作用将在二二极管上产生生电压过冲和和震荡,因此此在实际应用用中需在副边边二极管上增增设RC吸收收网络。针对对上述问题,常见的解决决方法是在变变压器原边串串接一个饱和和电感,扩大变压器器的零电压开开关范围。但但,采用这方法法后,电路仍不能能达到全工作作范围的零电电压开关。 饱和电电感在实际应应用中不可能能具有理想的的饱和特性,这将会导致致以下几个后后果: 1.增增强电路环流,从而增加变换器的的导通损耗； 2.加加重了副边电电压占空比的的丢失,

43、从而增大原边电流和副边二极管管的电压应力力； 3.饱饱和电感以很很高频率在正正、负饱和值值之间转换,磁心的损耗耗会很大,发热严重砰砰s1。改进型全桥移相相控制的零电电压PWM变变换电路是针针对上述缺点点所提出的一一种电路拓扑扑。它通过在在电路中增加加辅助支路,可使开关管管在全负载范范围内实现零零电压开关,它在小功率率(3kww)电路中具具有明显的优优势。图3所示是一种种改进型全桥桥移相控制的的零电压PWWM变换电路路。与基本的的全桥移相控控制的零电压压PWM变换电路路相比,它在滞后臂臂上增加一个个由电感Lrrx和电容CC。两个元件件组成的支路路。改进型全全桥移相控制制的零电压PPWM变换电电路

44、。 该变换换电路采用移移相控制方式式,其主电路的的工作原理和和基本的零电电压PWM变变换电路完全全一样。 全桥变变换器中功率率开关元件的的选用典型的全控型开开关器件有电电力晶体管GGTR、门极极可关断晶体体管GTO、场场效应晶体管管MOSFEET和绝缘栅栅极双极型晶晶体管IGBBT等。图3 改进型型全桥移相控控制的零电压压PWM变换换电路GTR（Giaant Trransisstor,巨型晶体管管）和GTO是是双极型电流流驱动器件,因为具有电电导调制效应应,所以其通流流能力很强,但开关速度度低,所需求的驱动功功率大,驱动电路复复杂。电力MMOSFETTMOS(MMetal Oxidee Sem

45、iiconduuctor金金属氧化物半半导体),FFET(Fiield EEffectt Trannsistoor场效应晶晶体管)是单单极型电压驱驱动器件,开关速度快快,输入阻抗高高,热稳定性也好,所需驱动功功率小而且驱动电路简简单。它的导导通电阻远远远小于双极型型晶体管BJJT的导通电电阻,这使得它能够够代替BJTT成为高频开开关电源的主主流开关器件件。正是由于于导通电阻小小的MoSFFET的出现现,高频开关电电源得以迅速速发展13、144。IGBT(Innsulatted Gaate Biipolarr Trannisterr,绝缘栅极极双极型晶体体管)是MOOS结构的双双极型器件,是具有

46、功率率M0SFEET的高速性性能和双极型器件件的低电阻特特性的功率元元件。IGBBT的应用范范围经常在耐压是600V以以上、电流为为10A以上上、频率为11kH么以上上的区域,多应用于工业用电机机、民用小容容量电机、变变换器、照相相机的频闪观观测器以及感感应加热电饭饭锅等产品上上。IGBTT的工作原理理和静态特性性IGBT是是三端器件,具有栅极GG,集电极C和和发射极E。它它是一种场控控器件,驱动原理与与MOSFEET基本一致致,其开通与关断是由栅栅极与发射极间的的电压UGEE决定的。当当U 为正且大于于开启电压UUGE间时,IGBT导导通。因为具有电导导调制效应,高耐压的IIGBT也会会具有

47、很小的的通态压降。当当栅极与发射极间施施加反向电压压或不加信号号时,IGBT关关断。IGBT的驱动动电路的设计IGBBT是电压驱驱动型器件,使IGBTT开通的栅射射极间驱动电电压一般取115-20VV。同样,关断时施加加一定幅值的的负驱动电压压(一般取-515V)有有利于减小关关断时间和关关断损耗。而而且在栅极串串入一只低值值电阻(100欧左右)能够够减小寄生振振荡,此电阻阻值值会随被驱动器器件电流额定定值的增大而而减小。IGGBT的驱动动多采用专用用的混合集成成驱动器。同同一系列的不不同型号其引引脚与接线基本相相同,只是适用被被驱动器件的的容量与开关频率和输入电流幅幅值等参数有有所不同。本系

48、统采用的EEXB8411是大容量高速速型驱动器(最大40kkHz运行)。在IGBBT出现过流流时,过流信信号由引脚66输入到内部部的过流保护护电路,在其其输出端(引引脚5)出现现低电平,光光耦SOI有输出出,对PWMM提供一个封封锁信号,使使PWM的驱驱动脉冲输出出转变为一系系列窄脉冲,实现EXBB840I/EXB8441软关断功功能。图4为EXB8841驱动电电路图。 图4 EXXB841驱驱动电路图 4.2.2 能量反馈电路的设设计 因为该该充电系统使用的是由恒压限流充充电与脉冲充电相相结合的充电电方法,在整个充电电期间,一直直适时地使用了经过负脉冲瞬瞬间放电消除除极化的方法法,所以硬件件

49、设计中需要要提供蓄电池池放电的通路路。通常充电系统统使用的是当蓄蓄电池达到一一定的极化程程度后,经过附加的的负载进行放放电,从而消除极极化。但这样样会产生多余余的能量消耗耗,同时增大充电电器的体积。该充电系统使用图5所示的结构构框图,蓄电池的放放电通路由开开关元件Q与与滤波电感LL所组成,称为能量反馈电路。在在正脉冲充电电末期,DC/DCC变换电路中中的开关元件件全部都断开,存储在滤波波电感L,中的能量将全部转移到到蓄电池组中中。在负脉冲冲放电期间,能量反馈电路开始始工作,它将电池的的能量送到滤滤波电容六中去,从而实现了了蓄电池在充充电过程中适适时的放电,即可消除电电池的极化现现象。和传统的放

50、电电回路相比,该能量反馈电路能避避免多余的能量消消耗,同时也能够大大减小小充电系统体体积。图5 能量反反馈电路图4.2.3 主回路滤波与抗干扰扰电路的设计计主回路滤波电路路的设计整流流滤波电路对对减少电源中的的噪声干扰起起到了非常大大的作用。当当使用高频开关关电源供电时时,其整流和变换的工作作电路更加复复杂,而且开开关电源工作作在较高频率率,外界和本机元器件件无法避免的产产生电磁感应应相互干扰,而电源的噪噪声也会更加加影响其它设设备的正常工工作。所有,在高频开关关电源中,怎怎样降低与消除噪声干干扰是一个非非常重要的部部分。在开关关电源中,主要使用电源输入入滤波、工频频滤波、电源源输出滤波和和抗

51、辐射干扰扰等重要措施来减小噪声的传传递和影响15。输入滤波是指接接在交流电网网和开关电源之之间的滤波设设备,通常由低通通滤波与共模扼流圈圈等元件组成成,它主要作用用是抑制开关关电源其身对交流电电网的反干扰扰同时也能抑制交流电电网中的高频频干扰串入开开关电源。 工频滤滤波器又称平平滑滤波器,接在工频整整流器和逆变电路之之间,可以将工频频整流器输出出的脉动电流流变为平滑直直流。另外,因为是工频频滤波,频率较低,电容量和电感量应用很大,所以还能起到抑制高高频干扰的作作用。输出滤滤波电路通常常由滤波电感感和滤波电容组组成, 对整流后的的脉动电流起起平滑作用,使其成为纹波很很小的直流电电流。 该充电系统

52、只只设计了输出出滤波电路。 电路如图6所示, 其中图6 输出滤滤波电路 整流电电路的设计整整流器的作用用是将电网输输入的交流电电进行整流滤滤波,为变换器单相交流提供供纹波的直流流电压。并且且,当电网瞬间间停电时,滤波电容器器存储的能量量可以使开关电电源直流输出出维持一定的的时间。对前前级整流电路路的设计如图图7。对电源输输出时的后级级整流电路采采用一个整流流桥即可。图7 前级整整流电路4.2.4 移相控制电电路的设计（1）UC38879简介在设计过程中,选用了美国国Unltrrode公司司生产的专用用移相控制集集成芯片UCC3879,UC38779是相移式式PWM控制制IC。传统统的UC388

53、75/ 6/ 7/ 8相比,该IC具有有控制、译码码、保护和驱驱动等功能。通通过移相控制全桥桥变换器,该IC大大大地简化了设设计步聚,缩小了印刷刷电路板的体体积,并节省了调调试时间。大大功率DC/DC变换器器,传统上一般般采用相移控控制的全桥拓拓扑技术。在在绝大多数的的工作条件下下,该方法可获获得较高的ddV/dt值值,并且为功率率级的所有初初级边半导体体提供零电压压开关。UCC3879是是UC38775的改进型型,可通过UVVSEL脚来来选定欠压锁锁定电平,一般情况下下,可预先确定定两个门限。选选定的启动电电压无关。限限电平反映出出两个最常用用的辅助电源源产生模式: 自举或或离线。其特特点是

54、a.输出导通延延长时间编程程可控;b.电压模式控控制或电流模模式控制;c.实际开关频频率可达3000kHz;e.图腾柱式驱驱动输出电路路,最大驱动电电流为1000mA;f.内置10MMHz误差放放大器;g.欠电压锁定定功能编程可可控;h.启动电流低低,仅为1500mA;i.具有软启动动控制功能;（2）UC38879的引脚脚介绍UC3879的的引脚排列如如图8所示引脚功能介绍如如下:Uref (引引脚1):精精密SV基准准电压输出端端,具有短路电电流限幅特性性；当Ui(引引脚10)上上的电压低于于欠电压锁定定阀值时,控制器被禁禁止,直到肠才输输出的电压达达到4.755V；实际应用当当中,该端与G

55、NND引脚之间间应接旁路电电容；该电容的EESR尺和EESL应尽可可能低, 其大小取00.1uF比比较合适。COMP(引脚脚2): 误差放大器器输出端。当当误差放大器器的输出电压压低于0.99v时,相移为零。EA-(引脚33): 误差放大器器反相输入端端；该端接电阻阻分压器,对变换器的的输出电压进进行检测；该端与COOMP(引脚脚2)之间接接环路补偿元元件。CS(引脚4): 电流检测信信号输入端；该端为电流流故障比较器器的同相输入入端；电流故障比比较器的反相相输入端接大大小为2-22.5V的基基准电压；当该端上的的电压检测信信号超过2.0V,且误差放大大器的输出电电压信号超过过RAMP (引脚

56、199)上的电压压信号时,移相限流比比较器将对相相移大小逐周周进行限制；当该端上的的电压检测信信号超过2.5V时,电流故障锁锁存器置位,控制器的输输出端被强制制关断,然后控制器器进入软启动动工作周期。如如果该端上的的电压固定为为2.5V,控制器的输输出端将停止止输出并保持为低电平平。在新的软软启动工作周周期内,当CS引脚脚上的电压降降至2.5VV以下时,在S S(引脚66)上的电压压开始上升之之前,输出端将从从 0相移开始工工作,但只有控制制器进入稳定定工作状态之之后,才会向负载载传输功率。图8 UC33879引脚脚排列DELSETAA-B(引脚脚15)与DELSEETA-B (引脚5):输出

57、端的的延迟控制信信号输入端；延迟时间应应在同一桥臂臂中一只开关关管关断之后后、另一只开开关管开通之之前加入,为谐振创造造条件；由于谐振电电容的充电电电流在不同半半桥的开关工工作过程中是是不同的,因此相对应应的延迟时间间也是不同的的。SS(引脚6): 软启动信号号输入端；该端和GND之间间接软启动电电容,用以设置软软启动时间；只要Ui(引脚10)上的电压低低于欠电压锁锁定阐值,该端电压将将维持在零伏伏左右。当Ui与Ureef上的电压压处于正常范范围内时,该端电压将将在内部9uuA电流源的的作用下升至至4.8V。万万一出现电流流故障,如CS(引引脚4)上的的电压超过22.5V,该端上的电电压将被下

58、拉拉至地电位,然后由零缓缓慢上升至44.8V。如如果故障发生生在软启动周周期内,输出端将立立即被禁止,而且在故障障锁存器复位位之前,软启动电容容必须充满。多多只控制器并并联运行时,可以共用一一只软启动电电容,但软启动电电容的充电电电流需要相应应增加。OUTA/B/C/D(引引脚13/112/8/77):图腾柱柱式驱动输出出端；该端最大驱驱动电流为1100mA,可以驱动功功率MOSFFET；输出对占空空比的典型值值为50%；输出端A一一用于驱动一一侧半桥,并且与时钟钟信号同步；输出端C一一用于驱动另另一侧半桥,其相位相对对于输出端AA-B而言产产生了移动。Uc(引脚9):驱动输出出电路偏置电电源

59、输入端；该端向驱动动电路及其相相关偏执电路路供电。输出高电平信号号与该端电压压之差的典型型值为2.11V；该端与PWWR GNDD之间应接低低ESR 和和低ESL的的旁路电容。Ui(引脚100):控制器器偏置电源输输入端；该端主要向向控制器内部部的逻辑电路路和模拟电路路供电；偏置电压应应在12V以以上；为了保证控控制器可靠工工作,只有在Uii上的电压超超过欠电压锁锁定上限阐值值时,控制器才开开始工作；该端与GNND之间应接接低ESR和和低ESL的的旁路电容。PWR GNDD(引脚111):功率地地；该端与Ucc(引脚9)之间接陶瓷瓷旁路电容；为抑制噪声声,并最代限度度地减小直流流电压的跌落落,

60、功率地与信信号地应单点点相连。CT(引脚144):振荡器器频率设置端端；线性占空比比取值范围的的上限值由定定时电阻RTT决定；定时电容CCT应采用低低ESL和低低ESR的高高品质瓷片电电容,其最小取值值为200uuF。UVSEL(引引脚16):欠电压锁定定阐值设置端端；当该端与UUi(引脚110)相连时时,欠电压锁定定闽值电压为为10.755V,滞回电压为为1.5V。当当该端悬空一一时,欠电压锁定定闽值电压为为15.255V,滞回电压为为6.0V。CLKSYNCC(引脚177):时钟信信号输出端及及同步信号输输入端；该端是双向向的,作为输出端端时,该端可以输输出时钟信号号；作为输入端端时,该端