基于單片機的智能電池充電器的設計

PAGEPAGEII基于單片機的智能電池充電器的設計摘要由于以往的充電器不能根據(jù)電池的充電狀態(tài)進行數(shù)據(jù)分析，采取相應的電池充電模式，而是一直采用大電流充電，極易造成電池的極化現(xiàn)象，導致電池充電效率較低，使用壽命縮短?；谏鲜鲈虮疚脑O計了一種基于單片機的智能電池充電器，該充電器是由ADuC824單片機控制，根據(jù)充電電池的充電狀態(tài)輸出一定的PWM脈沖波，進而采用涓流充電，恒流充電，恒壓充電和浮充電等四個階段對鉛酸蓄電池充電，并且可以通過單片機的輸出端口顯示當前的充電狀態(tài)，在充電結束時自動終止充電，蜂鳴器發(fā)出報警聲，提醒用戶電池已經充滿，實現(xiàn)電池充電的智能化。關鍵詞智能充電器ADuC824TL494鉛酸蓄電池DESIGNOFINTELLIGENTCHARGERBASEDONSINGLE-CHIPMICROCOMPUTERABSTRACTInthepast,asthechargercannotbebasedonthestatusofrechargeablebatterydatatoanalysisitcannotbecarriedoutthemode,whichissuitable.Ithasbeenusingahigh-currentcharge,whichisresultinmorelowerefficientforbatterycharger,reducesservicelife.Becauseofit,Idesignanintelligentcharger,whichiscontrolledbysingle-chipmicrocomputer.Accordingtothestateofbattery,ADuC824single-chipmicrocomputerwillcontrolandoutputaPWMpulse,inturn,lead-acidbatterywillbechargedthroughtofour-stagechargesuchastricklecharge,constantcurrentcharging,constantvoltagechargingandfloatingcharge,itcanalsoshowthecurrentchargingphasethroughtheoutputterminalofsingle-chipmicrocomputerandcanterminatechargingautomatically.Awarningbuzzerwillsoundtoremindtheuserthatitisalreadyfullofbatteries.KEYWORDSintelligentbatterychargerADuC824TL494lead-acidbattery目錄摘要 ⅠABSTRACT Ⅱ1緒論 11.1研究背景 11.2充電技術的發(fā)展概述 11.3充電器的技術水平、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 22鉛酸蓄電池的工作原理及充放電過程 32.1鉛酸蓄電池的基本概念 32.2鉛酸蓄電池的工作原理 62.2.1鉛酸蓄電池電動勢的產生 62.2.2鉛酸蓄電池放電過程的電化反應 62.2.3鉛酸蓄電池充電過程的電化反應 72.2.4鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化 72.3蓄電池的充電工作特性 7HYPERLINK\l"_Toc232387398"2.4充電終止條件控制方法 122.4.1電壓控制 122.4.2定時控制 132.4.3溫度控制 142.5智能充電器的充電過程 14HYPERLINK\l"_Toc232387403"3智能充電器的硬件設計 153.1智能充電器的總體設計要求及設計方案 153.2單片機部分 163.2.1ADuC824的介紹 163.2.2單片機電路部分 21HYPERLINK\l"_Toc232387408"3.3充電電路設計部分 223.3.1充電電路電源部分 223.3.2控制電路 223.3.3檢測電路 254智能充電器的軟件設計 28HYPERLINK\l"_Toc232387413"4.1主程序軟件設計 294.2子程序軟件設計 305結論 32致謝 33參考文獻 34附錄 35附錄1總電路圖 35附錄2源程序 36基于單片機的智能電池充電器的設計PAGE38PAGE381緒論1.1研究背景早在六、七十年代，西方經濟發(fā)達國家為了保護環(huán)境就已經開始研制各種各樣的綠色能源來代替汽油和柴油，但是，受到蓄電池，電控等關鍵部件的性能、壽命以及高性能的充放電設備等的制約，一直未得到長足的發(fā)展。到了八、九十年代，由于大容量、長壽命蓄電池的大批量的生產及大功率晶體管的研制成功和計算機應用技術的廣泛應用，使綠色能源得到長足的發(fā)展，近期一些公司聲明他們將首先實現(xiàn)綠色能源計劃，其中就包含大量電動汽車。隨著國際、國內對環(huán)保要求的越來越高，對內燃車輛的排放要求也越來越高，這樣對綠色能源的需求越來越迫切，勢必會蓄電池電動車輛的使用量大幅度增加。1.2充電技術的發(fā)展概述對于鉛酸蓄電池來講，傳統(tǒng)的充電方式有恒流限壓充電和恒壓限流充電。這兩種充電方式的特點及存在的問題如下：恒流限壓充電充電時自始至終以恒定不變的電流進行充電，該電流可以通過PWM來調整，這種方式實現(xiàn)起來比較簡單方便，易于做到。特別適合由許多電池串聯(lián)起來的蓄電池組。蓄電池組中個別落后電池進行完全充電，恢復其容量，這時最好用小電流長時間的充電模式。恒流充電方式的不足之處在于：開始充電階段電流過小，在充電中后期電流又過大，析出氣體多，對危害較大，能耗高。鉛酸蓄電池不宜采用這種方式。因此，人們在恒流充電方式的基礎上進行了改進，即采用恒流限壓充電方式。為避免過充電，在充電后期采用限壓措施，減小充電電流，避免損壞電池。恒壓限流充電恒壓充電初期充電電流很大，隨著充電進行，電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過，這樣，在充電過程中就不必要調整電流。隨著蓄電池端電壓升高，充電電流會自動下降，所以析氣量少，充電時間較長，能耗較低。它的缺點是：充電初期，如果蓄電池放電深度過大，充電電流會很低，后期充電電流又過小，充電時間長；此外蓄電池端電壓的變化也很難補償，充電過程中對落后的電池完全充電也很難完成，為了彌補恒壓充電的不足，在恒壓充電的基礎上進行了改進，當充電電流較高的時候（如電池嚴重虧電，漏電，負荷過重等）這時應采取限流措施，保持電流不超過某一設定值而使電壓降低，待電流降低，電壓升起后再穩(wěn)壓，這就是恒壓限流的含義。單獨采用恒流充電限壓充電和恒壓限流充電等模式對鉛酸蓄電池進行充電，蓄電池的充電效果不是很理想。一方面這些充電方式充電時間過長，不能適應現(xiàn)代生產和生活的需要。另一方面，充電技術不能適應蓄電池的特殊要求，會嚴重影響蓄電池的使用壽命。國內外多年來的實踐證明，鉛酸蓄電池浮充電壓偏差5%，電池的浮充壽命將減少一半。統(tǒng)計數(shù)據(jù)聲明，國內蓄電池的平均壽命為1.5年（可充400次），國外同型號蓄電池壽命一般為四年（可充1000次）如果充電質量不好以及用戶使用維護保養(yǎng)跟不上，許多電池在使用一年后即報廢，造成很大的經濟損失，蓄電池價格占整機價格的20%，國外同容量電池價格則為國產蓄電池價格的2—3倍。因此，充電質量的好壞，直接影響到蓄電池的技術狀態(tài)及使用壽命。1.3充電器的技術水平、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢隨著蓄電池電動車的迅猛發(fā)展，對充電器的要求越來越高，從開始的單純充足，到目前的延長蓄電池壽命，減少能源消耗，充電器的功能已發(fā)生了質的飛越?，F(xiàn)在國外已研制成功只要用一小時就可以充滿蓄電池的大功率充電器，在體積上也越來越小，現(xiàn)在最小的大功率充電器只有一個書包大小。在我國的研究發(fā)展比較晚，因其體積小，動態(tài)響應速度快，輸出紋波小，效率高等特點，近年來得到國內外的廣泛研究與關注，特別在通信，電力等領域中，已經得到了普遍的研究和使用，但對于相控電源來說，它的價格比較高，而且功率器件的發(fā)熱量也較高，所以，在電力系統(tǒng)中的大功率場合，相控式的充電器仍然占有較大比重。而國外市場大部分充電器均采用Wa，WaWo，U&U等充電曲線方式更科學，合理，從而大大提高了蓄電池的使用壽命，大大降低了使用和維護成本，簡化了充電過程，解放了操作人員的勞動強度，市場前景非常廣闊。近年來，國內外人士正致力于充電器的智能化研究，智能化程度較高的充電器解決了動態(tài)跟蹤電池可接受充電電流曲線的技術關鍵，使充電電流始終與可接受充電電流保持良好的匹配關系，使充電過程始終在最佳狀態(tài)下進行，比常規(guī)充電模式可節(jié)約電能30%-50%左右，提高了充電質量和效率，充電工人只擔任輔助性工作，為充電技術和充電設備的智能化發(fā)展闖出了一條新路。隨著鉛酸蓄電池在人們生活中的應用越來越普遍，智能型充電器的智能要求也越來越高，本次的課題就是對智能電池充電器的設計和研究。2鉛酸蓄電池的工作原理及充放電過程2.1鉛酸蓄電池的基本概念由于蓄電池的充放電本身涉及到許多相關的專業(yè)知識，為了能夠更好的理解本課題，本節(jié)將要簡單介紹有關的鉛酸蓄電池一些知識。蓄電池容量蓄電池容量是指在一定條件下可以從蓄電池獲得的電量（用C表示），單位常用安培小時(Ah)表示，是蓄電池性能的重要指標。容量分為理論容量、實際容量和額定容量。理論容量（Co）是假設活性物質全部參加放電反應給出的容量。實際容量（C）是在一定放電條件下蓄電池實際放出的容量。額定容量（C額）是在設計和生產蓄電池時，規(guī)定或保證在指定的放電條件下蓄電池應放出的最低限度的電量。蓄電池容量除了與極板表面進行的電化學反應的物質數(shù)量有關外，還與極板表面活性物質的利用率、孔率、極板厚度、極板的表面積有關。此外還受電解液密度、溫度、放電條件（即：充電程度、放電率等）、蓄電池新舊程度等影響。在使用過程中，容量受放電率、電解液溫度的影響是主要的。當放電率較小，電壓下降緩慢，蓄電池實際放出的電量較高，當放電率變大時，電壓下降變快，蓄電池實際放出的電量較低。在一定范圍內，電解液溫度高，蓄電池的活性增加，內阻變小，容量變高，電解液溫度低時，蓄電池的活性降低，內阻變大，容量降低。（2）蓄電池的內阻（）內阻（）又稱全內阻，是指電流通過蓄電池時所受到得阻力，包括歐姆電阻和電化學反應中電極極化產生的電阻，即：=+（2.1）歐姆電阻（）：包括電極材料、電解液、隔板等組成的電阻，還與電池的尺寸、裝配、結構等因素有關。極化電阻（）：包括蓄電池使用過程中濃差極化和電化學極化產生的電阻之和。主要與電極材料的本性、電極的結構和制造工藝以及使用條件等因素有關。內阻越小，在同樣的放電條件可以消耗較少的電能，輸出較多的電能，提高電能利用率，從而提高蓄電池性能。（3）充電速率和放電速率為了對不同容量的電池加以比較，蓄電池的充電電流不用電流的絕對值來表示，而是用電池的額定容量C額和放電時間T的比來表示，稱為電池的充電速率或放電速率。國家標準規(guī)定，鉛酸蓄電池的額定容量按5小時連續(xù)放電來表示，即C5，例如一個額定容量C5為10Ah的電池，充電5小時后，電池完全充滿，則它的充電電流為：（2.2）即它的充電速率為0.2C5 （2.3）即它的充電速率為0.1C5充電終止電壓和放電終止電壓蓄電池充足電時，極板上的活性物質已達到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，蓄電池的電壓也不會上升，此時的電壓稱為充電終止電壓。放電終止電壓是指蓄電池可放電的最低電壓，如果電壓低于放電終止電壓后繼續(xù)放電，電池兩端電壓會迅速下降，形成過放電。這極易對電池造成永久性損害，影響蓄電池的使用壽命。放電終止電壓和放電率有關。電池的過充電當高速率充電而又不能及時地在滿充電后結束充電過程，電池則很容易存在大電流過充的問題。過充電會使電池內部的溫度和電壓都急劇上升，造成對電池的損害。這是因為在過充電階段電池內部所進行的反應為消耗反應，它會增大電池內部的壓力，同時，由于氧氣的產生和吸收都是放熱反應，這就使電池溫度迅速上升。因此在電池充電接近滿充電時，只能采用低速率充電。這是因為電池在低電流過充電時所產生的極化現(xiàn)象較輕，同時電池的熱量可以及時地向空中散發(fā)，基本上不會對電池造成傷害。電池的極化現(xiàn)象由于蓄電池內阻并不是純電阻，所以蓄電池的端電壓也與其他電源有所不同。該值與蓄電池的工作狀態(tài)有關，它一般有三種狀態(tài)的值：=1\*GB3①當蓄電池為開路狀態(tài)時，所測得的電池兩極間的電壓稱為電池的開路電壓；=2\*GB3②當蓄電池充電時所測得的電壓稱為電池的充電電壓；=3\*GB3③電池放電時測得的電壓稱為放電電壓。這三種狀態(tài)的電壓具有下述特點：充電電壓高于開路電壓，而且隨著充電時間的增加而略有升高，放電電壓則低于開路電壓，而且隨著放電時間的增加而略有降低，這種現(xiàn)象稱為電池的極化。這種現(xiàn)象的產生，主要是因為一般的密封式蓄電池在充電過程中，內部會產生氧氣和氫氣，其中主要是氧氣，氫氣只占一小部分，當產生的氧氣不能被及時吸收時，它便堆積在正極板上，使得電池內部壓力增大，電池溫度上升，同時縮小了電池正極板的板面積，表現(xiàn)為電池內阻上升，即使得電池出現(xiàn)了所謂的極化現(xiàn)象。上面提到的蓄電池的極化電阻正是由于電池的極化現(xiàn)象所表現(xiàn)出來的。當充電速率較低時，充電時所產生的氧氣可以被及時吸收，因此電池的極化現(xiàn)象很輕，一般不會對電池造成很大的傷害，當高速率恒流充電時，這一現(xiàn)象則不容忽視。蓄電池的極化現(xiàn)象對蓄電池的工作是不利的。它不僅使電池發(fā)熱，而且降低了電池的效率，同時也加速了電池的老化。電池的老化電池的老化是指另外一種現(xiàn)象：電池在開始使用的一段時間內，電池容量增加大約5%-10%，接下來的一段時間，電池的容量大約不變，然后開始慢慢減少，即開始了電池的老化過程。當電池的老化達到一定程度時，這個電池就報廢了。一般經驗來講，當電池的容量達到額定容量的80%時，就可以認為電池的壽命基本結束了。使用壽命使用壽命是指在其實際容量降低至某一規(guī)定值之前所經歷的充放電的次數(shù)，通常用來定義蓄電池的使用壽命，使用壽命是鉛酸蓄電池的重要指標之一，與使用中的放電深度、溫度、充放電等條件有關。減少放電深度或采用淺放電可大大延長蓄電池的使用壽命。充電時采用大電流充電，會造成蓄電池溫度高，損害蓄電池的壽命。影響使用壽命的原因有以下幾方面：正極板的板柵變形、板柵腐蝕、活性物質在使用過程中發(fā)生鈍化或產生不可逆硫酸鹽化等問題，都會造成使用壽命縮短。自放電現(xiàn)象當電池處于閑置不用（非工作狀態(tài)）時，雖然沒有電流流過蓄電池，但電池內的活性物質與電解液間自發(fā)的反應卻一直在進行，這造成了電池內的化學能量無益的損耗，使電池的容量下降，通常將這種現(xiàn)象稱為電池的自放電。自放電的大小一般用單位時間的電池容量下降得百分比來表示，見公式2.4： （2.4）其中，QO為蓄電池在規(guī)定條件下的容量，Qf為電池存儲一段時間后，在同樣規(guī)定條件下的容量。自放電通常與環(huán)境溫度有密切聯(lián)系。當環(huán)境溫度較高時，電池的自放電現(xiàn)象比較明顯，所以電池應在適宜的溫度和濕度下保存，自放電一般不會損傷電池，只要重新充足電量，還可以照常使用。鉛酸蓄電池的自放電相對鎳鉻電池來講比較嚴重，經驗表明，鉛酸蓄電池在閑置一個月后，自放電達30%左右?？紤]到這一點，在設計蓄電池充電器時，應能在電池長時間不用的情況下對電池進行補充充電。2.2鉛酸蓄電池的工作原理2.2.1鉛酸蓄電池電動勢的產生鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質--氫氧化鉛（Pb(OH)4），氫氧根離子在溶液中，鉛離子留在正極板上，故正極板上缺少電子。鉛酸蓄電池充電后，負極板是鉛（Pb），與電解液中的硫酸（H2SO4）發(fā)生反應，變成鉛離子（Pb2+），鉛離子轉移到電解液中，負極板上留下多余的兩個電子（2e）?？梢?，在未接通外電路時（電池開路），由于化學作用，正極板上缺少電子，負極板上多余電子，兩極板間就產生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。2.2.2鉛酸蓄電池放電過程的電化反應鉛酸蓄電池放電時，在蓄電池的電位差作用下，負極板上的電子經負載進入正極板形成電流I。同時在電池內部進行化學反應。負極板上每個鉛原子放出兩個電子后，生成的鉛離子（Pb2+）與電解液中的硫酸根離子（SO42-）反應，在極板上生成難溶的硫酸鉛（PbSO4）。正極板的鉛離子（Pb4+）得到來自負極的兩個電子（2e）后，變成二價鉛離子（Pb2+），與電解液中的硫酸根離子（SO42-）反應，在極板上生成難溶的硫酸鉛（PbSO4）。正極板水解出的氧離子（O2-）與電解液中的氫離子（H）反應，生成穩(wěn)定物質水。電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場的作用下分別移向電池的正負極，在電池內部形成電流，整個回路形成，蓄電池向外持續(xù)放電。放電時H2SO4濃度不斷下降，正負極上的硫酸鉛（PbSO4）增加，電池內阻增大（硫酸鉛不導電），電解液濃度下降，電池電動勢降低。2.2.3鉛酸蓄電池充電過程的電化反應充電時，應在外接一直流電源（充電極或整流器），使正、負極板在放電后生成的物質恢復成原來的活性物質，并把外界的電能轉變?yōu)榛瘜W能儲存起來。在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價鉛離子（Pb2+）和硫酸根負離子（SO42-），由于外電源不斷從正極吸取電子，則正極板附近游離的二價鉛離子（Pb2+）不斷放出兩個電子來補充，變成四價鉛離子（Pb4+），并與水繼續(xù)反應，最終在正極極板上生成二氧化鉛（PbO2）。在負極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價鉛離子（Pb2+）和硫酸根負離子（SO42-），由于負極不斷從外電源獲得電子，則負極板附近游離的二價鉛離子（Pb2+）被中和為鉛（Pb），并以絨狀鉛附著在負極板上。電解液中，正極不斷產生游離的氫離子和硫酸根離子（SO42-），負極不斷產生硫酸根離子（SO42-），在電場的作用下，氫離子向負極移動，硫酸根離子向正極移動，形成電流。充電后期，在外電流的作用下，溶液中還會發(fā)生水的電解反應。2.2.4鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化從上面可以看出，鉛酸蓄電池放電時，電解液中的硫酸不斷減少，水逐漸增多，溶液比重下降。鉛酸蓄電池充電時，電解液中的硫酸不斷增多，水逐漸減少，溶液比重上升。實際工作中，可以根據(jù)電解液比重的變化來判斷鉛酸蓄電池的充電程度[5]。2.3蓄電池的充電工作特性上世紀60年代中期，美國科學家馬斯對開口蓄電池的充電過程作了大量的試驗研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖2-1所示。實驗表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時間，并且對電池的容量和壽命也沒有影響。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線，從而奠定了快速充電方法的研究方向。由圖2-1可以看出：初始充電電流很大，但是衰減很快。主要原因是充電過程中產生了極化現(xiàn)象。在密封式蓄電池充電過程中，內部產生氧氣和氫氣，當氧氣不能被及時吸收時，便堆積在正極板（正極板產生氧氣），使電池內部壓力加大，電池溫度上升，同時縮小了正極板的面積，表現(xiàn)為內阻上升，出現(xiàn)所謂的極化現(xiàn)象。圖2-1最佳充電曲線常規(guī)充電技術常規(guī)充電制度是依據(jù)1940年前國際公認的經驗法則設計的。其中最著名的就是“安培小時規(guī)則”：充電電流安培數(shù)，不應超過蓄電池待充電的安時數(shù)。實際上，常規(guī)充電的速度被蓄電池在充電過程中的溫升和氣體的產生所限制。這個現(xiàn)象對蓄電池充電所必須的最短時間具有重要意義。一般來說，常規(guī)充電有以下3種。=1\*GB3①恒流充電法恒流充電法是用調整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強度不變的充電方法，如圖2-2所示?？刂品椒ê唵?，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產生氣體，使出氣過甚，因此，常用于階段充電法中。圖2-2恒流充電曲線=2\*GB3②階段充電法此方法包括二階段充電法和三階段充電法。二階段法采用恒電流和恒電壓相結合的快速充電方法，如圖2-3所示。首先，以恒電流充電至預定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉換電壓就是第二階段的恒電壓。圖2-3二階段法曲線三階段充電法在充電開始和結束時采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當電流衰減到預定值時，由第二階段轉換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。=3\*GB3③恒壓充電法充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電，如圖2-4所示。由于充電初期蓄電池電動勢較低，充電電流很大，隨著充電的進行，電流將逐漸減少，因此，只需簡易控制系統(tǒng)。圖2-4恒壓充電法曲線這種充電方法電解水很少，避免了蓄電池過充。但在充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，造成電池報廢。鑒于這種缺點，恒壓充電很少使用，只有在充電電源電壓低而電流大時采用。例如，汽車運行過程中，蓄電池就是以恒壓充電法充電的?？焖俪潆娂夹g為了能夠最大限度地加快蓄電池的化學反應速度，縮短蓄電池達到滿充狀態(tài)的時間，同時，保證蓄電池正負極板的極化現(xiàn)象盡量地少或輕，提高蓄電池使用效率?？焖俪潆娂夹g近年來得到了迅速發(fā)展。下面介紹目前比較流行的幾種快速充電方法。這些方法都是圍繞著最佳充電曲線進行設計的，目的就是使其充電曲線盡可能地逼進最佳充電曲線[2]。=1\*GB3①脈沖式充電法這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高蓄電池充電接受率，從而打破了蓄電池指數(shù)充電接受曲線的限制，這也是蓄電池充電理論的新發(fā)展。脈沖充電方式首先是用脈沖電流對電池充電，然后讓電池停充一段時間，如此循環(huán)，如圖2-5所示。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經化學反應產生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應時間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。圖2-5脈沖式充電曲線=2\*GB3②REFLEXTM快速充電法這種技術是美國的一項專利技術，它主要面對的充電對象是鎳鎘電池。由于它采用了新型的充電方法，解決了鎳鎘電池的記憶效應，因此，大大降低了蓄電池的快速充電的時間。鉛酸蓄電池的充電方法和對充電狀態(tài)的檢測方法與鎳鎘電池有很大的不同，但它們之間可以相互借鑒。如圖2-6所示，REFLEXTM充電法的一個工作周期包括正向充電脈沖，反向瞬間放電脈沖，停充維持3個階段[2][14][15][16]。圖2-6REFLEXTM快速充電法=3\*GB3③變電流間歇充電法這種充電方法建立在恒流充電和脈沖充電的基礎上。其特點是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。充電前期的各段采用變電流間歇充電的方法，保證加大充電電流，獲得絕大部分充電量。充電后期采用定電壓充電段，獲得過充電量，將電池恢復至完全充電態(tài)。通過間歇停充，使蓄電池經化學反應產生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。=4\*GB3④變電壓間歇充電法在變電流間歇充電法的基礎上又有人提出了變電壓間歇充電法。與變電流間歇充電方法不同之處在于第一階段的不是間歇恒流，而是間歇恒壓。比較=3\*GB3③和=4\*GB3④兩種方法，可以看出：=4\*GB3④方法更加符合最佳充電的充電曲線。在每個恒電壓充電階段，由于是恒壓充電，充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降，符合電池電流可接受率隨著充電的進行逐漸下降的特點。=5\*GB3⑤變電壓變電流波浪式間歇正負零脈沖快速充電法綜合脈沖充電法、REFLEXTM快速充電法、變電流間歇充電法及變電壓間歇充電法的優(yōu)點，變電壓變電流波浪式正負零脈沖間歇快速充電法得到發(fā)展應用。脈沖充電法充電電路的控制一般有兩種：其一為脈沖電流的幅值可變，而PWM（驅動充放電開關管）信號的頻率是固定的；其二為脈沖電流幅值固定不變，PWM信號的頻率可調。=5\*GB3⑤方法采用了一種不同于這兩者的控制模式，脈沖電流幅值和PWM信號的頻率均固定，PWM占空比可調，在此基礎上加入間歇停充階段，能夠在較短的時間內充進更多的電量，提高蓄電池的充電接受能力[2][5][12]。2.4充電終止條件控制方法蓄電池在充足電后，電池的溫度和內壓都會快速的上升，同時電池的端電壓開始下降出現(xiàn)電壓負增量，如果此時繼續(xù)進行快速大電流充電，對蓄電池的損害是顯然的。因此，為了保證電池能充電又不過充電，必須采用一定的方法來控制充電的停充問題?，F(xiàn)階段采用的控制方法很多，通常使用的有定時控制，電壓控制，溫度控制及最小終止電流等方法進行充電終止控制。在鉛酸蓄電池充電器中，通常采用電壓控制，最長充電時間（定時控制），蓄電池溫度等控制，本文采用電壓控制，溫度控制和電流控制相結合的方法。2.4.1電壓控制在電壓控制法中，最容易檢測的是電池的最高電壓。常用的電壓控制法有：最高電壓控制，電壓負增量控制，電壓二次導數(shù)控制。最高電壓控制從充電特性曲線可以看出，電池電壓達到最大值時，電池即充足電。充電過程中，當電池電壓達到規(guī)定值后，應立即停止充電。這種控制方法的缺點是：電池充電的最高電壓隨環(huán)境溫度，充電速率而變化，因此，最高檢測電壓必須采用一定的溫度補償，并且還必須根據(jù)充電速率加以適當修正，若最高檢測電壓不能隨溫度變化而自動調整，則低溫時，電池充不足電，高溫時，電池充足電后仍會繼續(xù)大電流過充。這樣，可能降低電池壽命，也可能損壞電池。另外，蓄電池組中各單體電池的最高充電電壓也會有差別，因此采用這種方法不可能非常準確地判斷電池已充足電。電壓負增量控制由于電池電壓的負增量與電池組的絕對電壓有關，而且不受環(huán)境溫度，充電速率等因素的影響，因此，可以比較準確地判斷電池已充足電。采用這種檢測法的快速充電器，可以對電池數(shù)不同的電池組充電。負增量檢測法的缺點是：電池電壓出現(xiàn)負增量后，電池已經過充電，因此電池溫度較高。此外，鎳氫電池充足電后，電池電壓要經過較長時間才出現(xiàn)負增量，過充電較嚴重。因此，這種控制方法主要應用于鎳鉻電池。為了避免環(huán)境溫度過高時損壞電池，最好與其他控制方式配合使用。電壓二次導數(shù)控制這種控制方法是通過檢測電池電壓的二次導數(shù)來實現(xiàn)控制的，實驗證明，當電池在充足電時，電壓的二次導數(shù)將達到某一個確定的值，此時結束充電即可。這種方法適用于恒流充電模式。2.4.2定時控制通常用在恒流充電模式中。例如，對于10Ah的蓄電池，采用0.2C5充電速率，電池5h可充足；采用0.4C5這種控制方法比較簡單，但是由于電池的起始充電狀態(tài)不完全相同，有的電池充不足，有的電池過充電，然而充電時間是固定的，所以不能根據(jù)電池充電前的狀態(tài)來自動調整。因此，只有充電速率小于0.3C52.4.3溫度控制為了避免損壞電池，電池溫度過低時不能立即開始快速充電過程，電池充足電后，充入的電量都消耗在電池中，電池的溫度很快上升，電池溫度上升到規(guī)定數(shù)值后，必須立即停止充電過程。電池的溫度可以通過與電池在一起的溫度傳感器件來檢測，當電池溫度超過規(guī)定值時（一般為50℃），充電器能自動轉入浮充電模式。當環(huán)境溫度較低時，規(guī)定的最高溫度值相對過高（50℃），這樣容易造成過充電，容易損壞電池。為避免損壞電池，又常采用溫升控制法，即當溫升達到一定值時，充電器便自動轉入浮充電模式。上述各種控制方法各有優(yōu)缺點。為了保證在任何情況下，均能準確可靠地控制電池的充電狀態(tài)，目前快速充電器中通常采用包括時間控制，電壓控制和溫度控制的綜合控制法。2.5智能充電器的充電過程對于鉛酸蓄電池來講，常用的充電方式有恒流限壓和恒壓限流兩種充電方式，然而，單獨采用其中的一種充電方式，沒有動態(tài)跟蹤電池的實際狀態(tài)和可接受充電電流大小的技術，對鉛酸蓄電池的充電效果不是很理想。根據(jù)鉛酸蓄電池的使用階段及蓄電池的特性，為了進一步延長蓄電池的使用壽命，在長期使用和經驗總結的基礎上，對蓄電池進行了四個階段的充電以達到最優(yōu)的效果。（1）預充階段即涓流充電階段當系統(tǒng)檢測到蓄電池虧電時，首先以小電流充電，主充電流一般采用0.05倍率：（3.1）式中：蓄電池的電池容量當電池電壓升至接近額定電壓（一般取1.9V/單體）時，進入主充電階段。（2）主充階段主充階段以恒流方式充電。主充時的充電電流一般采用0.3倍率：（3.2）式中：蓄電池的電池容量當電池電壓升至均充電壓（一般取2.1V/單體）時，進行限壓充電，充電過程進入下一階段。（3）均充階段即恒壓充電階段隨著限壓充電的進行，電池電流也隨之逐漸降低。當充電電流降低到浮充電流時，電池已基本充滿，其中：（3.3）（4）浮充階段低壓小電流充電階段，以補充電池的自然放電浮充時，須將充電電壓穩(wěn)定在蓄電池的額定電壓附近（比主充最高限壓V要低）。因此，充電電流與主充時相比很小，但是，由于工作情況的復雜性，浮充時也有電流較高的可能（如電池嚴重虧電，漏電，負荷過重等）。這時應采取限流措施，保持電流不超過某一設定值而使電壓降低，待電流降低，電壓升高后再穩(wěn)壓，這就是恒壓限流的含義[3][10][11]。3智能充電器的硬件設計3.1智能充電器的總體設計要求及設計方案鉛酸蓄電池充電器性能的優(yōu)劣直接影響充電電池的使用壽命，用戶對充電器的要求主要有兩個方面：其一是要有較高的性能指標，如由平均無故障運行時間所表達的可靠性，由穩(wěn)壓穩(wěn)流精度，動態(tài)調整速度及紋波系數(shù)等所表達的動、靜態(tài)特性，其二是要有較為完善的自我檢測與控制功能，有較高的智能水平，能對充電電壓，電流進行檢測等。智能充電器的基本功能如下：通過對鉛酸蓄電池的電壓，電流進行定時的檢測，輸入到單片機，單片機根據(jù)得到的數(shù)值進行一系列的處理后輸出到八段碼中，用來告訴用戶充電進行到哪個階段。直到充電結束蜂鳴器發(fā)聲，提醒用戶充電已完成。單片機將檢測到的數(shù)據(jù)經過一定的處理輸出到硬件上，通過PWM脈沖寬度來調整充電的階段的電流和電壓，以達到更好的充電效果。同時還進一步設置了防止電池過充以損害電池的裝置。針對上述功能，它的硬件結構框圖如圖3-1所示：圖3-1智能充電器的硬件結構框圖其中單片機采用了由AD公司生產的ADuc824，它內含有兩個獨立的A/D轉換通道和一個D/A轉換通道，并且內部還有一個溫度傳感器，為設計外圍電路接口提供了方便。PWM電路是通過TL494芯片通過數(shù)據(jù)的采集輸出一定寬度的脈沖波來控制電池的充電階段，從而實現(xiàn)充電電池的智能型充電。電壓檢測電路和電流檢測電路分別采用將檢測到的電壓和電流通過放大器和光電藕隔離器進行轉換使得輸出的電壓和電流能夠滿足單片機的+5V電壓范圍。顯示和報警電路是通過單片機控制來顯示電池組當前的充電狀態(tài)，提示用戶當前進入的狀態(tài)。3.2單片機部分3.2.1ADuC824的介紹單片機選用性價比較高的AD公司生產的ADuC824.

ADuC824是AD公司新推出的高性能單片機，它在內部集成了高分辨率的A/D轉換器，是目前片內資源最豐富的單片機之一。它將8051內核、兩路24位+16位∑-△A/D、12位D/A、FLASH、WDT、μP監(jiān)控電路、溫度傳感器、SPI和I2C（1）ADuC824的性能特點

ADuC824是一個片內資源非常豐富的單片機，各種片內資源都有其獨自的特點，主要表現(xiàn)如下：●高分辨率∑-△ADCS有兩個獨立的通道(24位+16位分辨率)；內含可編程增益放大器；在20Hz/20mV范圍內有13位有效分辨率；在20Hz/2.56V范圍內有18位有效分辨率?！翊鎯ζ?K字節(jié)片內Flash/EE程序存儲器；640字節(jié)片內Flash/EE數(shù)據(jù)存儲器；256字節(jié)片內RAM?！?051內核可與8051指令系統(tǒng)兼容(最高時鐘頻率12.58MHz)；具有32kHz外部晶振和片內PLL；有3個16位定時/計數(shù)器；內含12個中斷源、2個優(yōu)先級。●電源可用于3V或5V操作；一般情況下為3mA/3V(核心時鐘頻率為1.5MHz)；掉電保持電流為20μA(32kHz的晶振運行頻率)?！駜群钠渌鈬O備有：片內溫度傳感器；12位電壓輸出DAC；雙激勵恒流源；時間間隔計數(shù)器；2線(I2C可兼容)和SPI串行I/O看門狗定時監(jiān)視器(WDT)；電源供電監(jiān)視器(PSM)。ADuc824的結構ADuc824的內部功能結構如圖3-2所示。圖3-2ADuC824的內部功能結構=1\*GB3①雙通道∑-△型A/D

ADuC824包括兩個帶有數(shù)字濾波器的∑-△ADC通道(主通道和輔助通道)。主通道用于測量主傳感器的輸入，這個通道具有緩沖器，可以接收來自輸入管腳Ain1/2和Ain3/4的差分信號。在緩沖器意味著可處理較高內阻的信號源，而且可在輸入通道前加入模擬RC濾波器。主通道可通過調節(jié)編程放大器的增益而接收±20mV，±40mV，±2.56V等幾種量程的輸入。輔助通道用于接收輔助信號的輸入，例如冷端二極管或熱敏電阻的輸入，此通道無緩沖器，只有一個固定為±2.56V的輸入范圍。AD通道的設置和控制是通過專用寄存器塊(SFR)中的一組寄存器來實現(xiàn)的。其名稱以及在SFR中的地址和功能如下：ADSTAT(D8H)：狀態(tài)寄存器，包括數(shù)據(jù)準備就緒、校準狀態(tài)和一些出錯信息ADMODE(D1H)：模式寄存器，控制主通道和輔助通道的操作模式AD0CON(D2H)：主通道控制寄存器AD1CON(D3H)：輔助通道控制寄存器SF(D4H)：數(shù)字濾波器寄存器，通過調節(jié)濾波器參數(shù)來控制主、輔通道數(shù)據(jù)的更新速率ICON(D5H)：恒流源控制寄存器，用于控制片內恒流源(片內有兩個200μA恒漢源，可緞帶外接變送器提供激勵電流)AD0L/M/H(D9/DA/DBH)：三字節(jié)，用于存放主通道24位轉換結果AD1L/H(DC/DDH)：兩字節(jié)，用于存入輔助通道16位轉換結果OF0L/M/H(E1/E2/E3H)：三字節(jié)，用于存放主通道偏移校準系數(shù)OF1L/H(E4/E5H)：兩字節(jié)，用于存入輔助通道偏移校準系數(shù)GN0L/M/H(E9/EA/EBH)：三字節(jié)，用于存放主通道增益校準系數(shù)GN1LH(EC/EDH)：兩字節(jié)，用于存放輔助通道增益校準系數(shù)=2\*GB3②ADuC824的存儲器結構ADuC824的片內存儲器包括8K字節(jié)片內Flash/EE程序存儲器、640字節(jié)片內Flash/EE數(shù)據(jù)存儲器和256字節(jié)片內RAM。圖3-3內部數(shù)據(jù)存儲器中的配置圖ADuC824的程序和數(shù)據(jù)存儲器有分開的尋址空間。如用戶在EA置0時上電或復位，則芯片執(zhí)行外部程序空間的指令而不能執(zhí)行內部8KFlash/EE程序存儲器空間的指令。若EA被置0，則從內部8KFlash/EE開始執(zhí)行程序。附加的640字節(jié)Flash/EE數(shù)據(jù)存儲器是通過專用寄存器塊(SFR)中的一組控制寄存器來間接訪問的。ADuC824的片內Flash/EE程序存儲器可用兩種模式進行編程：即在線串行下載和并行編程。另外，ADuC824還可通過標準的UART串行端口下載源代碼。若管腳PSEN通過一個下拉電阻被下拉，芯片則自動進入串行下載模式。當設備連接正確時源代碼將自動載入到程序存儲器，并可通過這種方式進行在線編程。③其它外設DACADuC824上集成了一個12位電壓輸出的數(shù)據(jù)轉換器。它有一個軌對軌的電壓輸出緩沖，可驅動10kΩ/100pF的負載。它有兩個輸出范圍：0到VREF和0到AVDD，能以8位或12位模式工作。DAC有一個控制存儲器DACCON和兩個數(shù)據(jù)寄存器DACL/H。片內PLL一般∑-△型AD都需外接一個晶振，CPU工作也需要外部晶振。ADuC824使用一個32.768kHz的外部晶振同時為AD和CPU提供時鐘信號。片內PLL以倍速鎖存(32×16倍)方式為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的12.582912MHz的時鐘信號。CPU核心可以用這個頻率工作，也可以以該頻率分頻后的頻率工作，以降低功耗，減少干擾。AD時鐘也來源于PLL時鐘，其調制速度和晶振頻率相同。以上的頻率選擇保證了AD調制器和CPU核心的時鐘同步。PLL的控制寄存器是PLLCON。時間間隔計數(shù)器(TIC)時間間隔計數(shù)器可用于計量較長的時間間隔，而標準8051的定時/計數(shù)器卻不能。有六個SFR寄存器與TIC有關，TIMECON是它的控制寄存器，INTVAL是用戶定時設置寄存器，當TIC的計時器達到INTCVAL的設置值時，TIC將有一個主動的輸出，此輸出可引發(fā)一個中斷或使TIMEON中的TII位置位。HOUR、MIN、SEC、HTHSEC分別是時、分、秒、1/128秒的寄存器。ADuC824的外設還包括片內溫度傳感器、門狗定時器(WDT)、電源供電監(jiān)視器(PSM)、SPI串行接口和I2C串行接口等[6]3.2.2單片機電路部分本次設計采用ADuC824，其連接電路圖如圖3-4。圖3-4單片機連接電路由于本單片機采用的是ADuC824，其使用的是一個外部晶振為32.768kHz頻率的時鐘為CPU提供時鐘周期，片內PLL以倍速鎖存(32×16倍)方式為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的12.582912MHz的時鐘信號。為了與平時學的80C51的12MHz的晶振頻率一致,且易編程，我們可以對片內PLL的控制寄存器PLLCON進行軟件設計來實現(xiàn)12MHz的晶振頻率。當電壓檢測量VOLTAGE/AIN3和電流檢測量CURRENT/AIN1送入到單片機的兩個獨立的模數(shù)轉換通道，單片機將模擬量轉化為數(shù)字量，進而進行一定的數(shù)據(jù)分析，確定充電進入充電四個階段的哪個階段，同時將轉化的數(shù)字量通過數(shù)模轉換送到TL494的放大器的同相輸入端DTC，單片機在確定充電進入哪個階段后，將通過P0口輸出給8段碼顯示，用來告訴用戶當前電池的充電的狀態(tài)，并且當充電結束時，單片機將驅動蜂鳴器發(fā)聲，提醒用戶充電已結束[6][13][17]。3.3充電電路設計部分3.3.1充電電路電源部分該電路屬于降壓扼流圈電路，輸出電壓比輸入電壓低時使用，如圖3-5所示的電路中，220伏市電經變壓器降壓后，由整流器整流和大電容C1平滑濾波，作為直流充電電源。PWM控制信號的高電平脈沖出現(xiàn)，使MOSFET導通之后，電感L1的電流不斷增大，電容C2充電，該電路不斷存儲能量，同時通過電感L2對電池充電，此時，續(xù)流二極管因反向偏置而截止。經過PWM高電平脈沖持續(xù)時間后，PWM信號變低，MOSFET截止，電感L1中的電流減小，L1兩端的感應電動勢使續(xù)流二極管導通，L1中的存儲電流和電容C2存儲電荷向電池充電。經過PWM信號的低電平持續(xù)時間后，PWM信號的又一高電平到來，再度使MOSFET導通，上述過程重復發(fā)生。電感L2的作用是平滑充電電流[1][7]。圖3-5充電電源電路3.3.2控制電路控制電路用來產生PWM波，在這里采用了TL494來實現(xiàn)。TL494是美國德州儀器公司生產的一種電壓驅動型脈寬調制控制集成電路，主要應用在各種開關電源中，TL494價格低廉，易購得，和分立單元系統(tǒng)相比，在一個芯片內，同時解決了電流和電壓調節(jié)器，脈寬調制，最大電路限制。芯片內還設有附加監(jiān)控保護功能，使得它可獲得更優(yōu)良的工作性能，提高了抗干擾能力和可靠性，系統(tǒng)結構更簡潔，縮小了空間。由TL494、單片機組成的充電控制回路，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。（1）TL494管腳配置及其功能TL494的內部電路由基準電壓產生電路、振蕩電路、間歇期調整電路、兩個誤差放大器、脈寬調制比較器以及輸出電路等組成。圖3-6是它的管腳圖和內部結構原理圖，其中1，2腳是誤差放大器=1\*ROMANI的同相和反相輸入端；3腳是相位校正和增益控制；4腳為間歇期調整，其上加0-3.3V電壓時可使截止時間從2%線性變化到100%；5，6腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容；7腳為接地端；8，9腳和11，10腳分別為TL494內部兩個末級輸出三極管集電極和發(fā)射極；12腳為電源供電端；13腳為輸出控制端，該腳接地時為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳時為推挽輸出方式；14腳為5V基準電壓輸出端，最大輸出電流10mA；15，16腳是誤差放大器=2\*ROMANII的反相和同相輸入端。圖3-6TL494的管腳圖和內部結構(2)TL494回路控制原理TL494內部振蕩器產生的鋸齒波送到PWM比較器的反相輸入端，脈沖調寬電壓由ADuc824檢測到電池電壓、電流及溫度等參數(shù)經處理做出判斷，確定當前的充電階段，經D/A轉換器輸出電壓信號送到比較器的同相輸入端DTC，TL494內部PWM比較器比較后輸出一定寬度的脈沖波。當調寬電壓變化時，TL494輸出的脈沖寬度也隨之改變，從而改變MOSFET的導通時間，達到調節(jié)、穩(wěn)定輸出電壓的目的，使電池電壓與設定值保持一致，形成閉環(huán)回路控制。本次設計只采用一組PWM輸出，故TL494采用單端輸出方式。單端輸出時TL494的Q1和Q2并在一起輸出PWM波，如圖3-7所示。圖3-7單端輸出連接圖檢測到的電池電流轉換為0-5V的電信號，通過簡單濾波電路進行平滑、去除雜波干擾后的CURRENT/AIN1送給TL494的誤差放大器Ⅰ的V1+同相輸入端。設定輸入信號是由TL494的+5V基準電壓源經一精密多圈電位器分壓，由電位器滑動端通過濾波電路接入TL494的誤差放大器Ⅰ的V1-一反相輸入端。反饋信號和設定信號通過TL494的誤差放大器后進行比較放大，進而控制停止PWM輸出，防止過充電。在這次的設計中只用到了TL494的誤差放大器Ⅰ，故將誤差放大器Ⅱ的V2+（16腳）接地、V2-（15腳）接高電平[8][9]。TL494的控制回路電路圖如圖3-8所示。圖3-8TL494控制回路電路3.3.3檢測電路檢測電路包括電壓檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路，由于ADuc824自帶內部溫度傳感器，本節(jié)著重介紹電壓和電流檢測電路。電壓檢測電壓檢測電路的設計主要考慮的問題是:在正常充電的過程中，電池端電壓Ubat的變化范圍是0V到15V，要使單片機檢測Ubat的變化映射到0V到5V的范圍內，在測量中，需要用低壓器件去測量高壓、強電流模擬量，如果模擬量與數(shù)字量之間沒有電氣隔離，那么，高電壓、強電流很容易串入低壓器件，并將其燒毀。本設計采用精密電阻進行比例衰減，把輸入電壓量程范圍轉化為AD轉換器的量程范圍，然后經RC濾波，再送給AD轉換器測量。線性光藕可以較好的實現(xiàn)輸入側和輸出側之間的隔離，且輸出側跟隨輸入變化，線性度達0.01%。電壓采樣電路的工作原理如圖4-9所示：圖3-9電壓檢測電路輸入電壓： （4.1）經分壓衰減變成 （4.2）忽略運放的電流，根據(jù)虛地原理，有所以第一路光藕的輸出 （4.3）由于光藕和的原邊電流相同，且2個光藕制造工藝相同，所以可近似地認為它們的電流放大倍數(shù)是相同的。即兩路光藕的輸入輸出電流之比（4.4）因為A/D的輸入阻抗很高，所以 （4.5）把、、、的阻值代入得 （4.6）調節(jié)，使得采樣電路輸出的電壓為 （4.7）/r