智能充电器业设计.docx
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智能充电器业设计.docx
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智能充电器业设计
内蒙古机电职业技术学院电气工程系
毕业设计任务书
题目:
电动自行车智能蓄电池充电器设计
专业电气自动化技术
学生姓名王愿峰
班级电气1205班
指导教师(签字)王晓蓉
指导单位电气工程系
日期2014/11/17
设计题目
电动自行车智能蓄电池充电器设计
课题类型
产品设计
课题类别
软件硬件结合
设计目标与技术要求
一、设计目标
随着能源日益紧缺、大气污染加剧和人们环保意识的增强,以电动自行车作为交通工具,已成为人们的首选。
从我国国情和人们的消费水平出发,电动自行车具有广阔的发展前景。
作为电动自行车核心部件的电池及其充电器,其性能的优劣,直接影响电动自行车的质量状况,老式充电器主要是限流限压、恒流限压式充电器,这些充电器设计并不理想。
因此,研制性能良好的智能充电器,会带来显著的经济效益和良好的社会效益。
二、设计要求
1.要求学生在充分调研电动自行车蓄电池的内部结构和充电特性的基础上,设计出基于微控制器的智能的充电器。
2.要求学生设计出智能充电器的电源回路、主控电路及信号控制三个部分。
3.设置电源回路提供电池充电工作时需要的各种电压;设计主控电路部分主要控制各个状态的充电过程,包括充电的过程控制、电压变化检测、电流检测、温度检测、充电保护和故障报警等。
4.硬件部分要求完成硬件原理图设计和硬件电路图设计;软件部分要求完成软件流程图设计,主程序设计,和部分子程序设计。
5.学生可以按要求自行选择微控制器,并在此基础上选择集成开发环境,软件编程选择C语言。
三、培养能力
1.培养学生综合应用所学理论知识和基本技能、分析解决实际问题能力、独立工作能力和创新能力。
2.应学会根据题目的要求,进行调研、资料收集与处理;特别要注意收集国外该领域的最新研究进展,充分利用计算机、数字图书馆和工具书,训练迅速查找资料的能力。
3.应掌握有关工程设计程序、方法和技术规范,努力提高工程设计计算、理论分析、图表绘制、技术文件编写的能力。
4.应掌握实验、测试技能、提高对实验结果的分析能力和解决问题的能力。
5.通过毕业设计,树立正确设计思想,培养学生严肃认真的科学态度和严谨的科学作风,团结协作精神和敬业精神。
设计进度
月下——月上:
研究毕设所要解决的问题,查阅资料,完成3000字的撰写。
月上——月中:
进行整体方案的上步设计,完成开题答辩准备。
月中——月上:
完成各模块的选型,完成总体方案的设计。
月上——月中:
完成硬件原理图的设计。
月中——月上:
完成系统软件的设计编程,准备中期答辩。
月上——月下:
调试软件程序。
月下——月中:
论文撰写,答辩准备。
参考资料
[1]何力民编.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北航出版社.
[2]吕波等注.C语言应用教程[M].北京大学出版.1997年5月
[3]孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:
清华大学出版社,2005.
[4]胡汉才编.单片机原理及其接口技术[M].清华大学出版社.
[5]陈张龙编.实用单片机大全[M].黑龙江出版社.
[6]北京联合大学王研智能充电器的设计毕业论文
[7]安徽工贸职业技术学院智能蓄电池充电器设计毕业论文
[8]智能型铅酸蓄电池充电器的设计与现实彭和平江正战《电子技术》2001年12期(期刊)
指导教师
指导教师评语:
成绩:
指导教师签名:
年月日
系部意见
系复审意见:
成绩:
复审人签名:
职称:
公章
年月日
注:
毕业设计考核按照学院统一标准考核
摘要
随着能源日趋紧缺、大气污染加重和人们环保意识的增强,以电动自行车作为交通工具,已成为人们的首选。
从我国国情和人们的消费水平动身,电动自行车具有广漠的发展前景。
作为电动自行车核心部件的电池及其充电器,其性能的好坏,直接影响电动自行车的质量状况,老式充电器主如果限流限压、恒流限压式充电器,这些充电器设计并非睬想。
因此,研制性能良好的智能充电器,会带来显著的经济效益和良好的社会效益。
针对电动自行车充电技术的要求和电动自行车电池的特点,为了使电动自行车充电器取得良好的性能指标,必需寻觅最佳的充电模式。
以Microchip(微芯)公司的PIC16F73单片机作为控制芯片,采用四模式充电技术:
涓流充电、大电流充电、过充电和浮充电组合起来的充电方式,设计了一种基于单片机控制的电动自行车充电器,电路简单靠得住,参数调整方便,同传统充电器相较,具有充电时间短、能耗低、利用故障低等长处,使蓄电池具有较大的利用容量和较长的循环寿命。
关键词:
充电器PIC16F73单片机四模式充电技术蓄电池
引言
由于电动自行车节能环保,已经成为人们重要的交通工具,目前限制电动自行车发展的主要因素是电动自行车的动力来源——电池,要想大力发展电动自行车,必需提高电池和充电器的质量[1].
铅酸蓄电池在100连年的历史中一直不断地在改良提高,特别是密封铅酸蓄电池因其本钱低、适用性宽、可逆性好、技术和制造工艺较成熟、安全靠得住、具有刹时放电力强、大电流放电性能良好、利用温度范围广等综合因素,已成为商业化轻型电动自行车主要采用的电池。
充电器的发展经历了限流限压、恒流限压式充电器,而随着大规模集成电路的出现,充电设备进入了一个全新的自适应阶段,即自适应充电器。
充电系统由具有特殊功能的单片机控制,不断监测系统参数,同一充电器可适应不同种类电池的充电,充电器可以调整自己的输出电流,无需人工选择。
电动自行车的开发在全世界范围内未能深切展开,其中,最重要也是最困难的一个问题是“充电”问题,主如果指充电模式和参数。
电动自行车动力电池与一般启动用电池不同,它以较长时间中等电流持续放电为主,间或以大电流放电,用于起动、加速或爬波。
一般情况下电动自行车动力用电池多工作在深度放电工作状态,因此,对电动自行车动力电池的快速充电也提出了不同于常规电池的要求。
本课题就是要针对电动自行车动力电池的特点,以Microchip公司的PIC16F73单片机作为控制芯片,结合现行的各类充电技术和充电器设计方案,设计一款基于单片机控制的多模式智能充电器[2],该充电器采用涓流充电、大电流充电、过充电和浮充电组合起来的充电模式,可达到最佳的充电效果,使智能充电器具有良好的性能指标,电路简单靠得住,参数调整方便,利用故障率低,可有效延长电池的循环寿命,因此对环保、节能型电动自行车和充电器的设计和开发具有重要的意义。
■1国内外研究现状
目前人们大多利用以常规充电法为原理的充电装置进行充电,其充电电流一般都较小,是为了避免采用大电流充电产生的过电压、温度上升太快、产生大量的气泡和消耗电量太大等问题所谓常规充电方式包括小电流充电、恒压充电和三阶段充电等。
最近几年,在国家政策的大力支持下,蓄电池作为一种新能源以其具有大容量、性价比较高、工作温度范围大、工作安全靠得住和制作原材料丰硕等特点在电子电力系统中的应用愈来愈普遍。
特别是在工业上自动引导车、电瓶车和电动汽车动力源等方面取得普遍的应用。
铅酸蓄电池技术的进步增进了通信、信息及电动汽车等相关产业的蓬勃发展。
随着铅酸蓄电池利用量的增大,不合理的充电方式造成了铅酸蓄电池容量快速下降,利用寿命缩短,使电池过早的废弃,产生了严重的资源浪费和环境污染。
因此,高效、安全和靠得住的蓄电池充电方式显得极为重要,这也极大推动了人们对智能快速充电理论的不断深切研究,随着电池利用量的增大,若是改良充电器实现对铅酸蓄电池的智能快速充电,将对节约充电时间和能源有重大意义。
2电动自行车智能充电器充电模式分析
由于目前铅酸蓄电池的利用仍占市场的95%,大量电动自行车仍然利用铅酸电池作为动力电池,因此本课题以密封免保护铅酸蓄电池作为研究对象,进行电动自行车动力电池智能充电器的设计和实现[3]。
密封免保护铅酸蓄电池的结构和工作原理分析
密封免保护铅酸电池由正负极板、隔板、电解液、安全阀、气塞、外壳等部份组成[1],正极板采用铅钙合金或铅镉合金、低锑合金,提高了负极析氢过电位,从而抑制氢气的析出;负极板采用铅钙合金,整个电池反映密封在塑料电池壳内,隔板采用超细玻璃纤维隔板[4],电池顶部装有安全阀,当电池内部气压达到必然数值时,安全阀自动开启,排出多余气体;电池内气压低于必然数值时,安全阀自动关闭。
顶盖上还有内装陶瓷过滤器的气塞,它可以避免酸雾从蓄电池中逸出。
正负极接线端子用铅合金制成,采用全密封结构,并用沥青封口。
电池充电是通过逆向化学反映将能量存储到化学系统里实现的,免保护蓄电池需要先用电源对其充电,将电能转化为化学能贮存起来,蓄电池阳极的活性物质是二氧化铅(PbO2),阴极的活性物质是铅(Pb),电解液是稀硫酸(H2SO4),其化反映式为:
放电反映式:
2PbSO4+2H2O=PbO2+Pb+2H2SO4
充电反映式:
PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O
容量和寿命是蓄电池的重要参数。
蓄电池的容量(C)指的是它的蓄电能力。
概念为:
采用规定的放电速度(一般为10小时放电率),充沛电的电池放电至规定的终止电压能够放出的安时数。
蓄电池的额定容量(C)通常作为电池充放电速度的单位。
例如,100Ah的蓄电池,采用20A电流充电,则其放电速度为C/5。
电池的寿命分为循环寿命和浮充寿命两种。
蓄电池的容量减小到规定值以前,蓄电池的充放电循环次数称为循环寿命。
在正常保护条件下,蓄电池浮充供电的时间,称为浮充寿命,通常免保护电池的浮寿命可达10年以上。
充电模式及特性
充电器品质的高低、充电性能的好坏对蓄电池的利用寿命和利用性能起着举足轻重的作用,对电动自行车的续驶里程可否维持最佳状态,是不是会损坏电池和减少电池寿命,利用者可否取得经济和实惠,有着极密切的关系,因此充电器性能必需完善,必需重视充电的方式。
2.2.1目前常常利用的充电模式
常规充电有以下四种:
①恒流充电法,其长处是控制方式简单,但由于电池的可接受电流能力是随着充电进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,使出气太多;②阶段充电法(此方式包括二阶段充电法和三阶段充电法),这种方式可以将出气量减少到最少,但作为一种快速充电方式受到必然的限制。
③恒压充电法,这种充电方式电解水很少,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;④快速充电技术最近几年来取得了迅速发展,主要有以下4种:
脉冲式充电法,充电进程减少了析气量,提高了蓄电池的充电电流接受率;ReflexTM快速充电法,它主要面对的充电对象是镍福电池,采用这种充电方式,解决了镍福电池的记忆效应,大大降低了蓄电池的快速充电的时间;变电流间歇充电法,这种充电方式成立在恒流充电和脉冲充电的基础上,其特点是将恒流充电段改成限压变电流间歇充电段,使蓄电池可以吸收更多的电量;变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法,能够在较短的时间内充进更多的电量,提高蓄电池的充电接受能力。
以上充电方式长处是充电方式简单,易于控制,充电快速而安全,可和时补偿蓄电池电量。
缺点是容易造成过充、电解水、对蓄电池造成损害。
2.2.2充电模式的肯定
随着各类蓄电池技术的发展,国内外电池充电技术也不断更新,目前多模式智能充电技术被以为是最佳充电技术。
它综合了常规充电法和快速充电技术的长处,使蓄电池维持较高的容量和较长的利用寿命。
图2-1所示是四模式充电状态曲线。
图2-1多模式充电状态曲线
多模式智能电池充电器的四种充电状态别离是涓流充电、大电流充电、过充电和浮充电。
假设一组完全放电的电池,充电器通常按如下规律对其充电:
状态1:
涓流充电
若是电池电压低于阈值电压,充电器将用预先设定的涓流充电电流(ITRICKLE)给电池充电。
随着涓流充电继续,电池电压逐渐升高,当电压升高到阈值电压时当即转入大电流快速充电。
若是电池电压在充电周期开始就高于其阈值电压时,则跳过涓流充电直接进入大电流快速充电模式。
状态2:
大电流快速充电
在这种模式下充电器以恒定的最大允许电流(IBULK)给电池充电。
最大电流与电池容量(C)有关,往往以电池容量的数值来表示(IBULK=C/10~C/2)。
在大电流快速充电这段时间里,电池电量迅速地恢复。
当电池电压上升到过充电压(Voc)时,大电流快速充电模式结束,充电器转入过充电状态。
状态3:
过充电
若是从大电流充电状态直接转入浮充状态,电池容量只能恢复到额定容量的80%—90%。
在过充电状态下,以过充电电流(IOCT)给电池充电,电池端电压随着过充电的进行有所下降,当系统检测到电池端电压下降到浮充电压(VFLOAT)时,电池容量已达到额定容量的100%(理想情况下),充电进程实质上已经完成,充电器转入浮充状态,过充电电流(IOCT)一般等于IBULK/5。
状态4:
浮充电
该状态主要用于补充电池自身放电所消耗的能量。
在浮充电模式下,充电器输出电压下降到较低的浮充电压值(VFLOAT),充电电流通常只有10—30mA(1/20C,C为蓄电池的容量),用以补偿电池因自身放电而损失的电量。
这种多模式充电法综合了恒流充电快速而安全、及时补偿蓄电池电量的长处,和恒压充电能够控制过充电和在浮充状态维持电池100%电量的长处。
多模式智能电池充电器在知足这些要求的同时可提供尽可能多的功能和设计的灵活性,使之具有更多长处:
适时检测充电情况并按预定的充电方案对电池充电;利用四种状态的充电规则使电池取得最好的特性;充满电进行声光报警并自动转入浮充电状态,最大限度地保证电池的容量。
这款多模式充电电路,不仅可以实现恒定电压、恒定电流、脉冲和Reflex等几种大体充电模式,更可以实现多种混合的多阶段充电模式。
因此更能适应电压范围宽、适于恶劣环境的应用。
在运行中单片机缘按照对被充电池的数据采样和事前设定的程序来决定何时加入涓流充电、大电流充电、过充充电、浮充充电并停止充电进程。
3电动自行车智能充电器的硬件设计与实现
一个安全靠得住的充电器需要能够在电池充电进程中严格控制电池的充电电流、电压、温度等物理参数。
本文设计的智能充电器包括:
电源部份、收集部份、主控电路部份、人机交互部份。
本章首先对PIC16F73单片机的主要功能特点、结构进行简要叙述,然后介绍智能充电器的原理和控制技术,最后介绍电动自行车智能充电器的硬件设计与实现。
单片机简介
3.1.1PIC16F73单片机的主要功能特点
主控电路图中的PIC16F73是Microchip(微芯)公司的芯片,它是一款高性能、低功耗、低价钱的处置器。
具有可擦写FLASH存储器、高性能RISC结构,内部集成A/D模拟量转换器、PWM脉宽调制输出、SPI串行总线技术、按时器/计数器、串行通信(USART)接口。
采用CMOS工艺制造,全静态设计的8位单片机,内部带有4路A/D转换器。
执行速度:
DC—20MHz振荡时钟,是普通单片机执行速度的几倍[9]。
3.1.2PIC16F73的结构
的管脚排列如图3-1所示:
图3-1PIC16F73的管脚排列图
内部结构
PIC16F73内部结构采用精简指令集(RIAC)结构[1]。
它采用的总线结构比传统的总线结构优越,该总线配备独立的数据线和指令线,程序和数据存贮在不同的存贮器中,这样,使指令执行和取指操作可以同时进行,因此可达到很高的执行速度(20MHz振荡频率下指令周期仅为200ns)。
在PIC16F73中,指令线为14位,所有指令都可以是单字节,因此与其他8位单片机相较,它可节省一半程序空间,而且速度可提高五倍。
PIC16F73内带有IK×14程序存储器,不需外接程序存储器,是一种真正的单片式微控制器,编程超级简单灵活而且效率高。
3.1.3PIC16F73单片机控制的智能充电器的工作原理
系统上电,检测电源正常、充电器正常工作后,由单片机的电压检测取样电路将电池端电压的大小反馈回系统内部,由单片机判断后肯定应采用何种充电状态,PWM脉宽调制作为占空比调节输出电流,来控制涓流充电、大电流充电、过充电、浮充电,完成四个状态充电的进程。
若检测到电池端电压高于最大设定电压;或温度检测电路检测到超出最高设定温度;或出现负电压增量等,系统当即停止大电流充电,进入浮充保护状态,同时进行声光报警。
充电控制技术
充电控制技术是智能充电器系统中软件设计的核心部份。
按照充电电池的原理,将动力电池的充电特性曲线分为四个阶段,具体见图3-1。
在进行大电流充电之前,由于电池电量已大体用完,若直接采用大电流恒流充电,电流过大会损坏电池,电流过小使充电时间太长,因此这一段时间要按照电池电压的具体情况控制充电电流,使充电进程按理想的充电模式转变,以达到最佳充电效果。
当检测到充电电流下降到足够小时,说明电池充电已满,此时若当即停止充电进程,电池会自放电。
为了避免自放电现象,必需对电池进行浮充保护,即用1/20C(C为电池的额定容量)左右的电流进行浮充充电。
电池充满电后,若是不能及时停止充电,电池的温度会迅速上升。
之前一章的分析可知,温度的升高将会加速蓄电池侵蚀速度及电解液的分解,从而使电池容量下降,缩短电池的利用寿命。
为保证电池充沛电又不过充,可以采用按时控制、电压控制、温度控制和综合控制等多种方式来终止充电进程。
1.按时控制:
这种控制方式简单,适用于恒流充电法。
采用恒流充电法时,按照电池的容量和充电电流的大小,可以很容易的肯定所需要的充电时间。
充电进程中,达到预定的充电时间后,按时器发出信号,使充电器迅速停止充电,或将充电器迅速转为浮充保护状态,从而避免电池长时间大电流过充电。
按时控制法的缺点:
由于电池的容量在充电前无法准确知道,电池在充电进程中的发烧会使电池电量有所损失,因此实际的充电时间很难肯定。
且充电时间无法按照电池充电前的状态自动调整,结果会造成电池组中有的电池充电不足,有的电池可能过充电的情况,因此,这种方式只用于充电率小于的恒流充电。
2.电池电压控制:
在电压控制法中,最容易检测到的是电池的最高电压。
常常利用的电压控制法有最高电压、电压负增量、电压零增量三种。
(1)最高电压(VMAX):
从充电特性曲线可以看出,电池电压达到最大值时,电池即充沛,应当即停止快速充电。
这种方式的缺点是:
电池充沛电的最高电压随环境温度、充电速度而变,而且电池组中各单体电池的最高充电电压也有不同,因此采用这种方式不可能超级准确地判断电池己充沛电。
(2)电压负增量(-△V):
电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关,而且不受环境温度和充电率等的影响,因此这种方式可以很准确地判断电池是不是已充沛电。
其缺点是:
电池充沛电前,也有可能出现局部电压下降的情况,使电池在未充沛电之前,由于检测到电压负增量而停止快速充电。
(3)电压零增量(0△V):
镍氢电池充电器中,为了避免等待出现电压负增量的时间太长而损坏电池,通常采用0△V控制法。
其缺点是:
未充沛电前,当电池电压在某一段时间内转变很小,会被系统误以为出现0△V而停止充电,造成误操作。
目前大多数镍氢电池快速充电器都采用高灵敏的-0△V检测,当电池电压略有下降时,当即停止快速充电。
3.电池温度控制:
电池温度上升到规定数值后,必需当即停止快速充电,以避免电池损坏。
电池温度控制主要有最高温度(TMAX)和温度转变率(△T/△t)两种。
(1)最高温度(TMAX):
充电进程中,通常当电池温度达到40℃时,当即停止快速充电,不然会损坏电池。
电池的温度可通过与电池装在一路的热敏电阻来检测。
其缺点是:
热敏电阻的响应时间较长,温度检测有必然滞后。
(2)温度转变率(△T/△t):
镍氢和福镍电池充沛电后,电池温度会迅速上升,且上升率△T/△t大体相同,当电池温度每分钟上升1℃时,应该当即终止快速充电。
由于热敏电阻与温度之间是非线性关系,因此为了提高检测精度,应设法减小热敏电阻非线性的影响。
采用温度控制法时,由于热敏电阻响应时间较长,再加上环境温度的影响,不能准确的检测电池是不是充沛电。
4.综合控制法:
以上三种方式各有优缺点,若只采用一种方式,则很难保证电池取得最好的充电性能。
为了保证在任何情况下均能靠得住地检测到电池充沛电的状态,可采用具有温度控制和电池电压控制功能的综合控制法。
智能充电器的主要参数
以密封铅酸蓄电池为例,对于单体电池:
Voc=(Voc为充满电的电压峰值)
VD=(VD为大电流充电时启动电压)
VF=(VF为开始进入浮充电压值)
本文设计的智能充电器主要参数见表3-1所示。
表3-1智能充电器主要参数
电池参数
名称
定义及计算公式
取值
V
电池组电压
12V
NC
单格电池数量
串联电池个数
6
C
电池组容量
2Ah
VD
单格大电流充电电压
@25°C,大电流充电状态
VF
单格浮充电压
@25°C,满充状态
单格最大电压
@25°C,过充状态
IBULK
最大充电电流
IBULK=C/10~C/2
700mA
ITRICKLE
涓流充电电流
ITRICKLE=C/25
40mA
IOCT
过充电电流
IOCT=IBULK/5
140mA
IFLOAT
浮充电电流
IFLOAT=1/20C
20mA
TC
单格电池温度系数
温度上升1度,电压下降
TMIN
电池最低温度
0°C
TMAX
电池允许最高温度
40°C
VBULK
大电流充电电压
VBULK=VD×NC
VFLOAT
浮充电压
VFLOAT=VF×NC
电池最低电压
=[VD+(TMAX-25)×TC]×NC
电池最高电压
=[Voc+(TMIN-25)×TC]×NC
PMAX
最大输出功率
PMAX=IBULK
电动自行车智能充电器的硬件设计
电动自行车智能充电器电路主要包括电源部份、收集部份、主控电路部份、人机交互部份。
电源部份:
由电源变压器、桥式整流电路、滤波电路和稳压电路组成。
电源部份为单片机提供电压和电池充电工作时需要的各类电压;收集部份:
由电压采样、电流采样、温度检测模块组成;主控电路部份:
由电压检测取样电路将电池端电压的大小反馈回单片机系统内部,由单片机判断后肯定应采用何种充电状态,PWM脉宽调制作为占空比调节输出电流,来控制和完成四个充电进程;人机交互部份:
由显示模块、声光报警和按键部份组成。
主要功能是接收来自系统的电压、温度、电流大小、电池充满百分比和故障信息,并按要求给予实时显示。
当故障出现和充满电时要发作声光报警,该部份信息互换以中断方式进行。
图3-2所示是智能充电器结构框图[17]。
图3-2智能充电器结构框图
本文设计的电源实验装置的主要技术指标为:
输入电压:
交流220士10V,50Hz
输出电压调节范围:
—16VDC
输出电流:
额定20—700mADC
效率:
80%
最大输出功率:
Pomax=UomaxIomax=×=(3-1)
最大输入功率:
Pimax=Pomax/ηmin==(3-2)
开关频率:
fs=20kHz(3-3)
最大占空比:
DMAX=(3-4)
3.4.1直流电源电路设计
电源部份由电源变压器、桥式整流电路、滤波电路和稳压电路组成[6]。
电路图见图3-3所示。
直流电源部份的工作原理:
交流220V的市电经变压器T1降压、桥式整流电路进行整流,然后通过Cl滤波,所取得的电压VIN=14V同时提供给BUCK变换器和LM7805,LM7805
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