充电器毕业设计

1 / 17 充电器毕业设计 前言 随着越来越多的手持式电器的出现，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。 AVR 已经在竞争中领先了一步，被证明是下一代充电器的完美控制芯片。Atmel AVR 微处理器是当前市场上能够以单片方式提供Flash、 EEPROM 和 10 位 ADC 的最高效的 8 位 RISC 微处理器。由于程序存储器为 Flash，因此可以不用象 MASK ROM 一样，有几个软件版本就库存几种型号。 Flash 可以在发货之前再进行编程，或是在 PCB 贴装之后再通过 ISP 进行编程，从而允许在最后一分钟进行软件更新。 EEPROM 可用于保存标定系数和电池特性参数，如保存充电记录以提高实际使用的电池容量。 10 位 A/D 转换器可以提供足够的测量精度，使得充好后的容量更接近其最大容量。而其他方案为了达到此目的，可能需要外部的 ADC，不但占用 PCB 空间，也提高了系统成本。 AVR 是目前唯一的针对像 “ C”这样的高级语言而设计的 8 位微处理器。 C 代码似的设计很容易进行调整以适合当前和未来的电池，而本次智能型充电器显示程序的编写则就是用 C 语言写的。 2 / 17 第一章 概述 第一节 绪论 课题背景 如今，随着越来越多的手持式电器的出现，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不断地提高。从 20世纪 60 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，可充电电池容量和性能得到了飞速的发展。目前各种电器使用的充电电池主要有镍镉电池、镍氢电池、锂电池和密封铅酸电池四种类型。 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。 目前，市场上卖得最多的是旅行充电器，但是严格从充电电路上分析，只有很少部分充电器才能真正意义上被称为智能充电器，随着越来越多的手持式电器的出现，对高性能、小尺 寸、轻重量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3 / 17 全地充电，因此，需要对充电过程进行更精确地监控，以缩短充电时间，达到最大的电池容量，并防止电池损坏。因此，智能型充电电路通常包括了恒流恒压控制环路、电池电压监测电路、电池温度检测电路、外部显示电路等基本单元。其框图如下： 图 1-1 智能充电器基本框图 Atmel AVR 微处理器是当前市场上能够以单片方式提供 Flash、 EEPROM 和 10 位 ADC 的最高效的 8 位 RISC 微处理器。由于 程序存储器为 Flash，因此可以不用象 MASK ROM一样，有几个软件版本就库存几种型号。 Flash 可以在发货之前再进行编程，或是在 PCB贴装之后再通过 ISP 进行编程，从而允许在最后一分钟进行软件更新。 EEPROM 可用于保存标定系数和电池特性参数，如保存充电记录以提高实际使用的电池容量。 10 位 A/D 转换器可以提供足够的测量精度，使得充好后的容量更接近其最大容量。而其他方案为了达到此目的，可能需要外部的 ADC，不但占用 PCB 空间，也提高了系统成本。 AVR 是目前唯一的针对象 “ C”这样的高级语言而设 计的 8 位微处理器。 常见充电电池特性及其充电方式 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，电池的特性也不4 / 17 同，其充电的方式也不大一样。 电池的安全充电 现代的快速充电器 需要能够对单元电压、充电电流和电池温度进行精确地测量，在充满电的同时避免由于过充电造成的损坏。 充电方法 SLA 电池和锂电池的充电方法为恒定电压法要限流； NiCd 电池和 NiMH 电池的充电方法为恒定电流法，且具有几个不同的停止 充电的判断方法。 最大充电电流 最大充电电流与电池容量 有关。最大充电电流往往以电池容量的数值来表示。例如，电池的容量为 750 mAh，充电电流为 750 mA，则充电电流为 1C 。若涓流充电时电流为 C/40，则充电电流即为电池容量除以 40。 过热 电池充电是将电能传输到电池的过程。能量以化学反应的方式保存了下来。但不是所有的电能都转化为了电池中的化学能。一些电能转化成了热能，对电池起了加热的作用。当电池充满后，若继续充电，则所有的电能都将转化为电池的热能。在快速充电时这将使电池快 速升温，若不及时停止充电就会造成电池的损坏。因此，在设计电池充电器时，对温度进行监控并及时停止充电是非常重要的。 现代消费类电器主要使用如下四种电池： ? 密封铅酸电池 ? 镍镉电池 ? 镍氢电池 5 / 17 ? 锂电池 在正确选择电池和充电算法时需要了解这些电池的背景知识。 密封铅酸电池 密封铅酸电池主要用于成本比空间和重量更重要的场合，如 UPS 和报警系统的备份电池。 SLA 电池以恒定电压进行充电，辅以电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。 只要电池单元电压不超过生产商的规定， SLA 电池可以无限制地充电。 镍镉电池 NiCd 电池目前使用得很普遍。它的优点是相对 便宜，易于使用；缺点是自放电率比较高。典型的 NiCd 电池可以充电 1000 次。失效机理主要是极性反转。在电池包里第一个被完全放电的单元会发生反转。为了防止损坏电池包，需要不间断地监控电压。一旦单元电压下降到 就必须停机。 NiCd 电池以恒定电流的方式进行充电。 镍氢电池 在轻重量的手持设备中如手机、手持摄象机，等等镍氢电池是使用最广的。这种电池的 容量比 NiCd 的大。由于过充电会造成 NiMH 电池的失效，在充电过程中进行精确地测量以在合适的时间停止是非常重要的。和 NiCd 电池一样，极性反转时电池也会损坏。 NiMH 电池的自放电率大概为 20%/ 月。和 NiCd 电池一样， NiMH 电池也为恒定电流充电。 锂电池 和本文中所述的其他电池相比，锂电池具6 / 17 有最高的能量 / 重量比和能量 / 体积比。锂电池以恒定电压进行充电，同时要有电流限制以避免在充电过程的初期电池过热。当充电电流下降到生产商设定的最小电流时就要停止充电。过充电将造成电池损坏，甚 至爆炸。 主要芯片的选择 ATMEL 公司是世界上有名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数字模拟 IC 芯片的半导体制造公司。在单片机微控制器方面， ATMEL 公司有 AT89, AT90 和 ARM 三个系列单片机的产品。由于 8051 本身结构的先天性不足和近年来各种采用新型结构和新技术的单片机的不断涌现，现在的单片机市场是百花齐放。 ATMEL 在这种强大市场压力下，发挥 Flash 存储器的技术特长，于 1997 年研发并推出了个新配置的、采用精简指令集 RISC 结构的新型单片机，简称AVR 单片机。 精简指令集 RISC结构是 20世纪 90年代开发出来的，综合了半导体案成技术和软例 -性能的新结构。 AVR 单片机采用 RISC 结构，具有 1MIPS/ MHz 的高速运行处理能力。为了缩短产品进入市场的时间，简化系统的维护和支持，对于由单片机组成的嵌入式系统来说，用高级语言编程已成为一种标准编程方法。 AVR 结构单片机的开发日的就在于能够更好地采用高级语言来编写嵌 毕业设计附件 7 / 17 题目：智能充电器的设计 姓 名： 王 研 学 号： XX080303316 学 院： 信 息 学 院 专 业： 电子信息工程 指 导 教 师： 杨 萍 协助指导教师： 2016 年 5 月 23 日 目 录 开题报告 1 翻 译 外 文 资 料 及 译文 2 程 序 清 单 和 图纸 3 北京联合大学毕业设计开题报告 题目： 智能充电器的设 计专业：电子信息工程 指导教师： 杨 萍 学院： 信息学院 学号： XX080303316 班级： 0708030303 姓名：王 研 一、课题任务与目的 任务： 8 / 17 针对电动车常用的动力电池的特点，以单片机作为控制芯片，结合国内外现行的各种充电技术和充电器设计方案，设计一款基于单片机控制的智能充电器，以达到最佳的充电效果，使智能充电器具有良好的性能指标，电路简单可靠。 研究目的： 随着能源的日益紧缺和大气污染的加剧，作为新型交通工具的电动车 的研究日益受到重视，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。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。针对电动车充电技术的要求，为了使电动车充电器获得良好的性能指标，必须寻找最佳的充电模式，我要设计一款基于单片机控制的智能充电器，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，这种充电方式经理论和实践表明，可达到最佳的效果，使得蓄电池具有较高的使用容量和较长的循环寿命，可满足不同电动车动力电池的复杂充电要求，为提高蓄电池的性能和可靠性提供有效的途径 ，对环保、节能型电动车和充电器的设计和开发具有重要的意义，同时，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、调研资料情况 1 电动车用电池的现状和发展趋势 9 / 17 电池作为电动车动力来源，目前应用于电动车的可充式二次电池主要有 :铅酸电池、镍福电池、镍氢电池和锂电池。 镍一氢电池 此类蓄电池的比能量高，寿命长，有较高的比功率，污染轻等优点，被认为 1 是较好的电动车用蓄电池。但是由于 Ni-MH 蓄电池的技 术未臻成熟，价格贵，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 Ni-MH 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。 锂离子蓄电池和聚合物铿离子蓄电池 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。 10 / 17 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。但目前还没能真正投入使用。 其他电池 虽然它们各有特点，但都几乎没有在商业化的轻型电动车上使用。这主要是由于价格贵、综合性能不理想、或技术不成熟、或受资源、服务配套系统制约因素影响。氢氧燃料电池虽然在大力发展中，可望成为最理想的电动车电池之一，但在电动车上的应用可能还要等待很长时间 铅酸蓄电池 铅酸蓄电池 2在 100 多年的历史中一直不断地在改进提高，有的是革命性的提高，生产技术最为成熟。特别是密封免维护铅 酸蓄电池因其有着成本低、价格便宜、材料来源丰富、适用性宽、可逆性好、单体电池电压高、技术和制造工艺较成熟、安全可靠、具有瞬间放电力强、大电流放电性能良好、使用温度范围广等综合因素，已成为商业化轻型电动车主要采用的电池，目前所占市场份额在 95%以上。 2 充电器的发展 充电器的发展经历了三个阶段 : 限流限压式充电器 3 11 / 17 最原始的就是限压式充电，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。 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。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。这种充电器充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，大大降低了电池的寿命。 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。自适应充电器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。并且 具有温度补偿功能。充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按模糊推理算法不断调整充电参数，同一充电器可适应不同种类电池的充电，充电器自适应调整自己的输出电流，无需人工选择，避免操作失误。 3 充电方法的研究 常规充电 常规充电制度是依据 1940年前国际公认的经验法则12 / 17 设计的。实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。一般来说，常规充电有恒流充电法、阶段充电法、恒压充电法。 快速充电技术 为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地减少或轻，提高蓄电池使用效率，国内外一直都在不断地研究和开发快速充电方法和技术，快速充电技术近年来得到了迅速发展，主要有：脉冲式充电法、ReflexTM 快速充电法、变电流间歇充电法、变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法。 新型多模式充电技术 随着各种蓄电池技术的发展，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认为是最佳充电技术。 它综合了常规充电法和快速充电技术的优点，使蓄电池保持较高的容量和较长的使用寿命。多模式智能电池充电器的四种充电状态分别为：涓流充电、大电流充电、过充电和浮充电。 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优点，和恒压充电能够控制过充电以及在浮充状态保持电池 100%电量的优点。多模式智能电池充电13 / 17 器在满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，使之具有更多优点：适时检测充电情况并按预定的充电方案对电池充电；使用四种状态的充电规则使电池获得最好的特性；充满电进行光报警并自 动转入浮 设计用纸 摘 要 本文为基于 TL494芯片的电动自行车充电器设计及分析，简明扼要地概述了充电器的电路结构，其中主要包括：整流滤波电路、防浪涌电路、防市电过压电路、推挽式变流电路、电池防反接电路、充电状态显示电路，半桥式充电器辅助电源电路等。详细介绍了各种充电方式，包括恒流充电法、恒压充电法、浮充法、涓充法、分阶段充电法、快速充电法等。最后说明了 PWM 脉宽调制集成电路芯片工作原理。并主要分析了一个基于 TL494 芯片的山东 GD36 半桥式充电器，介绍了它的工作原理， 工作过程及对电动自行车充电器使用时的维护。 关键词： TL494；开关电源；整流滤波；脉宽调制技术；集成电路芯片 设计用纸 ABSTRACT This paper is based on the analysis of the design of the charger of TL494 electric bicycle , which 14 / 17 mainly includes the application of the rectifier filter and various ways of charging, the application of the switching power supply and PWM working principle; also the explanation of DC or AC power conversion of the full-bridge and half-bridge switching power and of the chip of TL494 PWM IC .The paper mainly analyzes the TL494 chip “ Shandong GD36 half-bridge charger” and its working principle , working process,its advantages and disadvantages. Key words： TL494;switch power supply ;the explanation of DC or AC power;IC chip 设计用纸 第一章：电动自行车及充电器概述 电动自行车简介 电动自行车是集蓄电池技术，电力电子技术，电动机技术，和精密传动技术于一体的新型特种自行车，因其无污染，低噪音，低能耗，占道少，方便快捷等特点而成为国际上流行和大力推广的绿色私人交通工具。 电动自行车有五大部件组成，即：电机、控制器、电池、充电器和车架。现在市场上的电动自行车多种多样，常见的样式很多，如图 1-1 所示 15 / 17 。 图 1-1 常见的电动车外形 充电器的分类和结构 . .充电器的分类 为确 保电动自行车有足够的功率正常行驶，就必须对蓄电池消耗减少的电能进行有效地补充。因此，充电器是电动车五大核心部件之一，它的质量好坏将直接影响蓄电池的使用寿命。目前市售电动自行车充电器有正负脉冲式、二段式、三段式和全智能脉冲充电器等， 其中三段智能充电器用户较多。充电器的规格依据蓄电池的容量不同，有 24V、12V； 36V、 12A； 36V、 14A； 48V、 17A； 48V、 20A 和 36V/48V共用型充电器。 由于电动自行车生产厂家众多，其充电器的外形各异。常见的电动自行车和电动三轮车的充电器外形，如图 1-2所示。 设计用纸 . . 充电器的结构 图 1-2 几种常见的电动车蓄电池充电器外形 电动自行车充电器主要由整流滤波、高压开关、电压变换、恒流、恒压和充电控制等几个部分电路组成。 充电器内的主要元器件有脉宽调制专用集成电路、电压比较放大器、开关管、整流二极管、驱动三极管、电阻、16 / 17 电容及变压器等。现代脉冲智能充电器还以高频开关电源技术为基础，嵌入先进的智能控制数字电路，采用智能检测和控制技术来调节充电器的脉冲输出比例，实现的脉冲