毕业设计（论文）-电动汽车智能充电系统开发.doc

编号： 毕业设计说明书 题 目： 电动汽车智能 充电系统开发 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 1 指导教师： 职 称： 题目类型：题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2016 年 6 月 3 日 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 I 页 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，使 用恒压充电与恒流充电相结合的三阶段式充电方法。该充电方法结合了恒压和恒流充 电的优点，避免了在充电初期用大电流充电导致电池过充电和损坏充电设备等现象， 又避免了用恒压充电初始阶段对蓄电池自身造成的大电流的冲击，在最后一个阶段采 用小电流充电能最大限度的使蓄电池充满并且不损坏蓄电池，起到了很好的充电效果。 论文主要内容如下：介绍了铅酸蓄电池的各种充电方法，并且比较了各种充电方 法的优点和缺点；围绕 AT89S52 单片机，设计了充电系统的硬件电路，包括整流滤波 电路，DC-DC 变换电路，电池电路，保护电路，模数转换电路，差分放大电路；电流电 压检测电路，辅助电源电路，LCD 显示电路等电路。 最后对所设计的铅酸蓄电池充电系统的硬件和软件进行了实验调试，实验结果证 明了系统设计的合理性以及所用的充电放法的可行性和有效性。 关键词：铅酸蓄电池；三阶段式；恒压充电；恒流充电；AT89S52 单片机 全套设计加扣 3012250582 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 II 页 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 III 页 Abstract The paper haVe a design about the intelligent charge control system for lead-acid battery, and the research and design of charging control system for storage battery are mentioned in this paper. On the basis of the research on charging principle and charging method of battery, using the three stage charging method which combined with constant current charging and constant Voltage charging. The charging method combines the advantages of constant Voltage and constant current charging. To avoid charging in the early stage with a large current charge and damage to the battery charging equipment and other phenomena, and avoid the constant Voltage charging of the initial stage of the battery itself caused by the impact of the large current. By using the small current charging can greatly ensure the battery is full and does not damage the battery in the last stage, there will be a Very good charging effect. The main contents of this paper are as follows: introducing Various charging methods of lead acid battery, and comparing the advantages and disadvantages of Various charging methods. On the basis of the AT89S52 microcontroller, The hardware circuit of the charging system is designed, which including rectifier and filter circuit, DC-DC converter circuit, battery circuit, protection circuit, analog digital conversion circuit, differential amplifier circuit, current and Voltage detection circuit, auxiliary power circuit, LCD display circuit, etc. In the end, the hardware and software of the lead-acid battery charging system are debugged. The experimental results show the rationality of the system design and the feasibility and effectiveness of the charging method. Keywords: Lead acid battery; Three stage type; Constant Voltage charging; Constant current charging; AT89S52 single chip microcomputer 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目录 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 1 绪论.1 1.1 论文研究背景.1 1.2 项目可行性分析.1 1.3 小结.2 2 汽车蓄电池简介.3 2.1 蓄电池的种类.3 2.2 铅酸蓄电池工作原理.3 2.3 铅酸蓄电池的充电方式.4 2.3.1 铅酸蓄电池传统的充电理论及方法.4 2.3.2 铅酸蓄电池的恒流充电法.4 2.3.3 铅酸蓄电池恒压充电法.4 2.4 铅酸蓄电池的快速充电理论.5 2.4.1 铅酸蓄电池快速充电原理.5 2.4.2 变电流间歇式正负脉冲充电法.6 2.4.3 脉冲充电法.6 2.4.3 三阶段式充电法.7 2.5 小结.7 3 基本设计方案.8 3.1 总体设计方案.8 3.1.1 系统的设计要求.8 3.1.2 快速充电方法的选择.8 3.1.3 充电参数的确定.8 3.1.4 充电系统的系统框图.8 3.2 充电系统的充电方法的控制与实现.9 3.3 小结.9 4 充电系统硬件设计.10 4.1 单相桥式整流、滤波电路.10 4.2 DC-DC 电路.11 4.2.1 实际 DC-DC 电路分析.12 4.3 PWM 控制电路.13 4.4 电池电路和保护电路.14 4.5 电池电压和充电电流检测电路.15 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目录 4.6 单片机控制处理系统.16 4.6.1 单片机的选择.16 4.6.2 AT89S52 单片机简介.17 4.6.3 AT89S52 的单片机控制电路.18 4.7 LCD 显示屏的选择.20 4.7.1 显示器屏方案.20 4.7.2 LCD1602 显示屏的简介.21 4.7.3 显示器电路图.22 4.8 LED 显示电路.22 4.9 辅助电源电路.23 4.9.1 整流滤波输出电压转 12V 工作电压.23 4.9.2 12V 电压转 5V 电压电路.23 4.9.3 12V 电压转 5V 参考电压电路.24 4.9.4 12V 电压转 15V 隔离电压.24 4.10 本章小结.24 5 系统软件设计.25 5.1 系统主程序设计.25 5.2 模块子程序设置.26 5.2.1 PCF8591 模数转换器程序设计 .26 5.2.2 LCD1602 显示屏程序设计.26 5.3 小结.27 6 智能充电系统样机调试.28 6.1 硬件电路的调试.28 6.1.1 光耦驱动电路检测.28 6.1.2 存在问题的电路.29 6.2 软件系统调试.29 6.2.1 PWM 波形调试.29 6.2.2 A/D 转换器调试.29 6.3 充电曲线图表.30 6.4 小结.32 7 总结.32 谢 辞.33 参考文献.34 附录一 电动汽车智能充电系统原理图.35 附录二 电动汽车智能充电系统 PCB 图.37 附录三 软件主程序.38 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 48 页 1 绪论 1.1 论文研究背景 如今，以化石能源为主的世界能源正逐步枯竭，因为作为世界能源的重要组成部 分的化石能源是不可再生资源，化石能源也对地球造成了严重的环境污染，加入人们 无法改变能源的使用结构，那么人类将面临巨大的生存威胁。在这样严峻的能源背景 下，研发和发展清洁能源成为当今人类的主要任务。时下在各国之间最热门和流行的 新清洁能源非动力蓄电池莫属，以蓄电池为动力来源的电动车已经被称作新世纪的绿 色工程，这个绿色工程迫使传统的汽车工业发展进入到一个全新的关乎人类进步的领 域。电动车中的车体、控制器、电动机这三大主要部分在理论和实际应用技术上已经 很成熟，但是另外两个大部件：蓄电池和其充电器的研究和发展却无法满足较高的品 质需求。它们有很多理论及技术还需大量投入力量去攻关，这已经成为交通发展的瓶 颈。现在我国的电动车所用的动力蓄电池主要以铅酸蓄电池为主，这是因为这种蓄电 池有成本较低，无记忆效应，技术较成熟，电池的容量大，跟随负荷输出特性好，电 压稳定等优点。这相比其他的高性能电池如燃料电池，锂电池等有很大的竞争优势。 这就使得铅酸蓄电池被广泛的应用在通信、交通、铁路，国防及农业等部门。近年全 密封免维护铅酸蓄电池通过它密封好、没有泄漏、没有污染等优点，不但能保护人与 各种各样用电的设备的安全，而且其在整个寿命期间，不需要什么维护，因此带开了 铅酸蓄电池的发展篇章。现在通讯设备大多是使用免维护的电池来作为它们的备用电 源，很多电子设备的无间断电源系统也大多是用免维护电池，除此之外在汽车，应急 灯和轮船等也越来越多的开始用免维护电池。可是，由于不正确的充电方法，导致充 电的技术没办法适应这种电池的特殊要求，这就使电池非常难达到预定的使用寿命。 虽然这些年来蓄电池技术有着令人振奋的进步，但是作为其能量补充的主要部件充电 器的发展却无法跟上步伐，主要体现在传统的充电方式的充电时间太长，快速充电的 技术到现在都没能解决，严重的阻碍了电动车的普及和发展。而且目前我们国家工农 业运输设备需要大量的蓄电池，可是因为充电设备过于落后充电的方法也不是很科学， 因此，需要尽快设计出一种新的智能充电系统来满足社会各行各业的需求。 1.2 项目可行性分析 电动车的充电系统的问题主要是有两方面，一方面是充电模式，另一方面充电参 数。一个充电系统要想性能优良就要解决很多理论问题，比如如何减少电池的极化效 应的影响；如何减少或防止电池的失水效应；还有如何去除充电给电池造成的盐化等。 目前，传统的充电器充电速度慢，充电时间过长，充电效率低，对电池容易造成损伤， 而快速充电技术也还没能完全解决，因此的现在的电动车大多都有续航里程短，电池 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 48 页 维护频繁等问题。电动车所用的动力电池一般都在较长的时间中持续放出中等电流， 而在起动、加速或爬坡这些情况时为大电流放电，蓄电池大多工作在深度放电区。所 以，车用动力蓄电池快速充电系统的研究就特别有必要。 目前对于蓄电池的充电方式有很多种，早期的方式不是采用恒压充电，就是采用 恒流充电。如果使用恒压充电，这种充电方式在充电的前期电流很大，很容易使极板 极化，最严重的是变成的电解水会造成电池内部温度升高和电压升高，这样就会增大 电池里的气体析出，最终使极板变弯曲导致电池报废。所以早期的充电方式大多采用 恒流的方式，但是如果整个充电过程一直采用恒流充电，在充电的后期很多部分的电 流会用在电解水，造成析出气体量很大，从而使电解液升温沸腾，这样不但浪费电能， 沸腾的电解液冲击极板，会使极板的活性物质掉落，使电池提早报废。因此发展到现 在，世界通用的充电方式是采用分段式充电，这种方式是先是恒流充电，再进行恒压 充电，伴随着充电电流逐步下降，从而减弱电解液的沸腾现象，进而保护极板。 1.3 小结 本章介绍了当今世界上蓄电池的充电技术的发展状况，以及论文研究背景、 项目可行性。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 48 页 2 汽车蓄电池简介 2.1 蓄电池的种类 蓄电池的组成部分有三个：进行还原反应的阴极，进行氧化反应的阳极以及将阴 极反应和阳极反应容纳在一起的电解液。活性物质是在电极里发生氧化或者还原反应 的物质。目前的蓄电池主要有四种：铅酸蓄电池，锂离子蓄电池，镍镉蓄电池还有镍 金属氧化物蓄电池。根据电池的不同特性，各种电池的使用场合和对象也是不一样的。 蓄电池是依据电池的内阻、能量密度以及电池的容量来选择，它们的品质直接定 下了电池能为产品提供的电能品质。对于放电速率要求较低的产品，例如手提视频设 备、笔记本电脑、蜂窝电话机等就可以选择锂离子蓄电池或者镍金属氧化物蓄电池， 这是因为这些产品的长期电流的消耗较小，而这两种蓄电池的内阻较大，从而限制了 峰值放电电流的大小，长期电流消耗较小的产品就很适合用这两种蓄电池。相反，铅 酸蓄电池和镍镉蓄电池的内阻比较小，这就使它们能供给比较大的电流，对于放电速 率要求要的产品就可以选择这两类电池，例如电动车、由电池供电的电动工具等。 因为铅酸蓄电池价格便宜，电压稳定以及供电可靠的优点，使得铅酸蓄电池被广 泛的应用。 2.2 铅酸蓄电池工作原理 蓄电池的充电是通过逆向的化学反应将电能储存在化学物质里来实现的。因为蓄 电池里的化学也物质不一样，每种电池都有自己的特性，所以在设计充电系统的时候 应该要先认真了解明白这些特性，以防止各种充电问题的的发生而损坏蓄电池。铅酸 蓄电池需要先通过电源对它经行充电，使其将电能转化成化学能进而存储起来。二氧 化铅是铅酸蓄电池的阳极活性物质，阴极的活性物质为海绵状的金属铅，作为电解液 的是稀硫酸，阳极和阴极电极化学反应式分别是： （2-1 4224 b2b32eP SOH OP OHSOH ） （2- 44 b2ebP SOHPHSO 2） 整个化学方程式为： （2- 42224 2 b2b2bP SOH OP OH SOP 放电 3） 从方程式可以知道电池充电的时候，阳极产生的 O2在阴极表面被还原成水，阴极 也因为生成 PbSO4使极化电位变低，这样就使阴极不析出氢气，此时生成的 PbSO4被 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 48 页 还原成海绵状铅，这就实现了蓄电池内部氧循环反应。可以看出在充电的时候，电解 液里面的水几乎不损失，可以达到不加水的目标。 2.3 铅酸蓄电池的充电方式 铅酸蓄电池大方面上有 2 种充电方法：第一种是使用小电流慢慢充的常规传统方 法；第二种是可以大幅缩短充电的时间以及增加电池的使用寿命的快速充电方法。可 是，因为铅酸蓄电池带有非线性，多变量及离散性等特征，现在所用的数学模型来创 建出的充电系统不是太复杂就是充电效果不理想，这样的充电系统根本就无法得到大 面积的推广和应用。所以传统的充电方法现在在各种生活和生产里仍然占据很大一部 分的比例。就铅酸蓄电池来说，传统的充电方式充电效率不仅不高，还给蓄电池的使 用寿命造成不良的影响。 以下将针对各种传统的充电方式进行介绍并对对其不足进行分析，同时还会对论 文使用的三阶段式充电方式进行介绍。 2.3.1 铅酸蓄电池传统的充电理论及方法 目前，铅酸蓄电池传统的充电方式有恒压充电法和恒流充电法等。这两种方法在 充电器中的控制电路较简单，充电功率和效率都比较低。 2.3.2 铅酸蓄电池的恒流充电法 恒流充电方式是在整个充电的过程都使铅酸蓄电池的充电电流保持恒定不变。充 电的时候充电电流值一般都选择比较小，充电的时间一般都很长，这样就避开了大电 流的充电损坏蓄电池。这种方式的缺点是充电电压会随着充电时间逐渐变大，对电池 的极板会造成很大的冲击，电池气体析出量较大，充电效率低下，能耗很高。所以这 种充电方式多应用在对蓄电池初始充电的场合。图 2.1 为这种充电方式电压与电流的波 形图。 图 2.1 恒流充电法 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 48 页 2.3.3 铅酸蓄电池恒压充电法 这种充电方式是在整个充电的过程里都使铅酸蓄电池的两端电压保持恒定不变， 电流与电压的波形如图 2.2。在充电的初始阶段，电流非常大，随着充电的进行，电流 呈指数方式递减，电池的电动势逐渐递增。在充电的最后阶段，充电电流变得很小。 整个充电过程中都不用调整电流的大小。这种方法简单，因为电流自动减小，所以充 电的过程中，气体的析出量很小，如果充电电压选择恰当，充电时间会变得较短。这 种充电方式的缺点也很明显：由于在充电的初始阶段，假如电池的放电深度太大，就 会使充电电流很大，进而会造成电池内部温度过高，从而损坏电池；如果选择的充电 电压太低，而末尾阶段的充电电流又太小，这样就会加大充电时间，串联数比较多的 电池组就不适合这样的充电方式。容量小、电压低的蓄电池多用恒压充电法。 图 2.2 恒压充电法 2.4 铅酸蓄电池的快速充电理论 针对传统的充电方法恒流充电和恒压充电方法的充电速率慢、使用不安全等无法弥 补的缺点，很多的专家提出了变电流间歇充电理论、三阶段充电理论以及脉冲充电理 论等先进的理论和技术。 2.4.1 铅酸蓄电池快速充电原理 美国科学家 J.A.Mas 为首的研究团队在对蓄电池充电过程进行了大量而且很深入的 研究后找到了产生析气现象的规律和原因，从而提出了以最低吸气率为前提的电池可 接受的充电电流曲线1。该曲线如图 2.3 所示。在任一个蓄电池充电时刻，蓄电池可以 接受的充电电流大小为： （2-4） 0 t iI e 这个公式中，i 为任一时刻 t 蓄电池可承受的最大充电电流；I0为那个时刻的最大起始 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 48 页 电流；为衰减率常数。 从图 2.3 可以知道，蓄电池充电的时候如果充电电流只要低过电池可接受的最大电 流，其自身就不产生气泡，但是如果充电电流大过电池可接受的最大电流，超过的那 部分电流并不能转化成化学能存储在电池中，而是促进了电池里面的水的电解，从而 产生气体析出。充电起始阶段的电流和电池可接受的电流相比起来很小，会使充电时 间加长。在充电的末阶段充电电流与电池可接受充电电流相比起来很大，会导致蓄电 池的析气现象加剧 图 2.3 蓄电池充电电流可接受曲线 2.4.2 变电流间歇式正负脉冲充电法 为了在充电初期阶段获取到最大的充电量，初期的电流采用最佳充电电流值来替 换恒电流充电，恒流充电段改成限压变电流间歇充电段；为了获得过充电量，在末期 阶段使用定电流充电，将电池恢复至完全放电状态2，原理如图 2.4 所示。 图 2.4 变电流间歇式正负脉冲充电法 间歇的变电流对蓄电池进行充电能将电池充电过程产生的氧气在足够的时间里进 行化学反应进而重新被吸收，这样就降低了电池内部的电压，使下一次的恒流充电进 行得更加顺利，将更多的电能充进蓄电池。 2.4.3 脉冲充电法 脉冲充电法是使用脉冲电流或者脉冲电压的对蓄电池进行充电，并在充电电流或 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 48 页 者电压中叠加一定的负脉冲，或者在充电时突然停止充电一小段时间，这样就可以把 蓄电池的极化电压降下来同时减少蓄电池析气现象3。图 2.5 为原理波形图。 蓄电池能否快速充电的一个主要因素是极化电压，若想快速的进行充电，就一定 要消除掉极化电压对蓄电池的影响。恰到好处的停充或者叠加负脉冲能助于极化现象 的消除。 图 2.5 负脉冲充电法 2.4.3 三阶段式充电法 三阶段式充电法充分结合和利用了恒流充电及恒压充电的优点并去除了这两种方 法的缺点，在充电的起始阶段使用大电流来充电，这样就让蓄电池在短时间内储存很 多的电能。这样经过一时间后改用恒压充电，是电流降下来。这样经过一段时间达到 很小的电流的时候采用恒流充电，这个阶段也叫浮充充电阶段。原理如图 2.6 所示。 图 2.6 三阶段式充电法 由此可以知道，这种充电法避开了在充电的起始阶段用大电流充电造成电池过度 充电及损坏充电设备的现象，还避免了初始阶段恒压充电对电池带来的大电流冲击。 在最后的充电阶段，小电流的充电能尽量使蓄电池电量充满而且不对蓄电池造成损坏， 这是非常好的充电效果。 2.5 小结 本章先主要分析了蓄电池的种类及工作原理，并在此基础上详细分析了各种传统 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 48 页 充电方法和目前各种较流行的快速充电法的原理和优缺点。 3 基本设计方案 3.1 总体设计方案 本设计采用的总体方案是先构建各个功能模块，然后再将各个模块组合起来的方式 来实现方案。 3.1.1 系统的设计要求 1.具有多种充电的方式，例如恒压充电，恒流充电等； 2.具有比较可靠的保护，例如反流、过流保护等； 3.必要的显示功能，例如充电电压，充电电流的显示等。 3.1.2 快速充电方法的选择 充电器能不能快速安全可靠地对蓄电池进行充电很大程度上取决于所用的充电方法， 不一样的充电方法所来的充电速度和效果差距是很大的。所用的充电方法要求可以最 大程度的提高电池充电速率，使电量充满时间很短。 三段式充电法避开了在充电的起始阶段用大电流充电造成电池过度充电及损坏充 电设备的现象，还避免了初始阶段恒压充电对电池带来的大电流冲击。在最后的充电 阶段，小电流的充电能尽量使蓄电池电量充满而且不对蓄电池造成损坏，这是非常好 的充电效果。 3.1.3 充电参数的确定 根据任务书的要求和指导老师的指导，充电的各阶段参数如下： 电池型号：超威 6-DZM-12，12V12AH. 第一阶段：恒流充电，以 700mA 恒流充电；电池电压达到 14.7V，便进入恒压充 电。 第二阶段：恒压充电，以 14.7V 恒压充电；电流降到 120mA 时，进入浮充充电。 第三阶段：浮充充电，以 13.6V、120mA 充电。 3.1.4 充电系统的系统框图 本充电系统的系统框图如图 3.1 所示，它包括将 220V 交流电进行整流和滤波的整 流电路，辅助电源电路，由 MOS 管做开关器件的直流变直流转换电路，单片机控制电 路，电流电压检测电路以及 LED、LCD 显示电路等。充电系统的电路原理图和 PCB 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 48 页 图如附录中电动汽车智能充电系统原理图及电动汽车智能充电系统 PCB 图所示。 MCU控制处理系统 电压采集电路 220Vac市电变压、整流、滤波 辅助电源 液晶显示 电流采集电路 和放大电路 ADC转换 电路 DC-DC开关电路充电电池 PWM驱动电路 图 3.1 充电系统的系统框图 3.2 充电系统的充电方法的控制与实现 为了实现三阶段式充电法，我设计了以 AT89S52 单片机为控制器的控制系统，将 检测到的电池端电压、充电电流、电池电量等状态信息，送到 CPU 进行处理以及判断， 以此来选择充电阶段，实现智能充电。这种控制系统结构很简单，方便操作，成本也 很低。 3.3 小结 本章给出了本设计的总体设计方案，并介绍了方案中的各个部分，包括充电方法 的选择、充电参数、系统的结构框图等。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 48 页 4 充电系统硬件设计 4.1 单相桥式整流、滤波电路 整流电路是将一种交流电转换成另一种交流电的电路，这个电路是利用二极管的 单向导电作用来实现的，所以二极管是整流电路的关键元件5。电容的目的是把输出的 整流电压中的纹波滤掉，它是滤波电路中关键元件。滤波电路还可以由输出端和负载 间串联电感器或者电容和电感组合来构成。图 3.1 为该电路的电路图。 整流桥一般是由四个整流二极管接成电桥的形式，当 PN 结正向导通时，二极管可 以流过很大的电流，导通压降典型值是 0.7V。如果二极管加反向电压，二极管只可以 流过非常小的反向电流，二极管可以承受很高的反向电压。整流桥是相对的二极管组 成一组轮流导通的。 图 4.1 单相桥式整流滤波电路 为了使充电电压达到 12V，整流输出电压至少要达到 20V，即负载电压 VL=20V。 由电容滤波电路的负载电压 VL与变压器二次侧的电压 V2的关系约为： （4-1） 2 (1.11.2) L VV 这里取 1.2，可算得 V2=16.7V 考虑实际的变压器选择，V2取 15V。 则 P1 是电源变压器将 220V 交流电降压成 15V 交流电后，15V 交流电的接入口。 1. 整流桥的选择 本课题充电电流要求为 01A，为了达到要求，这里的负载电流 IL至少取 1A，考 虑到裕度，取 2A。 流经二极管的平均电流： （4-2） 11 21 22 DL IIAA 二极管受到的最大反向电压： （4-3） 2 221 RM VVV 因此可以选用整流桥堆 KBP307 其允许的最大平均整流电流为 3A，最大反向电压 为 700V。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 48 页 2. 滤波电容的选择 负载电阻： （4-4）/20/ 2 10 LLL RVI 为了负载电