（通信与信息系统专业论文）多路本质安全型lifepo4矿用电池充电仪.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目前，我国大部分煤矿设备仍延用铅酸蓄电池作为电源，铅酸蓄电池的使用有如下 缺陷：容量密度低、体积大、重量大、不便于携带；其内部硫酸外溢会造成设备腐蚀及 人员伤害；电池中的铅锑等重金属会对环境造成污染；循环使用寿命短，维护繁琐。但 是其价格低，安全性高，所以在矿用设备中一直得以应用。锂离子电池是2 0 世纪9 0 年 代发展起来的新型电池，其工作电压高、能量密度高、无记忆效应、自放电小、循环使 用寿命长，得到广泛应用。但是，普通的锂离子电池安全性能无法满足矿井应用的要求， 故一直没有在煤矿设备上得到应用。近年来发展起来的l i f e p 0 4 电池因其正极材料稳定 性高、安全性能优越等特点，正逐步应用于矿用领域。 l i f e p 0 4 电池的标称电压( 3 2 v ) 和一般的锂离子电池标称电压( 3 7 v 或3 6 v ) 不 同，如果用一般的电池充电器充电，会使电池过充而造成损坏，已有的l i f e p 0 4 电池专 用充电仪，由于没有采用本质安全型设计，并不能安全的工作于井下环境。针对此问题， 本文参照g b3 8 3 6 4 2 0 0 0 标准，设计了本质安全型l i f e p 0 4 电池充电仪，实现了井下安全 充电，避免了l i f e p 0 4 电池供电设备在井下断电的尴尬。 另外，本文还专门设计了本安电源，为l i f e p 0 4 电池充电仪供电，保证其安全地工 作。本安电源输入端接至井下l1 0 v 交流电供电电网，输出端输出l i f c p 0 4 电池充电仪 所需的6 v 直流电压和3 a 最大电流。本安电源输出端设置了多重限流限压电路，保证 了输出的本质安全性。 经过实验测试，本文设计的充电仪充电曲线符合l i f e p 0 4 电池的充电特性，充电纹 波小，终止充电电压精度高，达到了l i f e p 0 4 电池的充电要求。其本质安全性能符合国 家标准g b3 8 3 6 4 2 0 0 0 ，可安全地工作在煤矿井下。为充电仪供电的本安电源输出电压 偏离值小，电压建立时间短，过流过压保护性能良好，符合充电仪的供电要求。 本多路充电仪由单片机控制，灵活性较大，可根据需要调节其恒流阶段电流及恒压 阶段电压的大小；充电纹波小，为4 - 1 0 m v ：终止充电电压精度高，为0 8 。 本充电仪放置在井下，方便井下l i f e p 0 4 电池供电设备的应急充电，具有重要的应 用价值。 关键词：本质安全；l i f e p 0 电池；充电器；多路 多路本质安全型l i f e p 0 4 矿用电池充电仪 i n t r i n s i c a l l ys a f em i n el i f e p 0 4b a t t e r ym u l t i - c h a r g e r a b s t r a c t a tp r e s e n t , m o s to ft h ec o a lm i n i n ge q u l p m e ms t i l lu s el e a d a c i db a t t e r i e sa sap o w e r s u p p l y , t h eu s eo fl e a d - a c i db a t t e r i e sh a v et h ef o l l o w i n gd e f i c i e n c i e s ：l o wc a p a c i t yd e n s i t y ， b u l km a s s ，h e a v y ，n o te a s yt oc a r r y ；i n t e r n a le q u l p m e mc o r r o s i o na n d p e r s o n a lm j u r yc a u s e db y s u l f u r i ca c i ds p i l l e d ；l e a d a n t i m o n ya n do t h e rh e a v ym e t a li nt h e b a t t e r yp o l l u t i n gt h e e n v i r o n m e n t ；s h o r tu s ec y c l el i f e ，r i g m a r o l eo fm a i n t e n a n c e d e s p i t eo ft h e s es h o r t c o m i n g s ， t h e ya l eu s e du n t i ln o w , b e c a u s eo f i t sl o wp r i c e sa n dh i g hs e c u r i t y an e wb a t t e r y - l i t h i u m i o n b a t t e r yi sd e v e l o p e di n19 9 0 s w i 也i t s1 1 i g hl o a dv o l t a g e ，g r e a te n e r g yd e n s i t y , n om e m o r y e f f e c t ，l i t t l es e l f - d i s c h a r g e ，l o n gc y c l el i f ea n das e r i e so fa d v a n t a g e s ，l i t h i u m - i o nb a t t e r yi s w i d e l ya p p l i e d h o w e v e r ，g e n e r a ls a f e t yp e r f o r m a n c eo fl i t h i u m i o nb a t t e r ya p p l i c a t i o n sc a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h el l 血l e ，s oi th a sn o tb e e na p p l i e di nt h ec o a ln l i n ee q u i p m e n t u n t i ll i f e p 0 4b a t t e r yi sd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s b e c a u s eo fh i 曲s t a b i l ! t yo ft h ec a t h o d e m a t e r i a l sa n ds u p e r i o rp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，l i f e p 0 4b a t t e r yc a l lb ea p p l i e dt ot h ef i e l d o f m i n i n g n 圮n o m i n a lv o l t a g eo ft h el i f e p 0 4b a t t e r yi s3 2 v ，d i f f e r e n tf r o mt h ev o l t a g eo fg e n e r a l l i t h i u mb a t t e r y n l en o m i n a lv o l t a g eo f g e n e r a ll i t h i u mb a t t e r yi s3 7 vo r3 6 v i f c h a r g i n gt h e l i f e p 0 4b a t t e r yw i t ha no r d i n a r yc h a r g e r , t h el i f e p 0 4b a t t e r yw i l l b eo v e r c h a r g e do r d a m a g e d t h ee x i s t i n gc h a r g e rc h i ps p e c i a l l yd e v e l o p e df o rl i f e p 0 4b a t t e r yd i dn o tu s e i n t r i n s i c a l l ys a f ed e s i g n , a n dc a nn o tb es a f ew o r k i n gi n t h em i l l ee n v i r o n m e n t i no r d e rt os o l v e t h i sp r o b l e m , t h ep a p e rd e s i g n e di n t r i n s i c a l l ys a f em i n el 谭e p 0 4b a t t e r yc h a r g i n gd e v i c e 埘血r e f e r e n c es t a n d a r dg b3 8 3 6 4 - 2 0 0 0 ，w h i c hr e a l i z et h es a f e l yc h a r g i n gi nt h em i n et o a v o i de m b a r r a s s m e n to ft h ei n t e r r u p t i o no fp o w e rs u p p l yo ft h el i f e p 0 4b a t t e r yp o w e r e d e q u i p m e n t i na d d i t i o n , t h i sp a p e rs p e c i a l l yd e s i g n e di n t r i n s i c a l l ys a f ep o w e rs u p p l yf o r t h el i f e p 0 4 b a t t e r y - p o w e r e di n s t r u m e n tt oe n s u r ei t ss e c u r i t yw o r k t h es u p p l yo fi n t r i n s i c a l l ys a f ep o w e r m p u ti su n d e r g r o u n dp o w e rs u p p l yn e t w o r ka n di t sv o l t a g ei s1 10 va c n 抢o u t p u tv o l t a g ei s 6 vd cw h i c hi st h el 讯e p 0 4b a t t e r yc h a r g e rn e e d 1 1 1 em a x i m u mo u t p u tc u r r e n ti s3 a t h e o u t p u tt e r m i n a lo ft h ei n t r i n s i c a l l ys a f ep o w e rs u p p l ys e tm u l t i p l ev o l t a g el i m i ta n dc u r r e n t l i m i tc i r c u i tt or e a c ht h ei n t r i n s i c a l l ys a f e t yr e q u i r e m e n t s a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fe x p e r i m e n t a lt e s t s ，t h ec h a r g i n gc u r v eo ft h ec h a r g e ri nl i n e w i t hc h a r a c t e r i s t i c so fl i f e p 0 4b a t t e r yc h a r g i n g t h ec h a r g i n gr i p p l ei ss m a l l ，p r e c i s i o no ft h e t e r m i n a t i o nc h a r g i n gv o l t a g ei sh i g h i tr e a c h e sc h a r g i n gr e q u i r e m e n t so fl i f e p 0 4b a t t e r y i t s i i 大连理工大学硕士学位论文 s a f e t yp e r f o r m a n c ei si na c c o r d a n c ew i t ht h en a t i o n a ls t a n d a r d sg b 3 8 3 6 4 2 0 0 0a n di tc a n w o r ks a f e l yi nt h ei l l i n e w i t hs m a l lo f f s e to fo u t p u tv o l t a g e ，s h o r tv o l t a g es e t u pt i m ea n d g o o df u n c t i o no fo v c r - c u r r e n ta n do v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o n 朋1 em u l t i - c h a r g e ri sc o n t r o l l e db yt h em c u ，t a k i n go ng r e a t e rf l e x i b i l i t y i tc a i lr e g u l a t e t h ec u r r e n ti nc o n s t a n tc u r r e n tp e r i o da n dv o l t a g ei nc o n s t a n tv o l t a g ep e r i o dt ot h ev a l u e n e e d e d ；c h a r g i n gr i p p l ei sl o wt o + lo m v ；p r e c i s i o no ft h ee n dc h a r g i n gv o l t a g ei sh i g h , 士0 8 1 1 1 ec h a r g e rp l a c e di nt h em i n e ，c o n v e n i e n tt ot h ee m e r g e n c yc h a r g i n go fu n d e r g r o u n d e q u i p m e n tw h i c hi ss u p p l i e db yl 语e p 0 4b a t t e r y i th a si m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：i n t r i n s i c a l l ys a f e ；l i f e p 0 4b a t t e r y ；c h a r g e r ；m u l t i - c h a n n e l 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 垒溘壅压鱼垒型b 丛丕豳立池客座幺 一 作者签名： 益：落 日期： 竺翌年乜月垃日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着煤炭业的发展，矿下的安全生产问题也日益凸显出来。煤矿下通常含有甲烷等 易燃易爆气体，井下电子电气设备产生的电火花常会引起重大伤亡事故，因此井下设备 需进行防爆设计。常用的防爆形式主要有隔爆型、增安型、正压型、浇封型和本质安全 型。其中，本质安全型电气设备在电路的电气参数上保证了防爆的要求，省去了隔爆外 壳，且安全程度最高。 1 9 1 1 年，威尔士煤矿由于电铃信号线路中产生的电火花而引燃瓦斯，发生爆炸；1 9 1 3 年，圣海德煤矿发生同样的瓦斯爆炸事故，造成4 0 0 多人丧生。事故造成的严重后果促 使人们对电火花及矿用设备的安全进行研究。 1 9 1 4 年，英国学者w h e e l e r 首先对电铃信号电路中产生的电火花点燃瓦斯的特性进 行了研究，设计出火花试验装置，并于同年提出用于煤矿井下的电铃信号线路【l 】，此即 为本质安全电路的雏形。1 9 1 5 年，t h r o n t o n 参与了该项工作，于1 9 1 6 年提出了本质安 全电路设计的方法和理论 2 1 。其中，本质安全是指普通操作者在发生人为误操作的情况 下，虽然有不安全行为，但系统仍能保证安全运行。本质安全设计对矿用设备非常重要。 本质安全电路是指在正常工作和标准规定的故障条件下产生的任何电火花或任何热效 应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路【3 】。 2 0 世纪5 0 年代，英国、联邦德国、苏联等国对于本质安全防爆理论和实际应用方 面的研究进展显著。在6 0 年代后期和7 0 年代初期，经过国际电工委员会第3 1 分技术 委员会一电气防爆技术委员会成员国共同磋商、协调，制定了国际标准i e c 7 旺1 1 1 4 1 ， 并在其中将联邦德国的本质安全实验研究装置推荐为i e c 标准火花试验装置。 国外对本质安全理论方面的研究主要集中于各种因素对最小点燃电流的影响、对火 花放电及电弧放电的研究、最小点燃能量的确定、本质安全性能试验及电路设计、评价 各元件对电路本质安全性能的影响、安全栅使用的可靠性等方面进行了具体研究。而且， 在本质安全理论方面的研究已不限于低压情况，对高压分断火花点燃易燃易爆气体的特 性也有专门研究p j 。 我国对本质安全技术及理论方面的研究起步较晚，但发展较快。2 0 世纪5 0 年代初 期，我国才开始制造防爆电机及防爆电器，中期开始研究本质安全理论问题；6 0 年代初 期，我国开始研制煤矿用本质安全型电气设备，并投入使用；7 0 年代中期，开始设计制 造应用于化工和石油部门的本质安全型电气设备1 6 】。 多路本质安全型l i f e p 0 4 矿用电池充电仪 国内对本质安全理论方面的研究内容也非常丰富。如对直流电阻性本质安全电路低 能电弧放电的分析；在此基础上，通过大量的具体试验对电感电路先后进行了全面的研 究和分析；此后，一些专家和学者又对电容性电路以及复杂电路的放电特性与引燃特性 做了深入的研究和理论分析，并且分别建立了相应的数学模型。 1 9 8 3 年8 月，我国发布爆炸性气体环境用电气设备国家标准汇编，其中的第四 部分对本质安全型设备及其关联设备的结构和试验作了规定，称为g b 3 8 3 6 4 8 3 。2 0 0 0 年1 月，进行了首次修订，本质安全型部分改为g b 3 8 3 6 4 2 0 0 0 。这为本质安全设备的 研制提供了依据。 近年来，l i f e p 0 4 电池因其正极材料稳定性高、安全性能优越等特点，越来越广泛 地应用于矿用领域。但是，由于l i f e p 0 4 电池的标称电压( 3 2 v ) 和一般的锂电池标称 电压( 3 7 v 或3 6 v ) 不同，如用一般的电池充电器充电，会使电池过充而造成损坏。 已有l i f e p 0 4 电池的专用充电仪，由于没有采用本质安全型设计，不能安全的工作于井 下环境。为避免l i f e p 0 4 电池供电设备在井下断电的尴尬，本质安全型l i f e p 0 4 电池充 电仪的设计成为一种需要。 1 2 研究内容 本文主要研究了本质安全型l i f e p 0 4 矿用电池充电仪及其供电电源一本安电源，整 个系统框图如图1 1 所示。主要内容如下： 图1 1 系统整体框图 f i g 1 1 b l o c ko fw h o l es y s t e m ( 1 ) 嵌入式硬件技术：本文研究了基于m s p 4 3 0 单片机的嵌入式系统硬件设计， 实现对l i f e p 0 4 矿用电池的安全高效充电，并且设计了人机交互接口，使用户更清楚地 了解充电状态，更灵活地控制充电参数。 ( 2 ) 嵌入式软件技术：系统的功能由软件实现。本文的嵌入式系统软件主要是用 c 语言编写，由i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 通过j t a g 在线调试完成的，安现了恒流恒 大连理工大学硕士学位论文 压调节、液晶显示、l e d 指示以及键盘的处理等功能。 ( 3 ) 本质安全防爆技术：矿井下通常有爆炸性气体存在，井下设备必须采用防爆 设计。本质安全型防爆比其他防爆形式具有更多优势。本文主要研究了充电设备的本质 安全化。 ( 4 ) 本安电源技术：本安电源在正常工作和故障状态下输出的最高电压和最大电 流均具有本安性能，并且其本身的电路也是本质安全型设计。 1 3 论文的结构安排 本文分为六章： 第一章为绪论，阐述了本质安全设备及理论的研究现状，分析了本质安全型l i f e p 0 4 电池充电仪研究的必要性，说明了本课题的意义及需要完成的主要工作。 第二章分析了l i f e p 0 4 电池的工作原理及特性，并对其充电策略进行了详细地分析 介绍。 第三章主要论述了l i f e p 0 4 电池充电仪的硬件设计，包括原理图及p c b 的设计、 防干扰设计和本质安全设计。 第四章主要论述了充电仪的软件设计，包括充电功能的实现、故障诊断处理及人机 交互功能的实现。 第五章专为充电仪设计了本安电源，详细介绍了其各部分电路，即e m i 滤波电路、 过压欠压保护电路、整流滤波稳压电路以及限压限流保护电路的设计。 第六章对整个充电系统进行了测试及实验，并对实验测试结果进行了分析。 多路本质安全型l i f e p 0 4 矿用电池充电仪 2l i f e p 0 4 电池特性及充电策略分析 2 1l i f e p 仉电池工作原理及特点 1 9 9 7 年，l i f c p 0 4 作为锂离子电池的正极材料被首次提出来，它具有良好的电化学 性能，充放电平台十分平稳，且在充放电过程中结构稳定。同时，该材料具有无毒、无 污染、安全性能好、可在高温环境下使用、原材料来源广泛等优点。 l i f e p 0 4 电池是锂离子电池的一种，其工作原理也与一般的锂离子电池相同，如图 21 所示川。锂离子电池正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时，l i + 从 正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极。正极处 于富锂态。放电时则相反l i + 从负极脱出，经过电解质嵌入正极。在正常充放电情况 下，锂离子的运动一般只引起层面间距变化，而不破坏晶体结构，其负极材料的化学结 构基本不变。因此，从充放电反应的可逆性看，锂离子电池的充放电属于理想的可逆反 应嘲。 圈2 1 锂离子电池工作原理 f i g 2l o p e r a t i o n p 血c i p k o f l i - i o nb 丑n o y l i f e p 0 4 电池正极的电化学反应式可表示为 l k & 。；：l k n 乒；+ 5 l j ”+ f l c ( 2 - 1 ) 大连理工大学硕士学位论文 l i f e p 0 4 电池负极的电化学反应式可表示为： l i x c n + s l i + + 艿p 弓睾c h m 9 8 三+ 5 已( 2 - 2 ) l i f e p 0 4 电池总的反应方程式可表示为： k f e y 置+ c # 云a , 孵哪, 。 l i f e x + 帖g ( 2 3 ) 上列式中，x 表示阴离子基团。 l i f e p 0 4 电池与钴酸锂( l i c 0 0 2 ) 电池、锰酸锂( l i m n 2 0 4 ) 电池的性能比较如表 2 1 所示。优越的安全性能和较高的稳定性使得l i f e p 0 4 电池在矿用设备中得以广泛应 用。 表2 1 锂电池性能对比 t a b 2 1p e r f o r m a n c ec o n t r a s to fl i t h i u mb a t t e r y 2 2l i f e p o 。电池的充电要求 l i f e p 0 4 电池同其他锂离子电池一样，对终止充电电压精度要求较高，一般误差不 应超过其额定值的l 。若充电终止电压过高，会造成过充，影响l i f e p 0 4 电池的寿命， 甚至造成电池的永久性损坏。终止电压过低，又会使充电不完全，造成电池的使用时间 变短。 l i f e p 0 4 电池的充电电流，应根据电池生产厂商的建议决定。充电电流过大，会有 一定的能量损失，对电池也会有一定的损伤，电流越大，对电池的损伤就越大。充电电 流过小，又会使充电时间延长。一般充电电流大小应控制在0 2 5 1 c 。 多路本质安全型l i f e p 0 4 矿用电池充电仪 l i f e p 0 4 电池的充电温度不能过高，否则会损坏电池且可能引起爆炸。而温度过低 则很难将电池充满。充电温度一般应在0 - 6 0 c 。 2 3l if e p o 电池充电策略分析 随着可充电电池的不断发展，充电的手段越来越丰富，充电方式对电池及其应用环 境的针对性也越来越强。目前，已存在的充电方式主要包括：恒流、恒压、恒压限流、 恒流限压、分级定流、脉冲充电、定化学反应状态充电法及变电流间歇恒压充电法等 9 1 。 下面分别对这几种充电方式进行分析介绍，并针对l i f e p 0 4 电池的特性确定出一种最优 的充电策略。 ( 1 ) 恒流充电法 恒流充电( c c ) 是指在整个充电过程中都采用恒定的电流对电池进行充电的方法， 根据充电电流的大小不同，可分为涓流充电、标准充电及快速充电。l i f e p 0 4 电池使用 此方法充电的充电曲线如图2 2 所示。由于l i f e p 0 4 电池接受电流的能力是随着充电的 进行而不断下降的，如果充电电流在充电后期仍然不变，则多余的电流会作用于电解质， 致使其产生大量的气泡，很容易造成极板上活性物质脱落，从而缩短l i f e p 0 4 电池的寿 命。 ( 2 ) 恒压充电法 使用恒压充电法充电的过程中，充电电压保持恒定不变，电流随着l i f e p 0 4 电池接 受电流能力的不断下降而不断减小，其充电曲线如图2 3 所示。从图中可看出，充电初 期充电电流很大，这样的大电流对l i f e p 0 4 电池的寿命会造成很大影响。 恒压充电法实现简单，易于做到。但是，在电池放电深度过大时，充电初期的大电 大连理工大学硕士学位论文 流易对电池造成损伤。 图2 3 恒压方式充电曲线 f i g 2 3 c u r v eo fc h a r g i n gi nc o n s t a n tv o l t a g e ( 3 ) 恒压限流充电法： 该方法是在恒压充电的基础上，增加限流元件对充电电流进行调整。在充电初期， 限流元件的存在使充电电流被限制在一定范围内，而不至过大。l i f e p 0 4 电池使用此方 法充电的充电曲线如图2 4 所示。该方法克服了恒压模式下初始电流过大的缺点，但由 于增加了限流元件，充电效率较低。 v 1 0 图2 4 恒压限流方式充电曲线 f i g 2 4 c u r v eo fc h a r g i n gi nc o n s t a n tv o l t a g e l i m i tc u r r e n t ( 4 ) 恒流恒压充电法 恒流恒压充电法是以恒定电流开始充电，并在此过程中不断检测电池两端的电压的 充电方法。当电池电压达到设定值时，电路切换为恒定电压充电，直到把电池充满为止。 在恒流充电期间，电池被充电到大约8 5 的容量。在恒压充电期间，流过电池的电流逐 多路本质安全型l i f e p 0 4 矿用电池充电仪 渐下降，在电流值下降到低于电池容量值的1 1 0 时，充电完成。恒流恒压充电曲线如图 2 5 所示。 0 t 图2 5 恒流恒压方式充电曲线 f i g 2 5 c u r v eo fc h a r g i n gi nc o n s t a n tc u r r e n t c o n s t a n tv o l t a g e ( 5 ) 分级定电流充电法 分级定电流充电法根据电池充电过程中不同充电阶段的特性，将充电过程划分为几 个阶段，采用不同的方式进行充电，可以达到保护电池和快速充电的目的。l i f e p 0 4 电 池采用这种方法进行充电，一般可将充电过程分为三个阶段：第一阶段为小电流充电， 主要对过放电的电池起到保护作用；第二阶段为恒流充电，采用较大的固定电流对电池 进行充电，可以实现快速充电；第三阶段为恒压阶段，可保证电池充满，充电曲线如图 2 6 所示。 o 图2 6 电池分级定电流充电曲线 f i g 2 6 c u r v eo fc h a r g i n gi ng r a d i n gc u r r e n t 大连理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 脉冲充电法 脉冲充电法是从对电池的恒流充电开始的，大部分的能量在恒流充电阶段被转移到 电池。当电池电压上升到充电终止电压后，进入脉冲充电阶段。在此阶段，以与恒流充 电阶段相同的电流值间歇性地对电池充电。脉冲充电时，会使电池电压超过充电终止电 压；充电回路被切断后，电池电压又会慢慢下降，直到降到终止电压，此时重新打开充 电回路。开始下一个脉冲充电周期。在脉冲充电电流的作用下，电池会渐渐充满，电池 端压下降的速度也渐渐减慢，当电池电压恢复到终止电压的时间达到某个预设的值t o 时，认为电池己接近充满，充电结束。充电曲线如图2 7 所示。 图2 7电池脉冲充电法曲线图 f i g 2 7 c u r v eo fp u l s ec h a r g i n g ( 7 ) 定化学反应状态充电法 采用定化学反应状态充电法充电时，需要充电设备动态跟踪电池可接受的充电电 流，使充电电流始终与电池可接受的充电电流保持一致，从而使电池在最佳状态下充电。 这种充电方式具有充电效率高，充电时间短等优点。但其电路系统较为复杂，造价高， 不易实现。 ( 8 ) 变电流间歇定电压充电法 变电流间歇定电压充电法与变电压间歇充电法也是近几年提出来的充电方法。但 是，该方法目前主要用于铅酸蓄电池。它们采用分级电流或电压对电池进行间歇式充电， 以提高充电效率和速度。 鉴于充电仪总体成本方面的要求和对电池保护的考虑，本文中l i f e p 0 4 电池的充电 策略采用了分级定电流充电法，这种方法电路相对复杂，但充电时间短，效率高，并且 对电池的损害也比较小，适合使用。其中三个充电阶段的具体说明如下： ( 1 ) 小电流充电：有时也称预充电。如果单节电池电压低于设定的电压值，充电 多路本质安全型l i f e p 0 4 矿用电池充电仪 周期首先进入预充电时间，一般单节l i f e p 0 4 电池设定为2 0 v ，只要低于此电压即进入 预充电时间。预充电电流一般为0 1 c ( c 为电池容量) 。 ( 2 ) 恒流充电：只要单节电池电压高于设定电压值，充电周期进入恒流充电，以 大电流五给电池充电。一般单节l i f e p 0 4 电池设定的此阶段电压范围为2 0 3 6 v 。充电电 流一般为0 2 5 c , - - - 1 c t l 2 】，充电电流越小( 一定范围内) ，对电池的损害越小，因此，在 时间充裕的情况下，建议用较小的电流充电。 ( 3 ) 恒压充电：当电池在充电过程中，电池电压达到设定值v s ( 3 6 v ) 时，充电 周期进入恒压充电。在恒压充电中，电压不变，电流由最大值慢慢减少，当电流减少到 设定值时，电池即充满。一般设定的电流值为5 0 m a 。 2 4 本章小结 l i f e p 0 4 电池因其优越的安全性能和较高的稳定性，在矿用设备中得以广泛应用。 针对l i f e p 0 4 电池的特性及充电要求，本章分析比较了8 种充电方法的优缺点，综合了 成本及对电池的保护等方面的考虑，最终确定使用分级定电流的充电策略。 大连理工大学硕士学位论文 3 充电仪硬件设计 3 1充电仪结构及实现分析 通过对l i f e p 0 4 电池特性、充电策略及充电要求的分析，得到充电系统的主要功能 需求如下： ( 1 ) 充电电流和电压的检测； ( 2 ) 充电电流和电压的调节； ( 3 ) 充电温度的检测； ( 4 ) 充电状态指示； ( 5 ) 用户控制调节的输入装置。 根据以上需求分析，本设计采用了以单片机为核心的嵌入式系统，系统框图如图3 1 所示。 图3 1 充电仪结构框图 f i g 3 1 s t r u c t u r eb l o c ko f t h ec h a r g e r 针对充电仪结构，其实现需求如下： ( 1 ) 电压、电流采样以及温度的检测需要用到a d 转换器。 ( 2 ) 电压和电流的调节，可采用p w m 波控制b u c k 转换器开关的方法。 ( 3 ) 指示装置需要l e d 灯和液晶显示屏。 ( 4 ) 输入装置采用键盘，可使用按键来组成。 基于以上需求，本设计选用了单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，其内部结构框图如图3 2 所示， 此款单片机集成了1 2 位的a d 转换器，有8 路a d 转换器模拟输入通道，其1 6 位的 定时器t i m e rb 可输出6 路p w m 波。另外，它还有p 1 - p 6 等6 个8 位端口，可用于液 多路本质安全型l i f e p 0 4 矿用电池充电仪 晶及l e d 的显示控制。其中p 1 和p 2 两个端口的中断功能，可用于键盘的输入检测处 理。 图3 。2m s p 4 3 0 结构框图 f i g 3 2 m s p 4 3 0a r c h i t e c t u r e m s p 4 3 0f 1 4 9 单片机工作电压为1 8 3 6 v ，耗电电流在0 1 4 0 0pa ，功耗低；为 1 6 位r i s c 结构，具有丰富的寻址方式和指令集合，高效的查表处理方法和较高的处理 速度；片内具有j t a g 调试接口及可电擦写的f l a s h 存储器，开发调试方便；为工业 级器件，运行环境温度范围大，为_ 4 m 斗8 5 帕，其复位控制、看门狗及中断等功能更有 利于系统的可靠运行。 3 2 主电路设计 为充分利用单片机资源，设计了6 路充电输出，如图3 3 所示，由于空间所限，图 中只画出了其中一路充电电路，其它5 路省略。本电路主要由充电电路和控制电路两部 分组成。 充电电路的输入经过一个b u c k 变换器而后连接到电池的正极，电池负极经过敏感 电阻r 4 7 后连接至地。b u c k 变换器由三极管q 7 和q 9 组成的开关w 、二极管d 1 4 、电 感i a 、电容c 1 5 组成，w 由单片机输出的p w m 波来控制。 单片机通过采样r 4 0 、r 4 7 和热敏电阻r t 4 上的电压，即可计算得到充电电压，充 大连理工大学硕士学位论文 电电流以及实时温度。由于单片机只有8 路a d 模拟输入端口，而6 路充电电路需要1 8 路a d 转换，故采样信号未直接连接至单片机，而是先接至多路开关。并且电压、电流 和温度信号分别通过一个多路开关连接到单片机的a d 转换模拟输入端口，3 个多路开 关的通道选择输入端连接到相同的i o 端口，统一控制，这样，单片机只需发送一个选 择信号，即可同时选中同一充电电路的三路检测信号。 图3 3 充电电路示意图 f i g 3 3 s c h e m a t i co f c h a r g i n gc i r c u i t 由于敏感电阻r 4 7 阻值较小( 小于1 欧) ， 如果直接通过多路开关接到单片机进行采样， v s e n s e 精密放大。 故其两端电压较小，即v s e n s e 值较小， 误差会比较大，因此在采样之前先对 为了防止电路中数字部分与模拟部分信号的相互干扰，将地分成了数字地和模拟 地。 已知d 1 0 、d 1 1 的最大正向压降均为0 5 2 5 v ，q 7 饱和导通时，射集压降最大为0 5 v ， 而电池的充电电流为5 0 0 m a 时，敏感电阻r 4 7 上的压降不到0 5 v ，充电过程中，电池 两端电压最大为3 6 v ，由此可得供电电压v d d 的值应大于0 5 2 5 * 2 + 0 5 + 0 5 + 3 6 = 5 8 5 v ， 本文取6 v 。 多路本质安全型l i f e p 0 4 矿用电池充电仪 3 3b u c k 变换器 b u c k 变换器是一种降压变换器，它使用电感为输出负载提供电流，这里的输出负 载为电池，如图3 4 所示，其开关可由一个p n p 和一个n p n 三极管构成，由p w m 信 号来控制。l c 网络相当于一个低通滤波器，如果p w m 频率比l c 网络的截止频率高很 多，则电压恒定，且其值等于b u c k 转换器输入电压的平均值。 图3 4b u c k 变换器 f i g 3 4 b u c kc o n v e r t e r 图3 4 中电感量可由下式计算f l l j ： l = d u t y c y c l e 丁( 巧一一v o ) 2 i o ( 3 1 ) 式中，d u t y c y c l e 为p w m 的工作周期，丁为p w m 周期，圪为输出电压，为开 关上的电压损失，巧为输入电压，厶为恒流充电阶段的电流。由上式可看出，p w m 转 换频率越高( 即转换周期丁越小) ，所需的电感就越小，但调节精度会随之降低。 电感值可由式( 3 1 ) 得出，这里乃为6 0 v ，为0 5 v ，1 t 为4 m 2 5 6 ，p w m 工 作周期设为5 0 ，厶设为5 0 0 m a ，则圪的最大值圪榭为： k = 3 6 + 0 7 5 x 5 0 0 m 4 = 3 9 7 5 v ( 3 2 ) 经计算，三约为5 0ph ，这里取8 2ph 。 l c 网络的截止频率五可由下式计算： z = 丽1 ( 3 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 c 取3 3 0uf ，则截止频率石约为1 0 6 k ，p w m 频率1 5 6 k ，比截止频率高出很多， 故能够使输出电压恒定。 3 4 人机交互电路设计 3 4 1 充电状态指示功能设计 本设计为6 路充电电路各设置了一l e d 灯，来指示充电状态。电路原理图如图3 5 所示。l e d l - l e d 6 连接到单片机的i o 引脚，d s l - d s 6 的亮灭状态由单片机直接控 制。r 8 8 r 9 4 则分别用来控制流过d s l - d s 8 的电流。 图3 5l e d 电路 f i g 3 5 c i r c u i to f l e d 3 4 2l e d 液晶显示设计 为了使用户更清楚及时地了解电池的充电状况，本设计设置了液晶屏显示功能。综 合显示内容和成本两方面的考虑，选用了汉字图形点阵液晶显示模块m d l 2 8 6 4 c 1 。 m d l 2 8 6 4 c l 可显示汉字及图形，内置8 1 9 2 个中文汉字、1 2 8 个字符及6 4 x 2 5 6 点阵显 示r a m 。其主要的技术参数和显示特性如下： ( 1 ) 电源：3 3 v ( 内置升压电路，无需负压) 。 ( 2 ) 显示内容：1 2 8 列6 4 行。 ( 3 ) 显示颜色：黄绿。 ( 4 ) 显示角度：6 ：0 0 钟直视。 多路本质安全型l i f e p 0 4 矿用电泡充电仪 ( 5 ) l c d 类型：s t n ( 超扭曲向列液晶) 。 ( 6 ) 与m c u 接口：8 位或4 位并行3 位串行。 ( 7 ) 配置l e d 背光。 ( 8 ) 多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。 此液晶模块有2 0 个引脚，各引脚名称及功能说明如表3 1 所示： 表3 1 液晶引脚说明 t a b 3 1 d e s c r i p t i o no f l c dp i n 由于单片机i o 引脚较为充裕，同时为了使运行速度更快，本设计采用了并行的数 据传输方式，电路如图3 6 所示。8 位数据端口与单片机的p 2 口相连接。液晶模块的 控制端口由单片机的p 3 口进行控制。r 9 0 为滑动变阻器，用来调节液晶的对比度。 大连理工大学硕士学位论文 图3 6l c d 电路 f i g 3 6 c i r c u i to f l c d 3 4 3 键盘设计 为方便用户操作控制，本文设计了8 个按键，由4 3 0 单片机的p 1 口控制，其电路 原理图如图3 7 所示。图中的k e y 0 - k e y 7 连接到4 3 0 单片机p 1 端口的8 个引脚。 7 图3 7 按键电路图 f i g 3 7 c i r c u i to f k e y 多路本质安全型l i f e p 0 4 矿用电池充电仪 分别对8 个按键进行编号为1 8 号。现在的大部分电池都有过放保护，