汽车蓄电池智能充电系统方案

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,提出使用恒压限流充电与脉冲充电相结合的充电方法。该充电方法能够一直保持对充电电流在总体上逼近蓄电池的可接受充电电流曲线,并且在整个充电期间内适时地使用了去除蓄电池极化的方法。理论研究与实验数据表明,该充电模式能够很大程度缩短充电时间,提升充电效率。实验结果表明,基于80196KB单片机控制的智能充电控制系统,其效率高、调节时间快的良好充电特性能得到充分发挥,使得蓄电池具有较高的使用容量与较长的循环寿命,可以满足电机车动力蓄电池的充电的要求,具有良好的应用前景,为提高蓄电池的性能与可靠性提供一条新的、有效的途径。 关键词: 铅酸蓄电池；智能充电；80C196KB ；单片机AbstractIn this paper the design of lead-acid batteries intelligent charging system, content mainly includes to battery charging method of research and charging system design. In the battery principle and charging methods on the basis of study, the paper proposes the constant pressure and pulse current limiting charging charging combination of charging methods. This kind of charging methods can always to recharge current in overall approximation battery acceptable charging electric current curve, and throughout the charging period timely adopted remove battery polarization measures. Theoretical and experimental data shows that this model can greatly shorten charging charging time and improve charging efficiency. Experimental results show that based on the intelligent charging 80196KB single-chip microcomputer control system, its high efficiency, regulating time quick good charging characteristics can get fully, make battery has higher use capacity and long cycle life, can meet the electric locomotive motive battery charging request, has a good application prospect for improving battery performance and reliability provides a new and effective way. Keywords: Lead-acid batteries ；Intelligent charging ；80C196KB ；singlechip目 录绪 论11 汽车蓄电池简介21.1 汽车蓄电池21.1.1 蓄电池的种类与选择21.1.2 铅酸蓄电池的工作原理31.1.3 传统的充电方式31.1.4 铅酸蓄电池充电的过程52 课题的研究现状62.1 项目开发的背景62.2 项目可行性62.3 充电技术的发展状况72.4 充电电源的发展状况83 基本方案103.1 总设计方案103.1.1 系统的设计要求103.1.2 智能充电方法的选择103.1.3 系统的结构原理框图113.2 充放电方法的控制与实现113.2.1 单片机充电终止条件控制方法123.2.2 最高电压控制123.2.3 定时控制123.2.4 温度控制134 系统硬件介绍及设计144.1 开关电源原理144.2 充电系统的主电路原理与设计154.2.1 全桥变换电路的设计154.2.2 能量反馈电路的设计174.2.3 主回路滤波与抗干扰电路的设计184.2.4 移相控制电路的设计194.3 充电系统的控制回路原理与设计244.3.1 80Cl96KB单片机最小系统的设计254.3.2 模 拟 量 检 测 电 路254.3.3 键盘电路254.3.4 显示电路274.3.5 执行电路274.4 系统保护措施的设计284.4.1 过流保护284.4.2 软启动保护285 系统软件设计305.1 充电系统的主程序设计305.2 实 时 时 钟 中 断 服 务 程 序315.3 去极化子程序32总 结34参考文献35致 谢36附录一 移相控制电路的设计图37附录二 系统电路的设计图38绪 论如今以动力蓄电池作为能源的电动车被称作二十一世纪的绿色工程,它将汽车工业发展带入到一个全新的领域。电动车主要的部件中电动机、控制器与车体三大部件全部在理论与技术上已较为成熟,但是其他两大部件蓄电池和充电器的发展却不能满足电动车的需求,有许多理论与技术问题还有待攻关,现在已成为影响电动交通工具发展的瓶颈。我国电动车所用动力蓄电池基本上是铅酸蓄电池,因为铅酸蓄电池具有技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点。当然,还有其他一些高性能电池,如锂电池、燃料电池等。铅酸蓄电池因为具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点,被广泛应用于国防、通信、铁路、交通、工农业生产等部门。这些年来全密封免维护铅酸蓄电池其密封好、无泄漏且无污染等优点,不仅能够保证人体与各种用电设备的安全,而且在整个使用期间,无需要任何维护,因此揭开了铅酸蓄电池发展的新章程。通信设备通常都是使用免维护电池作为备用电源,许多电子设备必须的不间断电源系统（UPS）也无法离开免维护电池,此外在应急灯、汽车、游艇中也越来越多的选用免维护电池。然而,因为充电方法的不正确,充电技术无法适应免维护电池的特殊需求,使电池很难达到规定的循环寿命。虽然近年来蓄电池本身的技术有了不错的进步,但作为其能量再次补充的充电器的发展太缓慢,传统的常规充电时间过于长,快速充电技术至今还未能完全解决,严重地阻碍了电动车的发展。目前,我国工农业的运输设备对蓄电池用量非常大,但是由于其充电设备太落后,充电的方法也很不科学,急需设计出一种新型的智能充电系统以满足工农业生产的需求。391 汽车蓄电池简介1.1 汽车蓄电池蓄电池是汽车必不可少的一部分,可分为传统的铅酸蓄电池与免维护型蓄电池 。 铅 酸 蓄 电 池 是 由 正 负 极 板 、 隔 板 、 壳 体 、 电 解 液 和 接线桩头等组成,其放电的化学反应是依靠正极板活性物质与负极板活性物质在电解液（稀释的硫酸溶液）作用下进行,其中极板的栅架是由铅锑合金制造。免维护型蓄电池是由铅钙合金制造,由于蓄电池使用铅钙合金做栅架,由此充电时产生的水分解量少,水分的蒸发量也低,再加上外壳使用密封结构,释放出来的硫酸气体也非常少,因此它和传统蓄电池相比,具有不需添加的任何液体,对接线桩头,电量储存时间长等优点1。1.1.1 蓄电池的种类与选择 蓄电池又称作二次电池,是化学龟池(所谓化学电池是指可以把化学能直挤变换为电能的装置)的一种,它既能将储备的化学能转为电能(这一过程称作放电),还能够使参加反应的物质以电能的形式释放完毕之后,再用充电器对它输入直流电能(这一过程称作充电),又能将已损耗的活性物质复活。通常采用的化学电池分为原电池与蓄电池2种。原电池只可以使用1次,就是我们所生活里的干电池,蓄电池便能多次反复的使用2。蓄电池主要由3个部分组成:发生氧化反应的阳极、发生还原反应的阴极、还有将阳极反应与阴极反应统一在一起的介质电解液。在电极里发生氧化反应与还原反应的物质被称作活性物质。根据使用场所的不同,蓄电池也有不同类型: 固定型(供室内装置使用)、移动型 (便于携带用)。移动型电池分为电动机车型与启动型蓄电池。根据蓄电池电解质的状态不同分类:分为电解质采用稀硫酸的称作铅酸蓄电池,使用硫酸电解质胶体的称作胶体铅蓄电池。又根据蓄电池电解质性质来区分:电解质使用稀硫酸的称作酸性蓄电池；使用碱性电解质的称作碱性蓄电池。如铅酸蓄电池是酸性蓄电池,但镍镉电池则是碱性蓄电池。依据蓄电池的结构又能够分为开口蓄电池与密封蓄电池2种形式。开口蓄电池有以下几点特点:能够进行大电流放电、自放电小等。但开口蓄的电池不便于维护,它要经常添加蒸馏水与更换电解液；而密封蓄电池在这一方面具有明显的优势: 密封好、无泄露、无污染、无需维护、易保存等特点,可以保障人体和各种设备的安全3。目前主要的蓄电池有以下4种: 铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍金属氧化物蓄电池与锂离子蓄电池。这4种蓄电池有一个共同的功能就是为最终产品提供可补充的电能,但不同的电池具有不同的特性,适用的对象与场合也是不同的。选择电池的根据主要是由电池的能量密度、电池的容量和内阻,它们直接判定了电池为负载提供电能的速度与大小。关于放电速率要求不高的产品,如便携式计算机、蜂窝电话机和手提式视频设备,能采用镍金属氧化物电池与锂离子电池。因为它们具有较大的内阻,从而限制了峰值放电电流,使得它们适合长期电流消耗要求较小的产品。而铅酸电池与镍福电池由于内阻较小,可以提供较大的电流,则适用于放电速率要求较高的产品,如某些由电池供电的电动工具: 锄草机。在这些电池当中,铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等特点,在国内外得到了广泛应用。1.1.2 铅酸蓄电池的工作原理电池充电是通过逆向化学反应将能量存储至化学系统里实现的,由于使用的化学物质不同,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池。密封免维护蓄电池是一种将化学能和电能相互转化的装置,免维护蓄电池需要先用电源对其充电,将电能转化为化学能储存起来,蓄电池阳极的活性物质是二氧化铅,阴极的活性物质是铅,电解液是稀硫酸,其化反应式为放电反应式: （1）充电反应式: （2）即电池在充电时,正极板产生的氧气又复合为,重新回到系统中,实现电池内部氧的循环复合。而负极亦因生成、使极化电位降低,从而使负极不析氢,此时电池在充电的过程中负极生成了被再次还原成海绵状铅,这就是免维护电池特有的内部氧循环反应机理。理想情况下,在电池的充电过程中,电解液中的水几乎不损失,所以在电池的使用过程中可达到不需要加水的目的。1.1.3 传统的充电方式A.恒流充电在充电的过程中伴随电池电压的变化需要调整电流使其恒定,通常使用1oh率或20h率电流充电。此种维持电流恒定的措施,从直流发电机与硅整流装置中皆能得到实现,它操作简单、方便,易于做到。此种充电方法非常适合由多数电池串连的电池组,落后电池的容量容易恢复,最好使用在小电流长时间的充电模式。恒流充电方式的不足之处是: 起初充电阶段电流过小,在充电后期充电电流又太过于大,整个充电时间过长,析出气体较多,对极板冲击大,能耗高,充电效率不超过65%。就是因为这个缺点,在国外除了蓄电池需要长时间小电流进行活化充电外,已经很少使用。该种充电方法,充电时间均在10h以上6。B.恒压充电这方法是对每一只单体电池以某一恒定电压进行充电。所以充电初期电流相当大,随着充电进行,电流逐渐变小,在充电后期只有很小的电流通过,如此在充电过程中就不需要调整电流。该方法较简单,由于充电电流自动减小,所以充电过程中析气量小,充电时间短,能耗低,充电效率可达80%,如充电电压选择得当,可在8h内完成充电。它缺点有:a.在充电初期,假如蓄电池放电深度太深,充电电流会很大,不仅会危及充电机的安全,还会使电池因过流而受到损伤;b.假如充电电压选择太低,后期充电电流又太小,充电时间太长,不适用于串联数量多的电池组充电;c.蓄电池端电压的变化难以补偿,充电过程中对落后电池的完全充电也难以完成。恒压充电通常应用在电池组电压较低的场合。C.恒压压限流该方法是为补救恒压充电的缺点,广泛使用恒压限流的方法。在充电电流和电池之间串联一个电阻,称为限流电阻。当电流大时,它的电压降也大,从而减小了充电电压；当电流小时,作用于电阻上的电压降也很小,充电设备输出的电压降损失也会小,如此就自动调整了充电电流,使其不超过某一限度,充电初期的电流得到控制。该法也称为准电压充电法,串联的电阻值可按下式计算 （3）式中U充电电源电压（V）I充电电流（A） R(内)电池内阻（因很小可以忽略）1.1.4 铅酸蓄电池充电的过程当蓄电池完成了初充电阶段后,为加快蓄电池的充电速度,且提高充电效率,进一步满足用户的实际使用需求,对充电方式以及相关参数进行了修正4。（1）涓流充电当系统检测到蓄电池亏电时,首先以小电流充电,充电电流一般采用0.05倍率充电。（2）大电流快速充电主充阶段以恒流方式充电。主充时的充电电流一般采用0.3倍率充电。 （3）过充充电随着限压充电进行,电池电流也会随之逐渐减低。充电电压一般使用V =6.3V,当充电电流减小到浮充电流时,电池已基本充满。 （4）浮充充电此阶段采用低压小电流的充电,用于补充电池的自然放电,此时必须将充电电压稳定在蓄电池的额定电压附近(比主充最高限压要低)。从而,充电电流和主充时相比很小。但因为工作情况的复杂性,浮充的时候有电流较高的可能(电池严重亏电、漏电、负荷过重等)。这时应该采取限流措施,使电流不超过某一设定值从而使电压降低,待电流降低、电压升起后再稳压,这就是恒压限流的含义。在电池设计的充电模式中,包括涓流充电、大电流充电、恒压限流充电、浮充电和均衡充电功能,在运行中单片机会根据对被充电池的数据采样和事先设定的程序来决定何时加入大电流充电、过充充电、浮充充电、电池充满时间并停止。2 课题的研究现状2.1 项目开发的背景面对日趋严重的资源短缺和环境恶化问题,为了寻找社会、经济和资源、环境相互促进和协调发展的可持续发展模式正在成为世界性潮流,汽车作为主要的交通工具与国民经济重要的支柱产业得到了快速发展。此时,汽车带来的能源消耗,环境污染等许多负面影响。所以,世界许多国家皆在燃料汽车、电动汽车与混合动力电动汽车方面进行了大量的研究和开发工作,将清洁型交通工具的开发应用作为实现可持续发展战略的一个重要组成部分。目前,汽车工业己经成为世界主要工业化国家的支柱产业: 一方面,汽车工业的飞速发展推动了全球机械、能源等工业的进步以及经济、交通等方面的发展,给人们带来了大量的就业机会。但是另一方面,汽车在造福于人类的同时,也带来了很大的弊端地球上有限的石油资源被大量消耗,而这些资源同时又是重要的、不可再生的,作为燃料直接燃烧掉是极大的浪费。按照目前的消耗速度,石油、天然气等资源仅仅能再维持数十年的时间。与此同时汽车排放出大量的有害气体,严重地污染了人类赖以生存的自然环境,给人类生存造成了严重的危害5。 随着电力电子技术的迅速发展,蓄电池正广泛应用于交通运输,电力,通信等领域的各种设备中,已成为这些设备的重要部件,直接影响到设备的寿命和可靠性。电动车作为具有零排放优点的“绿色”交通工具成为人们日益关注的焦点,而蓄电池及电池管理系统是电动汽车发展的“瓶颈”。世界各国都投入大量的人力物力进行开发研究,我国在这方面的研究刚刚起步,汽车工业发达国家的研制工作也不很完善,这其中有蓄电池技术与蓄电池充放电技术两大难点。蓄电池作为电动汽车的动力源而成为电动车发展的关键,蓄电池的性能决定了电动车的性能指标,其能量密度决定了电动车一次充电的续驶里程,其功率密度则决定了电动汽车的加速性能和最高车速。因此,在某种意义说电动车的成败首先取决于电池技术,电动车能否普及取决于电池技术是否有突破性进展。2.2 项目可行性电动车的开发在全球范围内未能深入展开,其中,最重要也是最困难的一个问题是“充电”问题,主要是指充电模式和参数。在中国,电动车的大力发展已经是迫在眉睫的事情,因而充电器及充电技术处于十分关键的位置。一个性能优良的充电器要解决一系列理论问题,例如,防止或尽量减少极化效应；防止出现热失控,防止或尽量减少失水效应；防止充电所形成的不可逆盐化,等等。目前由于传统的充电器充电速度慢,充电时间长、充电有效容量低、循环奉命短、对电池易损伤,快速充电技术至今未能完全解决,因而造成电动车续行里程短,电池维护困难,更换频率高等系列问题,成为制约电动车发展的瓶颈。电动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、加速或者爬波。一般情况下电动车动力用电池多工作在深度放电工作状态,因此,对电动车动力电池的快速充电的研究和设计非常必要6。 受到现有的设备和技术的局限,我们采用规格为6V、1.2Ah的铅酸蓄电池来模拟电动车电池进行设计和实验。2.3 充电技术的发展状况对于蓄电池,传统充电方法主要有恒压充电、恒流充电或者两者相结合等方法,这些充电方法没有动态的跟踪蓄电池可接受的充电电流的大小,实践证明这些充电方法不但是充电时间长而且还很容易对蓄电池过冲,减少蓄电池的寿命。通过了对恒压充电与恒流充电2种方法的改进,产生了一种传统的充电方法: 分段式充电方法。该方法包括2阶段充电法与3阶段充电法。2阶段充电方法: 使用恒电流与恒电压相结合的快速充电方法。以恒电流充电到预定的电压值,再变为恒电压完成剩的充电。这两阶段之间的转换电压便是第2阶段的恒电压。3阶段充电法,是先使用恒流充电法达到设定的电压之后再转为第2阶段,高恒压充电阶段,当充电电流小到设定值之后再转为第3阶段涓流充电,此时电压值转变为浮充电压7。该充电方法优点是: 技术实现简易,基本可以满足充电需求,成本低。缺点是: 无法区别电池的放电深度；容易使电池过充电,从而使蓄电池内部电压过高,极化现象严重,蓄电池失水过多,会对蓄电池造成不可恢复的伤害。针对传统充电方法充电时间长,不安全等缺点,国内提出了一些新的快速充电 方 法 , 比 如 有 分 级 定 电 流 充 电 法 、 变 电 流 间 歇 充 电 方 法等,这些方法都是在传统 充 电 方 法 上 的 改 进 , 以 满 足 马 斯 提 出 的 铅 酸 蓄 电 池 最佳充电曲线。分级定电流充电法结合了恒流充电法与恒压充电法的特点,在充电初期采用尽可能大的充电电流充电,使蓄电池在短期内充入尽可能多的容量,中期采用较小的充电电流,最后采用小电流充电,使蓄电池完全充满电。它有效的防止了恒流充电法和恒压充电法中所存在的问题,实现相对简单,是目前应用最为广泛的充电方法。智 能 充 电 方 法 是 让 实 际 充 电 电 流 动 态 跟 踪 可 接 受 充 电 电 流 , 这 种 充 电 方 法 不 会 对 蓄 电 池 造 成 过 充 电 , 而 且 充 电 时 间 很 短 , 一 般 在 五 - 六 个 小 时 。智 能 充 电 方 法 由 充 电 系 统 、 智 能 控 制 回 路 和 蓄 电 池 组 成 , 将 检 测 到 的 蓄 电 池 的 充 电 电 压 与 充 电 电 流 送 到 控 制 模 块 根 据 蓄 电 池 可 接 受 充 电 电 流 曲 线 动 态 调 整 充 电 电 流 , 使 蓄 电 池 在 析 气 最 小 的 情 况 下 充 电 , 既 能 延 长 蓄 电 的 寿 命 也 能 缩 短 充 电 时 间 。尽 管 己 经 有 很 多 充 电 方 法 出 现 , 但 由 于 各 种 条 件 的 限 制 , 仍 然 不 能 满 足 最 佳 充 电 电 流 曲 线 的 要 求 。 目 前 市 场 上 使 用 最 广 泛 的 仍 然 是 三 阶 段 充 电 方 法 8。2.4 充电电源的发展状况目前,常用的充电电源主要有以下三种:相控电源、线性电源、开关电源,而单片机充电发展比较慢。相 控 电 源 是 比 较 传 统 的 电 源 , 它 是 将 市 电 直 接 经 过 整 流 滤 波 后 输 出 直 流 , 再 通 过 改 变 晶 闸 管 的 导 通 相 位 角 , 来 控 制 整 流 器 的 输 出 电 压 。 相 控 电 源 所 用 的 变 压 器 是 工 频 电 源 变 压 器 , 它 的 体 积 比 较 庞 大 , 由 此 造 成 相 控 电 源 本 身 的 体 积 庞 大 、 效 率 低 下 , 并 且 该 类 电 源 动 态 响 应 差 、 可 靠 性 能 低 。 目 前 相 控 电 源 己 经 有 逐 步 被 淘 汰 的 趋 势 。 线 性 电 源 是 另 一 种 常 见 的 电 源 , 它 是 通 过 串 联 调 整 管 可 以 进 行 连 续 控 制 的 线 性 稳 压 电 源 。 线 性 电 源 的 功 率 调 整 管 总 是 工 作 在 放 大 区 , 流 过 的 电 流 是 连 续 的 。 由 于 调 整 管 上 损 耗 功 率 比 较 大 , 所 以 需 要 采 用 大 功 率 调 整 管 并 且 需 要 装 配 体 积 很 大 的 散 热 器 。开关电源被誉为高效节能电源,它代表着稳压电源的发展方向,现己成为稳压电源的主流产品。近20多年来,开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个发展方向是对开关电源的核心单元-控制电路实现集成化。 采用单片机技术的智能充电器在我国的研究发展比较晚,因其体积小、动态响应速度快、输出纹波小、效率高等特点,近年来获得了国内外的广泛研究和关注,特别是在通信和电力等领域中,己经得到了普遍的研究和使用。但是相对于相控电源来讲,它的价格高,而且功率器件的发热量也较高,因此,在电力系统中的大功率场合,相控式的充电器依然占有较大比重。然而国外市场大部分充电器都使用Wa、WaWo、U&U等充电曲线方式9,充电方式更科学、合理,从而很大程度的提高了蓄电池的使用寿命,大大地减小了维护成本,简化了充电的过程,解放了操作人员的劳动强度,市场前景非常广阔。近年来,国内外人士正在致力于智能充电器的研究,智能程度较高的充电器解决了动态跟踪电池可接受充电电流曲线的技术关键,使充电电流始终和可接受充电电流保持良好的匹配关系,使充电过程始终在最佳状态下进行,比常规充电模式节约了30%-50%电能,还提高了充电质量与效率,充电工人只担任辅助性工作,为充电技术和充电设备的智能化发展闯出了一条新路10。3 基本方案3.1 总设计方案本设计采用的是先组建多个功能模块分析然后组合的方式来实现方案。3.1.1 系统的设计要求A. 系统的基本功能a.要求识别蓄电池的好坏,实时监测充电过程;b.具有多种充电方式,如恒流充电、脉动浮充等;c.具有可靠的保护,如短路、断路、过流等;d.必要的显示功能。 B.系统的理想技术指标 本充电系统采用恒压限流充电和脉冲充电相结合的充电方法,将充电过程分成几个子充电过程,充电电流总体上呈逐级递减的趋势并保持恒定电压,而每个子充电过程按“正脉冲充电一停充一负脉冲放电一停充一再正脉冲充电”这种循环过程进行,直至电池的容量达到额定容量的80%以上。之后转入浮充状态,使电池电量完全恢复,即达到额定容量。3.1.2 智能充电方法的选择充电方法的选择是很重要的,不同的充电方法,它充电速度的差距会非常大,导致其充电效果的差距也会非常大。系统所需求的充电方法,一方面要求能够最大程度地加快蓄电池的化学反应速率,缩短蓄电池达到满充状态的时间,使其充电速度达到最大的提；另一方面,要维持蓄电池负极的吸收能力,使其负极可以跟得上正极氧气产生的速度,以避免电池的极化现象。恒压限流充电和脉冲充电相结合的充电方法结合了这两种充电方法的优点,通过有规律的间歇停充来消除电池在充电过程中所产生的极化现象。在整个充电时期内,一直适时地采取去极化措施,以避免了蓄电池在充电过程中产生大量气体和温升过高的问题,从而达到大大缩短充电时间和提高充电效率的目的,因而能够比一般的充电方法更快地进行充电。3.1.3 系统的结构原理框图本充电系统电路设计图如附录二系统电路的设计图所示。本充电系统电路的结构原理框图如图1所示,它包括提供充电的电源和作为管理中心的控制系统。在系统设计中,充电电源采用开关电源。通常把采用“交流一直流一交流一直流”这种电路的装置称为开关电源。从输入输出关系来看,开关电源是一种“交流一直流”的变流装置,然而由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节,变压器和滤波器都大大减小,因此同样功率条件下其体积和重量远远小于传统的相控电源。除此之外,工作频率的提高还有利于控制性能的提高。系统的主回路由充电电路、放电电路及控制电路组成,其中充电电路使用整流桥式电路。铅酸蓄电池组充电电源充电控制系统CPUI/O设备图1 系统的结构原理框图 控制电路部分是一个实时监测与控制系统,包括了对电池温度、电池两端电压、充电电流等参数的监测,对收集信息的分析与计算处理,对充电机工作参数的设置与显示等。它的控制过程是通过采集蓄电池的相关参数,送入80C196KB单片机进行预定的分析与计算,得出相应的控制数据,从而控制输出电压、电流,完成对蓄电池的智能充电。其中控制电路的核心采用80C196KB单片机芯片,具有高度的集成度。3.2 充放电方法的控制与实现在充电方法的实现上,我设计了以80C196KB单片机控制为主的控制方法,将采集到的电池温度、电池端电压、充电电流等状态信息,送入CPU后再进行处理和判断,以此来变换充电方式,实现智能充电。其优点是结构简单、便于操作、维修方便、成本低。在放电方法的实现上,采用大功率IGBT管进行PWM控制,以控制放电电流大小,保持其高稳定性。3.2.1 单片机充电终止条件控制方法利用单片机对蓄电池充足电后,电池的温度与内压都会迅速上升,同时电池的端电压也会开始下降,出现电压负增量。假如此时继续进行快速大电流充电,会对蓄电池造成很大损害。所以,为了保证电池能充足电又不过充电,须使用单片机采取一定的方法来控制充电的停充等问题。目前采用的控制方法很多,通常采取的有定时控制、电压控制、温度控制和最小终止电流等方法进行充电终止控制6。3.2.2 最高电压控制当电池电压达到最大值时,电池则充足电。充电过程中,当电池电压达到规定值后,单片机应马上对蓄电池停止充电。该控制方法的缺点是: 电池充电最高电压会随着环境温度、充电速率而改变,所以,最高检测电压必须使用一定的温度补偿,并且还要根据充电速率加以正确的修正。假如最高检测电压不会随温度变化而自动调整的话,当低温时,电池会充不足电；高温时,电池充足电后仍会继续大电流过充。这样,会导致电池寿命减小,也会使电池受到损坏。蓄电池组中各单体电池的最高充电电压也会有差别,所以采用这种方法不可能非常准确地判断电池已充足电。3.2.3 定时控制通常用在单片机控制的恒流充电模式中。例如,对于20Ah的蓄电池,采用0.4C充电速率,电池5h可充足: 采用0.2C充电速率时,需要10h才可充足电,所有依据电池的容量与充电电流,能够容易地确定所需求的充电时间。充电过程中,达到预定的充电时间后,定时器会发出信号,使充电器立即停止充电或充电电流马上降低至浮充电电流。这样能够避免电池长时间大电流过充电。该控制方法较简单,但由于电池的起始充电状态不会完全一样,有的电池充不足,有的电池过充电,又由于充电时间是固定的,因此不能依据电池充电前的状态来自动调整。所以,只有充电速率小于0.3C时采用这种控制方法才最有效果。3.2.4 温度控制为了不损坏电池,电池温度过低时不能马上开始快速充电；电池充足电后,充入的电量都消耗在电池中,电池的温度会很快上升。电池温度上升到规定数值后,单片机必须马上停止对蓄电池充电的过程。电池的温度可以通过与电池在一起的温度传感器件来检测,再反馈给单片机。当电池温度大于规定值时,单片机控制自动转入浮充电模式。当环境温度较低时,规定的最高温度值就要偏大一点,这样会造成过充电,损伤电池。为了不损伤电池,经常采用温升控制法,即当温升达到一定值时,充电器便自动转入浮充电模式。上述各种控制方法各有乾坤,为了使单片机在任何情况下,均能准确可靠地控制电池的充电状态,目前快速充电器中通常采用的是包括了时间控制、电压控制和温度控制的综合控制法。4 系统硬件介绍及设计4.1开关电源原理 充电电源采用开关电源,开关电源一般由功率变换主回路和控制回路两部分组成。主回路有多种不同的拓扑结构;控制回路是实现电源各种性能要求的核心,其控制机理有调频调幅调宽谐振等。高频开关电源的原理框图如图2所示11、12。交流电网滤波电路输入整流滤波电路高频变换器输出整流滤波电路控制电路保护电路市电输出直流图2 高频开关电源系统结构图 从图2中可以看到,高频开关电源主要由交流电网滤波电路、输入整流滤波电路、高频变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路几部分组成。其基本原理是:交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到一定的直流电压,再通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压,最后经过输出整流滤波电路,将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的高质量、高品质的直流电压。4.2 充电系统的主电路原理与设计4.2.1 全桥变换电路的设计 该充电系统采用的是全桥移相控制的零电压PWM变换电路。它是当前运用最为广泛的软开关电路之一,其特点是电路非常简单,易于操作,但有一个缺点: 滞后臂开关管在轻载下难以实现零电压开关,这使它不适用于负载范围变化大的场合。当电路不能实现零电压开关时,将会产生以下几个后果。 1.因为开关损耗的存在,需要增大散热器的体积; 2.开关管开通的时候存在很大的di/dt,将会造成较大的EML； 3.因为副边二极管的反向恢复,高频变换器副边漏感上的电流瞬变作用将在二极管上产生电压过冲和震荡,因此在实际应用中需在副边二极管上增设RC吸收网络。针对上述问题,常见的解决方法是在变压器原边串接一个饱和电感,扩大变压器的零电压开关范围。但,采用这方法后,电路仍不能达到全工作范围的零电压开关。 饱和电感在实际应用中不可能具有理想的饱和特性,这将会导致以下几个后果: 1.增强电路环流,从而增加变换器的导通损耗； 2.加重了副边电压占空比的丢失,从而增大原边电流和副边二极管的电压应力； 3.饱和电感以很高频率在正、负饱和值之间转换,磁心的损耗会很大,发热严重砰s1。改进型全桥移相控制的零电压PWM变换电路是针对上述缺点所提出的一种电路拓扑。它通过在电路中增加辅助支路,可使开关管在全负载范围内实现零电压开关,它在小功率(3kw)电路中具有明显的优势。图3所示是一种改进型全桥移相控制的零电压PWM变换电路。与基本的全桥移相控制的零电压PWM变换电路相比,它在滞后臂上增加一个由电感Lrx和电容C。两个元件组成的支路。改进型全桥移相控制的零电压PWM变换电路。 该变换电路采用移相控制方式,其主电路的工作原理和基本的零电压PWM变换电路完全一样。 全桥变换器中功率开关元件的选用典型的全控型开关器件有电力晶体管GTR、门极可关断晶体管GTO、场效应晶体管MOSFET和绝缘栅极双极型晶体管IGBT等。图3 改进型全桥移相控制的零电压PWM变换电路GTR（Giant Transistor,巨型晶体管）和GTO是双极型电流驱动器件,因为具有电导调制效应,所以其通流能力很强,但开关速度低,所需求的驱动功率大,驱动电路复杂。电力MOSFETMOS(Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体),FET(Field Effect Transistor场效应晶体管)是单极型电压驱动器件,开关速度快,输入阻抗高,热稳定性也好,所需驱动功率小而且驱动电路简单。它的导通电阻远远小于双极型晶体管BJT的导通电阻,这使得它能够代替BJT成为高频开关电源的主流开关器件。正是由于导通电阻小的MoSFET的出现,高频开关电源得以迅速发展13、14。IGBT(Insulated Gate Bipolar Tranister,绝缘栅极双极型晶体管)是MOS结构的双极型器件,是具有功率M0SFET的高速性能和双极型器件的低电阻特性的功率元件。IGBT的应用范围经常在耐压是600V以上、电流为10A以上、频率为1kH么以上的区域,多应用于工业用电机、民用小容量电机、变换器、照相机的频闪观测器以及感应加热电饭锅等产品上。IGBT的工作原理和静态特性IGBT是三端器件,具有栅极G,集电极C和发射极E。它是一种场控器件,驱动原理与MOSFET基本一致,其开通与关断是由栅极与发射极间的电压UGE决定的。当U 为正且大于开启电压UGE间时,IGBT导通。因为具有电导调制效应,高耐压的IGBT也会具有很小的通态压降。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时,IGBT关断。IGBT的驱动电路的设计IGBT是电压驱动型器件,使IGBT开通的栅射极间驱动电压一般取15-20V。同样,关断时施加一定幅值的负驱动电压(一般取-515V)有利于减小关断时间和关断损耗。而且在栅极串入一只低值电阻(10欧左右)能够减小寄生振荡,此电阻阻值会随被驱动器件电流额定值的增大而减小。IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。同一系列的不同型号其引脚与接线基本相同,只是适用被驱动器件的容量与开关频率和输入电流幅值等参数有所不同。本系统采用的EXB841是大容量高速型驱动器(最大40kHz运行)。在IGBT出现过流时,过流信号由引脚6输入到内部的过流保护电路,在其输出端(引脚5)出现低电平,光耦SOI有输出,对PWM提供一个封锁信号,使PWM的驱动脉冲输出转变为一系列窄脉冲,实现EXB840I/EXB841软关断功能。图4为EXB841驱动电路图。 图4 EXB841驱动电路图 4.2.2 能量反馈电路的设计 因为该充电系统使用的是由恒压限流充电与脉冲充电相结合的充电方法,在整个充电期间,一直适时地使用了经过负脉冲瞬间放电消除极化的方法,所以硬件设计中需要提供蓄电池放电的通路。通常充电系统使用的是当蓄电池达到一定的极化程度后,经过附加的负载进行放电,从而消除极化。但这样会产生多余的能量消耗,同时增大充电器的体积。该充电系统使用图5所示的结构框图,蓄电池的放电通路由开关元件Q与滤波电感L所组成,称为能量反馈电路。在正脉冲充电末期,DC/DC变换电路中的开关元件全部都断开,存储在滤波电感L,中的能量将全部转移到蓄电池组中。在负脉冲放电期间,能量反馈电路开始工作,它将电池的能量送到滤波电容六中去,从而实现了蓄电池在充电过程中适时的放电,即可消除电池的极化现象。和传统的放电回路相比,该能量反馈电路能避免多余的能量消耗,同时也能够大大减小充电系统体积。图5 能量反馈电路图4.2.3 主回路滤波与抗干扰电路的设计主回路滤波电路的设计整流滤波电路对减少电源中的噪声干扰起到了非常大的作用。当使用高频开关电源供电时,其整流和变换的工作电路更加复杂,而且开关电源工作在较高频率,外界和本机元器件无法避免的产生电磁感应相互干扰,而电源的噪声也会更加影响其它设备的正常工作。所有,在高频开关电源中,怎样降低与消除噪声干扰是一个非常重要的部分。在开关电源中,主要使用电源输入滤波、工频滤波、电源输出滤波和抗辐射干扰等重要措施来减小噪声的传递和影响15。输入滤波是指接在交流电网和开关电源之间的滤波设备,通常由低通滤波与共模扼流圈等元件组成,它主要作用是抑制开关电源其身对交流电网的反干扰同时也能抑制交流电网中的高频干扰串入开关电源。 工频滤波器又称平滑滤波器,接在工频整流器和逆变电路之间,可以将工频整流器输出的脉动电流变为平滑直流。另外,因为是工频滤波,频率较低,电容量和电感量应用很大,所以还能起到抑制高频干扰的作用。输出滤波电路通常由滤波电感和滤波电容组成, 对整流后的脉动电流起平滑作用,使其成为纹波很小的直流电流。 该充电系统只设计了输出滤波电路。 电路如图6所示, 其中图6 输出滤波电路 整流电路的设计整流器的作用是将电网输入的交流电进行整流滤波,为变换器单相交流提供纹波的直流电压。并且,当电网瞬间停电时,滤波电容器存储的能量可以使开关电源直流输出维持一定的时间。对前级整流电路的设计如图7。对电源输出时的后级整流电路采用一个整流桥即可。图7 前级整流电路4.2.4 移相控制电路的设计（1）UC3879简介在设计过程中,选用了美国Unltrode公司生产的专用移相控制集成芯片UC3879,UC3879是相移式PWM控制IC。传统的UC3875/ 6/ 7/ 8相比,该IC具有控制、译码、保护和驱动等功能。通过移相控制全桥变换器,该IC大大地简化了设计步聚,缩小了印刷电路板的体积,并节省了调试时间。大功率DC/DC变换器,传统上一般采用相移控制的全桥拓扑技术。在绝大多数的工作条件下,该方法可获得较高的dV/dt值,并且为功率级的所有初级边半导体提供零电压开关。UC3879是UC3875的改进型,可通过UVSEL脚来选定欠压锁定电平,一般情况下,可预先确定两个门限。选定的启动电压无关。限电平反映出两个最常用的辅助电源产生模式: 自举或离线。其特点是a.输出导通延长时间编程可控;b.电压模式控制或电流模式控制;c.实际开关频率可达300kHz;e.图腾柱式驱动输出电路,最大驱动电流为100mA;f.内置10MHz误差放大器;g.欠电压锁定功能编程可控;h.启动电流低,仅为150mA;i.具有软启动控制功能;（2）UC3879的引脚介绍UC3879的引脚排列如图8所示引脚功能介绍如下:Uref (引脚1):精密SV基准电压输出端,具有短路电流限幅特性；当Ui(引脚10)上的电压低于欠电压锁定阀值时,控制器被禁止,直到肠才输出的电压达到4.75V；实际应用当中,该端与GND引脚之间应接旁路电容；该电容的ESR尺和ESL应尽可能低, 其大小取0.1uF比较合适。COMP(引脚2): 误差放大器输出端。当误差放大器的输出电压低于0.9v时,相移为零。EA-(引脚3): 误差放大器反相输入端；该端接电阻分压器,对变换器的输出电压进行检测；该端与COMP(引脚2)之间接环路补偿元件。CS(引脚4): 电流检测信号输入端；该端为电流故障比较器的同相输入端；电流故障比较器的反相输入端接大小为2-2.5V的基准电压；当该端上的电压检测信号超过2.0V,且误差放大器的输出电压信号超过RAMP (引脚19)上的电压信号时,移相限流比较器将对相移大小逐周进行限制；当该端上的电压检测信号超过2.5V时,电流故障锁存器置位,控制器的输出端被强制关断,然后控制器进入软启动工作周期。如果该端上的电压固定为2.5V,控制器的输出端将停止输出并保持为低电平。在新的软启动工作周期内,当CS引脚上的电压降至2.5V以下时,在S S(引脚6)上的电压开始上升之前,输出端将从 0相移开始工作,但只有控制器进入稳定工作状态之后,才会向负载传输功率。图8 UC3879引脚排列DELSETA-B(引脚15)与DELSETA-B (引脚5):输出端的延迟控制信号输入端；延迟时间应在同一桥臂中一只开关管关断之后、另一只开关管开通之前加入,为谐振创造条件；由于谐振电容的充电电流在不同半桥的开关工作过程中是不同的,因此相对应的延迟时间也是不同的。SS(引脚6): 软启动信号输入端；该端和GND之间接软启动电容,用以设置软启动时间；只要Ui(引脚10)上的电压低于欠电压锁定阐值,该端电压将维持在零伏左右。当Ui与Uref上的电压处于正常范围内时,该端电压将在内部9uA电流源的作用下升至4.8V。万一出现电流故障,如CS(引脚4)上的电压超过2.5V,该端上的电压将被下拉至地电位,然后由零缓慢上升至4.8V。如果故障发生在软启动周期内,输出端将立即被禁止,而且在故障锁存器复位之前,软启动电容必须充满。多只控制器并联运行时,可以共用一只软启动电容,但软启动电容的充电电流需要相应增加。OUTA/B/C/D(引脚13/12/8/7):图腾柱式驱动输出端；该端最大驱动电流为100mA,可以驱动功率MOSFET；输出对占空比的典型值为50%；输出端A一用于驱动一侧半桥,并且与时钟信号同步；输出端C一用于驱动另一侧半桥,其相位相对于输出端A-B而言产生了移动。Uc(引脚9):驱动输出电路偏置电源输入端；该端向驱动电路及其相关偏执电路供电。输出高电平信号与该端电压之差的典型值为2.1V；该端与PWR GND之间应接低ESR 和低ESL的旁路电容。Ui(引脚10):控制器偏置电源输入端；该端主要向控制器内部的逻辑电路和模拟电路供电；偏置电压应在12V以上；为了保证控制器可靠工作,只有在Ui上的电压超过欠电压锁定上限