基于单片机的智能电池充电器的设计.docx

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基于单片机的智能电池充电器的设计

基于单片机的智能电池充电器的设计

摘要

由于以往的充电器不能根据电池的充电状态进行数据分析，采取相应的电池充电模式，而是一直采用大电流充电，极易造成电池的极化现象，导致电池充电效率较低，使用寿命缩短。

基于上述原因本文设计了一种基于单片机的智能电池充电器，该充电器是由ADuC824单片机控制，根据充电电池的充电状态输出一定的PWM脉冲波，进而采用涓流充电，恒流充电，恒压充电和浮充电等四个阶段对铅酸蓄电池充电，并且可以通过单片机的输出端口显示当前的充电状态，在充电结束时自动终止充电，蜂鸣器发出报警声，提醒用户电池已经充满，实现电池充电的智能化。

关键词智能充电器ADuC824TL494铅酸蓄电池

DESIGNOFINTELLIGENTCHARGERBASEDON

SINGLE-CHIPMICROCOMPUTER

ABSTRACT

Inthepast,asthechargercannotbebasedonthestatusofrechargeablebatterydatatoanalysisitcannotbecarriedoutthemode,whichissuitable.Ithasbeenusingahigh-currentcharge,whichisresultinmorelowerefficientforbatterycharger,reducesservicelife.Becauseofit,Idesignanintelligentcharger,whichiscontrolledbysingle-chipmicrocomputer.Accordingtothestateofbattery,ADuC824single-chipmicrocomputerwillcontrolandoutputaPWMpulse,inturn,lead-acidbatterywillbechargedthroughtofour-stagechargesuchastricklecharge,constantcurrentcharging,constantvoltagechargingandfloatingcharge,itcanalsoshowthecurrentchargingphasethroughtheoutputterminalofsingle-chipmicrocomputerandcanterminatechargingautomatically.Awarningbuzzerwillsoundtoremindtheuserthatitisalreadyfullofbatteries.

KEYWORDSintelligentbatterychargerADuC824TL494lead-acidbattery

1绪论

1.1研究背景

早在六、七十年代，西方经济发达国家为了保护环境就已经开始研制各种各样的绿色能源来代替汽油和柴油，但是，受到蓄电池，电控等关键部件的性能、寿命以及高性能的充放电设备等的制约，一直未得到长足的发展。

到了八、九十年代，由于大容量、长寿命蓄电池的大批量的生产及大功率晶体管的研制成功和计算机应用技术的广泛应用，使绿色能源得到长足的发展，近期一些公司声明他们将首先实现绿色能源计划，其中就包含大量电动汽车。

随着国际、国内对环保要求的越来越高，对内燃车辆的排放要求也越来越高，这样对绿色能源的需求越来越迫切，势必会蓄电池电动车辆的使用量大幅度增加。

1.2充电技术的发展概述

对于铅酸蓄电池来讲，传统的充电方式有恒流限压充电和恒压限流充电。

这两种充电方式的特点及存在的问题如下：

（1）恒流限压充电

充电时自始至终以恒定不变的电流进行充电，该电流可以通过PWM来调整，这种方式实现起来比较简单方便，易于做到。

特别适合由许多电池串联起来的蓄电池组。

蓄电池组中个别落后电池进行完全充电，恢复其容量，这时最好用小电流长时间的充电模式。

恒流充电方式的不足之处在于：

开始充电阶段电流过小，在充电中后期电流又过大，析出气体多，对危害较大，能耗高。

铅酸蓄电池不宜采用这种方式。

因此，人们在恒流充电方式的基础上进行了改进，即采用恒流限压充电方式。

为避免过充电，在充电后期采用限压措施，减小充电电流，避免损坏电池。

（2）恒压限流充电

恒压充电初期充电电流很大，随着充电进行，电流逐渐减小，在充电终期只有很小的电流通过，这样，在充电过程中就不必要调整电流。

随着蓄电池端电压升高，充电电流会自动下降，所以析气量少，充电时间较长，能耗较低。

它的缺点是：

充电初期，如果蓄电池放电深度过大，充电电流会很低，后期充电电流又过小，充电时间长；此外蓄电池端电压的变化也很难补偿，充电过程中对落后的电池完全充电也很难完成，为了弥补恒压充电的不足，在恒压充电的基础上进行了改进，当充电电流较高的时候（如电池严重亏电，漏电，负荷过重等）这时应采取限流措施，保持电流不超过某一设定值而使电压降低，待电流降低，电压升起后再稳压，这就是恒压限流的含义。

单独采用恒流充电限压充电和恒压限流充电等模式对铅酸蓄电池进行充电，蓄电池的充电效果不是很理想。

一方面这些充电方式充电时间过长，不能适应现代生产和生活的需要。

另一方面，充电技术不能适应蓄电池的特殊要求，会严重影响蓄电池的使用寿命。

国内外多年来的实践证明，铅酸蓄电池浮充电压偏差5%，电池的浮充寿命将减少一半。

统计数据声明，国内蓄电池的平均寿命为1.5年（可充400次），国外同型号蓄电池寿命一般为四年（可充1000次）如果充电质量不好以及用户使用维护保养跟不上，许多电池在使用一年后即报废，造成很大的经济损失，蓄电池价格占整机价格的20%，国外同容量电池价格则为国产蓄电池价格的2—3倍。

因此，充电质量的好坏，直接影响到蓄电池的技术状态及使用寿命。

1.3充电器的技术水平、现状及发展趋势

随着蓄电池电动车的迅猛发展，对充电器的要求越来越高，从开始的单纯充足，到目前的延长蓄电池寿命，减少能源消耗，充电器的功能已发生了质的飞越。

现在国外已研制成功只要用一小时就可以充满蓄电池的大功率充电器，在体积上也越来越小，现在最小的大功率充电器只有一个书包大小。

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，近年来得到国内外的广泛研究与关注，特别在通信，电力等领域中，已经得到了普遍的研究和使用，但对于相控电源来说，它的价格比较高，而且功率器件的发热量也较高，所以，在电力系统中的大功率场合，相控式的充电器仍然占有较大比重。

而国外市场大部分充电器均采用Wa，WaWo，U&U等充电曲线方式更科学，合理，从而大大提高了蓄电池的使用寿命，大大降低了使用和维护成本，简化了充电过程，解放了操作人员的劳动强度，市场前景非常广阔。

近年来，国内外人士正致力于充电器的智能化研究，智能化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，使充电电流始终与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，比常规充电模式可节约电能30%-50%左右，提高了充电质量和效率，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。

随着铅酸蓄电池在人们生活中的应用越来越普遍，智能型充电器的智能要求也越来越高，本次的课题就是对智能电池充电器的设计和研究。

2铅酸蓄电池的工作原理及充放电过程

2.1铅酸蓄电池的基本概念

由于蓄电池的充放电本身涉及到许多相关的专业知识，为了能够更好的理解本课题，本节将要简单介绍有关的铅酸蓄电池一些知识。

（1）蓄电池容量

蓄电池容量是指在一定条件下可以从蓄电池获得的电量（用C表示），单位常用安培小时（Ah）表示，是蓄电池性能的重要指标。

容量分为理论容量、实际容量和额定容量。

理论容量（Co）是假设活性物质全部参加放电反应给出的容量。

实际容量（C）是在一定放电条件下蓄电池实际放出的容量。

额定容量（C额）是在设计和生产蓄电池时，规定或保证在指定的放电条件下蓄电池应放出的最低限度的电量。

蓄电池容量除了与极板表面进行的电化学反应的物质数量有关外，还与极板表面活性物质的利用率、孔率、极板厚度、极板的表面积有关。

此外还受电解液密度、温度、放电条件（即：

充电程度、放电率等）、蓄电池新旧程度等影响。

在使用过程中，容量受放电率、电解液温度的影响是主要的。

当放电率较小，电压下降缓慢，蓄电池实际放出的电量较高，当放电率变大时，电压下降变快，蓄电池实际放出的电量较低。

在一定范围内，电解液温度高，蓄电池的活性增加，内阻变小，容量变高，电解液温度低时，蓄电池的活性降低，内阻变大，容量降低。

（2）蓄电池的内阻（

）

内阻（

）又称全内阻，是指电流通过蓄电池时所受到得阻力，包括欧姆电阻和电化学反应中电极极化产生的电阻，即：

=

+

（2.1）

欧姆电阻（

）：

包括电极材料、电解液、隔板等组成的电阻，还与电池的尺寸、装配、结构等因素有关。

极化电阻（

）：

包括蓄电池使用过程中浓差极化和电化学极化产生的电阻之和。

主要与电极材料的本性、电极的结构和制造工艺以及使用条件等因素有关。

内阻越小，在同样的放电条件可以消耗较少的电能，输出较多的电能，提高电能利用率，从而提高蓄电池性能。

（3）充电速率和放电速率

为了对不同容量的电池加以比较，蓄电池的充电电流不用电流的绝对值来表示，而是用电池的额定容量C额和放电时间T的比来表示，称为电池的充电速率或放电速率。

国家标准规定，铅酸蓄电池的额定容量按5小时连续放电来表示，即C5，例如一个额定容量C5为10Ah的电池，充电5小时后，电池完全充满，则它的充电电流为：

（2.2）

即它的充电速率为0.2C5；若用10小时就达到充满状态，则它的充电电流为

（2.3）

即它的充电速率为0.1C5。

（4）充电终止电压和放电终止电压

蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。

放电终止电压是指蓄电池可放电的最低电压，如果电压低于放电终止电压后继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成过放电。

这极易对电池造成永久性损害，影响蓄电池的使用寿命。

放电终止电压和放电率有关。

（5）电池的过充电

当高速率充电而又不能及时地在满充电后结束充电过程，电池则很容易存在大电流过充的问题。

过充电会使电池内部的温度和电压都急剧上升，造成对电池的损害。

这是因为在过充电阶段电池内部所进行的反应为消耗反应，它会增大电池内部的压力，同时，由于氧气的产生和吸收都是放热反应，这就使电池温度迅速上升。

因此在电池充电接近满充电时，只能采用低速率充电。

这是因为电池在低电流过充电时所产生的极化现象较轻，同时电池的热量可以及时地向空中散发，基本上不会对电池造成伤害。

（6）电池的极化现象

由于蓄电池内阻并不是纯电阻，所以蓄电池的端电压也与其他电源有所不同。

该值与蓄电池的工作状态有关，它一般有三种状态的值：

当蓄电池为开路状态时，所测得的电池两极间的电压称为电池的开路电压；

当蓄电池充电时所测得的电压称为电池的充电电压；

电池放电时测得的电压称为放电电压。

这三种状态的电压具有下述特点：

充电电压高于开路电压，而且随着充电时间的增加而略有升高，放电电压则低于开路电压，而且随着放电时间的增加而略有降低，这种现象称为电池的极化。

这种现象的产生，主要是因为一般的密封式蓄电池在充电过程中，内部会产生氧气和氢气，其中主要是氧气，氢气只占一小部分，当产生的氧气不能被及时吸收时，它便堆积在正极板上，使得电池内部压力增大，电池温度上升，同时缩小了电池正极板的板面积，表现为电池内阻上升，即使得电池出现了所谓的极化现象。

上面提到的蓄电池的极化电阻正是由于电池的极化现象所表现出来的。

当充电速率较低时，充电时所产生的氧气可以被及时吸收，因此电池的极化现象很轻，一般不会对电池造成很大的伤害，当高速率恒流充电时，这一现象则不容忽视。

蓄电池的极化现象对蓄电池的工作是不利的。

它不仅使电池发热，而且降低了电池的效率，同时也加速了电池的老化。

（7）电池的老化

电池的老化是指另外一种现象：

电池在开始使用的一段时间内，电池容量增加大约5%-10%，接下来的一段时间，电池的容量大约不变，然后开始慢慢减少，即开始了电池的老化过程。

当电池的老化达到一定程度时，这个电池就报废了。

一般经验来讲，当电池的容量达到额定容量的80%时，就可以认为电池的寿命基本结束了。

（8）使用寿命

使用寿命是指在其实际容量降低至某一规定值之前所经历的充放电的次数，通常用来定义蓄电池的使用寿命，使用寿命是铅酸蓄电池的重要指标之一，与使用中的放电深度、温度、充放电等条件有关。

减少放电深度或采用浅放电可大大延长蓄电池的使用寿命。

充电时采用大电流充电，会造成蓄电池温度高，损害蓄电池的寿命。

影响使用寿命的原因有以下几方面：

正极板的板栅变形、板栅腐蚀、活性物质在使用过程中发生钝化或产生不可逆硫酸盐化等问题，都会造成使用寿命缩短。

（9）自放电现象

当电池处于闲置不用（非工作状态）时，虽然没有电流流过蓄电池，但电池内的活性物质与电解液间自发的反应却一直在进行，这造成了电池内的化学能量无益的损耗，使电池的容量下降，通常将这种现象称为电池的自放电。

自放电的大小一般用单位时间的电池容量下降得百分比来表示，见公式2.4：

（2.4）

其中，QO为蓄电池在规定条件下的容量，Qf为电池存储一段时间后，在同样规定条件下的容量。

自放电通常与环境温度有密切联系。

当环境温度较高时，电池的自放电现象比较明显，所以电池应在适宜的温度和湿度下保存，自放电一般不会损伤电池，只要重新充足电量，还可以照常使用。

铅酸蓄电池的自放电相对镍铬电池来讲比较严重，经验表明，铅酸蓄电池在闲置一个月后，自放电达30%左右。

考虑到这一点，在设计蓄电池充电器时，应能在电池长时间不用的情况下对电池进行补充充电。

2.2铅酸蓄电池的工作原理

2.2.1铅酸蓄电池电动势的产生

铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质--氢氧化铅（Pb（OH）4），氢氧根离子在溶液中，铅离子留在正极板上，故正极板上缺少电子。

铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（Pb），与电解液中的硫酸（H2SO4）发生反应，变成铅离子（Pb2+），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。

可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。

2.2.2铅酸蓄电池放电过程的电化反应

铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流I。

同时在电池内部进行化学反应。

负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子（Pb2+）与电解液中的硫酸根离子（SO42-）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。

正极板的铅离子（Pb4+）得到来自负极的两个电子（2e）后，变成二价铅离子（Pb2+），与电解液中的硫酸根离子（SO42-）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。

正极板水解出的氧离子（O2-）与电解液中的氢离子（H）反应，生成稳定物质水。

电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。

放电时H2SO4浓度不断下降，正负极上的硫酸铅（PbSO4）增加，电池内阻增大（硫酸铅不导电），电解液浓度下降，电池电动势降低。

2.2.3铅酸蓄电池充电过程的电化反应

充电时，应在外接一直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。

在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb2+）和硫酸根负离子（SO42-），由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二价铅离子（Pb2+）不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子（Pb4+），并与水继续反应，最终在正极极板上生成二氧化铅（PbO2）。

在负极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb2+）和硫酸根负离子（SO42-），由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二价铅离子（Pb2+）被中和为铅（Pb），并以绒状铅附着在负极板上。

电解液中，正极不断产生游离的氢离子和硫酸根离子（SO42-），负极不断产生硫酸根离子（SO42-），在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动，形成电流。

充电后期，在外电流的作用下，溶液中还会发生水的电解反应。

2.2.4铅酸蓄电池充放电后电解液的变化

从上面可以看出，铅酸蓄电池放电时，电解液中的硫酸不断减少，水逐渐增多，溶液比重下降。

铅酸蓄电池充电时，电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上升。

实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度[5]。

2.3蓄电池的充电工作特性

上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图2-1所示。

实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。

原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向。

由图2-1可以看出：

初始充电电流很大，但是衰减很快。

主要原因是充电过程中产生了极化现象。

在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。

图2-1最佳充电曲线

（1）常规充电技术

常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。

其中最著名的就是“安培小时规则”：

充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。

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，常规充电有以下3种。

恒流充电法

恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图2-2所示。

控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过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，使出气过甚，因此，常用于阶段充电法中。

图2-2恒流充电曲线

阶段充电法

此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。

二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图2-3所示。

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。

图2-3二阶段法曲线

三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。

当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。

这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。

恒压充电法

充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。

与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。

用恒定电压快速充电，如图2-4所示。

由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。

图2-4恒压充电法曲线

这种充电方法电解水很少，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，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。

鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。

例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。

（2）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少或轻，提高蓄电池使用效率。

快速充电技术近年来得到了迅速发展。

下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。

这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线[2]。

脉冲式充电法

这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。

脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，如图2-5所示。

充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。

间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。

图2-5脉冲式充电曲线

REFLEXTM快速充电法

这种技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是镍镉电池。

由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池的记忆效应，因此，大大降低了蓄电池的快速充电的时间。

铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉电池有很大的不同，但它们之间可以相互借鉴。

如图2-6所示，REFLEXTM充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲，反向瞬间放电脉冲，停充维持3个阶段[2][14][15][16]。

图2-6REFLEXTM快速充电法

变电流间歇充电法

这种充电方法建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为限压变电流间歇充电段。

充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。

充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。

通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。

变电压间歇充电法

在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法。

与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。

比较

和

两种方法，可以看出：

方法更加符合最佳充电的充电曲线。

在每个恒电压充电阶段，由于是恒压充电，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。

变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法

综合脉冲充电法、REFLEXTM快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间歇充电法的优点，变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法得到发展应用。

脉冲充电法充电电路的控制一般有两种：

其一为脉冲电流的幅值可变，而PWM（驱动充放电开关管）信号的频率是固定的；其二为脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。

方法采用了一种不同于这两者的控制模式，脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段，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[2][5][12]。

2.4充电终止条件控制方法

蓄电池在充足电后，电池的温度和内压都会快速的上升，同时电池的端电压开始下降出现电压负增量，如果此时继续进行快速大电流充电，对蓄电池的损害是显然的。

因此，为了保证电