蓄电池智能均充系统设计毕业设计论文.docx

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蓄电池智能均充系统设计毕业设计论文

本科毕业论文（设计）

论文（设计）题目：

蓄电池智能均充系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学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。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

基于单片机的蓄电池智能均充系统

摘要

随着电子技术的迅速发展,蓄电池正广泛运用于交通运输、电力、通信等领域的各种设备中。

它已经成为这些设备的最为重要的部件，其直接影响到设备的寿命和可靠性。

本文介绍了蓄电池的工作原理及充电的特性。

由于充电方法的选择对蓄电池的性能和寿命影响较大，因此本文还涉及到目前该领域中的充电方法。

通过综合考虑各个方面，我们选择了分阶段脉冲充/放电的充电方法。

而实现脉冲充/放电的方法有很多，这里主要利用了场效管作为开关管使用。

通过8051单片机发出电压控制信号，来控制开关管的导通与截止。

另外，本设计中还提出了电压均衡的实现方法，从而保证了蓄电池组串充时各节电池的充电状态基本上一致。

而这里的一个亮点就是，该系统能根据蓄电池组的周围环境温度变化而自动地调整其充电电压，使它们处于最佳的充电电压上。

本课题的研制，对蓄电池的大规模应用具有积极的促进作用，具有较强的实际意义与应用价值。

关键词：

蓄电池单片机充/放电

BasedontheSCMarefullyintelligentbatterysystem

Abstract

Withrapiddevelopmentoftheelectronictechnology,batteriesarewidelyusedfortransport,electricpower,telecommunicationsandotherfieldsofequipment.Itbecomesthekeypartialoftheseequipments,itdirectlyaffectedtheequipmentlifeandthereliability.

Thispaperintroducestheprincipleofbatteryandchargerfeatures.Asthechargingmethodofchoicefortheperformanceandbatterylifeofgreaterimpact,thispaperalsorelatestothecurrentfieldofchargingmethod.Comprehensiveconsiderationofallaspects,wehavechosenaphasedpulsecharge/dischargechargingmethod.Andtherearemanywaysofrealizingapulsecharge/dischargecharging,thisismainlyusedtomarketeffectivelymanageasaswitchtouse.Through8051SCMissuedvoltagecontrolsignals,itcouldcontroltheswitchconductionordeadline.Inaddition,thedesignhasalsoraisedthevoltagetoachieveabalancedapproach,thusensuringthebatterychargestatewhenthebatterychargingseriesisbasicallyconsistent.Andtheonebrightspothereisthatthesystemaccordingtothebatterytemperatureofthesurroundingenvironmentchangesautomaticallyadjusttheirchargingvoltage,attheirbestonthechargevoltage.Theresearchofthissubjectwillplayanactiverole,andproducesignificanceandvalueonlarge-scaleapplicationofbattery.

Keywords:

battery;SCM;charge/discharge

第一章绪论

1.1、蓄电池的介绍

1.1.1、蓄电池的现状与前景

在蓄电池问世一百余年的时间里，由于蓄电池作为一种能源变换器可以方便的存储与提供电能，且具有可逆性好，电压特性平稳，使用寿命长，适用范围广，原材料丰富且可再生，使用及造价低廉等优点，得到了越来越广泛的应用，是社会生产经营活动中不可或缺的重要产品，在大力提倡环保节能、使用绿色能源的今天，蓄电池将具有更加广阔的发展应用前景。

蓄电池按其采用原料分，目前主要应用的多为铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池及锂离子电池。

其中铅酸蓄电池由于具有能够储存大量的电能、提供电流范围宽（从几安培到几百安培的电流）、价格低的特点，主要应用在工农生产中；而锂离子电池由于具有体积小、重量轻、安全可靠的特点，则广泛应用于各类小型设备、通讯设备与日常生活中。

虽然蓄电池产品不断更新换代，但就其充电方法上来讲却基本上仍然采用较为老套的常规方法，已经无法满足蓄电池生产企业对其产品质量检测控制、工农业生产和国防建设发展的需要，严重的影响了蓄电池产品的应用质量和使用寿命，制约与阻碍了蓄电池产品的发展。

1.1.2、铅酸蓄电池的工作原理

铅酸蓄电池由正极板（二氧化铅）、负极板（海棉状铅）以及电解液（硫酸）组成。

充电时，硫酸铅通过氧化还原反应分别恢复成二氧化铅和铅，电解液中的硫酸浓度增大。

放电时，正极板的二氧化铅和负极板的铅与电解液中的硫酸反应，生成硫酸铅，电解液中的浓度降低。

在充放电状态下，铅酸蓄电池的正、负极板上在进行不同的化学反应，产

生正负离子形成电流，称为成流反应。

正极的成流反应式：

负极的成流反应式：

电池的总反应式：

反应的中间过程可以表示为：

式中左方向为放电反应，右方向为充电反应。

研究发现:

电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。

也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。

由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。

1.1.3、蓄电池的充电理论基础

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1.1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1.1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。

很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。

可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。

理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。

但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。

在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。

1.1.4、充电方法的研究

（1）、常规充电方法

a、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1.2所示。

该控制方法简单，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，常选用阶段充电法。

b、 阶段充电法：

此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。

二阶段充电法:

采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图1.3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。

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。

c、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1.4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。

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。

（2）、快速充电方法

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。

下面介绍目前的其中一种快速充电方法：

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1.5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。

1.2、课题的应用背景

蓄电池因其可循环再充电的特性，以及成本低廉、使用安全、无污染等优点，在目前的工农业生产中的需求正日益增大。

相应的，免维护蓄电池的快速充电技术也引起了普遍地关注。

一方面，传统的充电方法充电时间过长，远不能适应现代生产和生活的需要。

资料表明，使用传统的恒压或恒流充电方法一般需要大约20小时左右的时间才能充满。

另一方面，充电技术不能适应免维护蓄电池的特殊要求，会严重影响蓄电池的寿命。

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

统计数据表明，国内通信设备和UPS中的免维护电池很难达到规定的浮充寿命（12～16年），大量的免维护电池在使用几年后即报废，造成巨大的经济损失。

在其他方面，由于充电方法不正确，免维护电池也很难达到规定的循环寿命。

1.3、课题的研究意义

蓄电池作为一种能源变换器，充电时将电能转变成化学能储存起来，而放电时将化学能转变为电能。

充电是放电的逆反应，充电的反应物就是放电的生成物，所以充/放电过程对于蓄电池来讲是十分重要的。

但在以往的蓄电池实际使用中，往往过分强调蓄电池的放电能力与使用寿命，常常忽略了蓄电池充/放电过程对其产生的严重影响。

研究与实践表明，蓄电池组的寿命远远不及单体电池的寿命。

蓄电池组的循环寿命往往达不到厂商标称值。

很大部分原因是由于蓄电池组中电池单体不均衡。

对电池组充电时，目前普遍采用单一电源对串联电池组进行充电，此时流过各单体电池的电流大小相同，然而由于电池的化学，运行温度与湿度存在一定差异，可能导致电池的特性有所不同，单个电池的容量就不一致。

研究蓄电池组均衡充电是一个非常重要的课题，充电不均衡是影响蓄电池组寿命的主要因素之一。

蓄电池在循环使用的条件下，对充电条件的要求更为严格，同样的电池，在不同的充电条件下，会出现很大的差异，即所谓的电池的不一致性。

蓄电池的不一致性极大地降低了电池的使用水平，严重影响了装置的寿命，危及系统的安全。

因此，研究一种有效的充电均衡方法，弥补蓄电池在使用过程中电池的不一致性，最大限度地发挥电池的效用，延长电池的使用寿命，增加系统的安全性，是十分必要的。

第二章串联蓄电池组均衡法

2.1、引言

由于单体蓄电池电压和容量有限，因此大部分蓄电池系统使用的都是电池组，这些蓄电池组由单体蓄电池串联或并联而成。

在循环充放电过程中，由于各蓄电池化学组分的差异，蓄电池运行历史的不同，蓄电池的不一致性会不断扩大，导致在同一充放电条件下蓄电池充电终止电压不同。

若让电池系统在该情况下运行而不加以管理，蓄电池的使用寿命以及系统的可靠性均会受到影响。

为了延长电池组的使用寿命，必须使所有的蓄电池单体均保持在同样的放电深度，通过均衡充电的方法可加以解决。

2.2、蓄电池的不一致性

蓄电池的不一致性是指同一型号规格的电池的电压、内阻、容量等参数存在差异。

产生这种差别的主要原因有两个方面:

一是在制造过程中，由于工艺和材料均匀性问题，使得同批次出厂的同型号电池的容量、内阻等不完全一致;二是在电池装车使用时，由于电池组中各个蓄电池电解液密度、温度和通风条件等的差别，增加了蓄电池的不一致性。

在使用过程中，造成蓄电池的不一致性扩大的原因有：

蓄电池过充电、充电接受能力的差异和过放电的影响。

2.3、蓄电池组中各蓄电池容量不一致的影响

如上所述，组成蓄电池组的各电池的内阻、容量等参数的不一致性，会使电池组中容量低的蓄电池更容易过充电和过放电，从而使蓄电池组陷于电池极板硫化加剧，容量差距更进一步拉大的恶性循环中。

这不仅缩短电池的使用寿命，而且还会因为蓄电池极板硫化而内阻增大和有效活性物质减少，从而使蓄电池组充放电转换效率、输出功率和装置性能下降。

2.4、各种均衡充电的方法

串联蓄电池组均衡是指对串联蓄电池组中不同的电池（或电池组）采用差分电流。

串联蓄电池组中每个蓄电池的电流通常是一样的，因此必须给蓄电池组增加额外的元件和电路来实现蓄电池均衡。

电池组在串联充电过程中通过一定的装置和控制规则使每个电池单体都能充到自己的最大电量而又不过充。

如果没有充电均衡，那么由于蓄电池单体状况不一致，而流过其中的电流却是一样的。

这样，若充电的控制规则以大容量电池的充电情况作为判据，则小容量电池必定过充;相反，若以小容量电池的情况作为判据，则大容量电池不能充满。

目前国内外对于蓄电池的充电均衡方面做得比较成熟，有很多充电均衡的资料和系统可供借鉴。

大致而言，充电均衡电路可分为以下几类:

2.4.1、电池单体电压均衡法

如图2.1所示为蓄电池单体电压均衡法的拓扑结构。

在每个单体蓄电池上附加一个均衡电路，它可以起到分流作用。

其中，最简单的方法就是在串联电池组中的每个单体蓄电池都并联一个大电阻。

电压较高的蓄电池将会在并联的电阻上消耗较多的能量，尽管这种方法简单，而且便于实施，但这种方法是以消耗大量能量为代价。

而且，电阻的大小难以确定，太大均衡效果不明显，太小功耗却较大。

另外，还可以利用三极管和电阻进行串联来实现ICE，在这种模式下，当某个蓄电池首先达到满充时，其均衡装置能阻止其过充并将多余的能量转化成热能，同时可以对没有充好的蓄电池继续充电。

虽然这种方法也会消耗大量能量，但与纯电阻实现ICE相比较要优越得多。

2.4.2、电容切换均衡法

如图2.2所示为电容切换均衡法，这种方法是利用电容在蓄电池组间来回切换实现电压均衡充放电，通过单刀双掷的双向开关进行切换。

每个电容都与相邻的两个蓄电池相连。

均衡充电时，电容通过其控制开关交替地与相邻的两个蓄电池相连，接受电压高的电池充电，并向电压低的电池放电，直到两电池电压趋于一致。

这种方法不用消耗能量，效率明显高于上种方法，因此实际应用中较为常见。

但是这种方法由于引进电容，所以均衡频率受到一定限制。

2.4.3、多绕组变压器均衡法

图2.3所示为多绕组变压器均衡法拓扑结构。

理论上，如果变压器的副边绕组匝数相等时，它们就能提供相同的电压对各单体蓄电池充电，由此达到电压均衡的目的。

然而实际上，任何相互耦合的绕组之间的耦合系数都不可能为1，因此在实际应用中我们必须考虑变压器的漏感，还有副边绕组之间的互感，在这种情况下，即使副边绕组的匝数完全相同，它们也未必提供相同的充电电压。

所以，这种方法的重点是如何减小绕组的漏感和互感的影响。

第三章总体设计

3.1、系统的设计要求

3.1.1、系统的基本功能

1.充电过程可以在系统的控制下智能地快速地完成；

2.充电过程中，实时监测并显示电池的电压和温度；

3.电池充满电后，自动转入浮充状态。

3.1.2、系统的理想技术指标

根据实际需要，设计的充电