电动车智能充电器.docx

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电动车智能充电器

学院

毕业论文（设计）

相关表格资料

（1）开题报告审批表

（2）周进展情况记录（3）答辩记录

（4）成绩评定表（5）论文撰写过程的其他资料

论文（设计）题目：

电动车智能充电器

设计

学院：

理工学院

专业（方向）：

通信工程

年级、班级：

通信1301班

学生学号：

1310731057

学生姓名：

建海

指导老师：

洪璠

2017年4月30日

学院毕业论文（设计）开题报告审批表

学生

建海

专业

通信工程

班级

通信1301

毕业论文（设计）题目

电动车智能充电器设计

题目类型

工程设计（项目）类■

论文类□

作品设计（作品）类□

其它□

一、选题简介、意义与背景

以动力蓄电池为能源的电动车被认为是21世纪的绿色工程，它的出现将汽车工业的发展带入了一个全新的领域。

目前，电动车核心部件中的电动机、控制器和车体三大部件在理论和技术上已较为成熟，而另两大部件蓄电池、充电器的发展还不能满足电动车的要求，有一些理论和技术问题还有待攻关，现已成为影响电动交通工具发展的瓶颈。

本设计用AT89C51单片机来完成。

由51系列单片机代替PWM信号发生器输出PWM波形控制开关管在一个周期的导通与断开。

电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。

数字信号送入单片机（MCU），由单片机对数字信号进行分析和处理。

然后单片机调整PWM输出信号的占空比。

这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。

当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电器便停止对蓄电池的充电。

这是充电器目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术比较复杂、没有什么实用经验、所需的元器件少、成本比方案一要高，单片机使用软件来控制整个充电器，使得充电的过程易于控制。

在充满电的情况下才会产生过充电的现象，减少蓄电池的损耗，延长蓄电池的寿命

二、文献综述

1.电动车智能充电器的原理

 理论和实践证明，蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程。

一般地说,充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降,不可能自动按恒流或恒压充电。

充电过程中影响充电的因素很多,诸如电解液的浓度、极板活性物的浓度、环境温度等的不同,都会使充电产生很大的差异。

随着放电状态、使用和保存期的不同,即使是相同型号、相同容量的同类蓄电池的充电也大不一样。

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。

图1.1最佳充电曲线

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，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，表现为阻上升，出现所谓的极化现象。

蓄电池是可逆的。

其放电及充电的化学反应式如下：

PbO2＋Pb＋2H2SO4→2PbSO4＋2H2O  

（1）

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。

一般来说，产生极化现象有3个方面的原因。

1）欧姆极化充电过程中，正负离子向两极迁移。

在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆阻。

为了克服这个阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。

该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。

随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。

2）浓度极化电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。

实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。

也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。

这种现象称为浓度极化。

3）电化学极化这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。

例如：

电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。

放电时，立即有电子释放给外电路。

电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢Me－eMe＋，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。

这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子Me＋转入溶液，加速Me－eMe＋反应进行。

总有一个时刻，达到新的动态平衡。

但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。

也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。

同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。

这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。

2.方案比较和方案选择

方案一：

用PWM信号发生器（比如UC3842）实现的方案。

蓄电池充电时，电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样的信号经过各种处理后，分别送进PWM信号发生器的电压和电流反馈引脚。

PWM信号性器对反馈回来的电压、电流信号进行分析，然后调整PWM输出信号的占空比。

这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。

这种方法是目前市场充电器流行使用的方法，也是一种很技术非常成熟的方法。

这种方案的优点是，技术简单、成熟、有多年的实用经验、所需的元器件少、成本低，但其在没充满电的情况下就会产生过充电的现象，增加蓄电池的损耗，使蓄电池的寿命减少，方案图如图2.1所示。

图2.1方案一

方案二：

由51系列单片机代替PWM信号发生器输出PWM波形控制开关管在一个周期的导通与断开。

电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。

数字信号送入单片机（MCU），由单片机对数字信号进行分析和处理。

然后单片机调整PWM输出信号的占空比。

这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。

当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电器便停止对蓄电池的充电。

这是充电器目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术比较复杂、没有什么实用经验、所需的元器件少、成本比方案一要高，单片机使用软件来控制整个充电器，使得充电的过程易于控制。

在充满电的情况下才会产生过充电的现象，减少蓄电池的损耗，延长蓄电池的寿命，方案图如图2.2所示。

图2.2方案二

方案三：

用VHDL设计实现。

用VHDL设计主要是利用有限状态机来实现。

用状态机来控制A/D采样，包括将采得的数据存入RAM，整个采样周期需要4至5个状态即可完成。

由FPGA代替PWM信号发生器输出PWM波形控制开关管在一个周期的导通与断开。

电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。

数字信号送入FPGA，由FPGA的有限状态机对数字信号进行分析和处理。

然后FPGA调整PWM输出信号的占空比。

这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。

当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电器便停止对蓄电池的充电。

这是充电器目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术是最复杂、使用VHDL语言编程比较复杂，没有实用经验、所需的元器件少、成本比上两个方案都要高，但是由于FPGA能通过编程构造各种功能的模块，可以大大的减少外围电路，增加电路的抗干扰的能力，FPGA的晶振频率一般为几十MHz，故信号的采样频率高。

在充满电的情况下才会产生过充电的现象，减少蓄电池的损耗，延长蓄电池的寿命，方案图如图2.3所示。

图2.3方案三

综合以上三个方案，方案一虽然所需的成本是最低，技术简单、成熟，但是与本次题目的要求不相符合。

方案三需要的成本最高，编写VHDL程序复杂，在此不选用这种方案。

方案二成本比方案一略高一点，易于接受，而且编程没有那么的复杂，在本次设计选择此方案。

3.硬件电路设计

采用单片机方案的电路图：

图3.1电路总体设计方框图

如图3.1所示，由市电送来的220V的交流电经继电器进行整流滤波，得到太约400V的直流电送入给脉冲变压器，高频变压器的次级绕组输出电压为48V给蓄电池充电。

在蓄电池的出口处分别的进行电压和电流的采样，采样信号送入低通滤波器以滤掉谐波的干扰。

低通滤波器输出的信号送入A/D模数转换器，将模拟信号转换为单片机可识别的数字信号送入单片机中。

单片机通过软件将送进来的电压和电流信号转换为实际值，并将它们与上一次的实际值进行比较，然后再调节输出的PWM波形的频率和占空比，并控制指示灯的亮灭来指示充电的过程。

当单片机检测到蓄电池充满电时，控制继电器断开电源，停止充电。

同时蓄电池通过DC-DC变换器经整流滤波后给单片机、A/D模数转换器、指示电路和其它的电路提供电源。

单片机设计及实现和硬件电路有什么区别？

没有阐述清楚

4.本课题的研究相对于传统电动车充电器的优点

设计一个电动车智能充电器，从而体现出现与以往普通电动车充电器的一些较大的不同。

智能充电器能实现

（1）防过充。

充电完毕，自动断电，防止过充宠坏电池。

（2）自动识别电瓶电压。

48V、60V自动识别，不会出现充电电压过高充坏电瓶和过低充不上电的问题。

（3）自动平衡充电。

可避免不同电池组之间因充电电压差距，导致的电池毁损。

【参考文献】

[1]自美主编.电子线路综合设计：

高等教育.2006.6

[2]康华光主编.电子技术基础（模拟部分）第四版：

高等教育.2004.4

[3]康华光主编.电子计数基础（数字部分）第四版：

高等教育.2004.4

[4]振江等主编.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用：

电子科技大学.2001.12

[5]光斌等主编.单片机系统[实用抗干扰技术：

人民邮电2003.9

[6]顾学群,宋建娟智能型铅酸蓄电池充电器的设计与实现职业大学学报,6:

61～66

[7]郭自强铅酸蓄电池的应用及其可持续发展中国自行车,第8卷:

28～32

[8]俄收,吴文民铅酸蓄电池的充电方法与充电工艺电源技术,28（5）:

328～330

[9]～KutkutNH.1998.AModularNonDissipativeCurrentDiverterforEVBatteryChargeEqualization.APEC1：

510～515

[10]JimKring.LabVIEWforEveryone[M].PrenticeHall,2006,60~220.

三、论文体系、结构（大纲）

第一部分：

选题简介、意义与背景

第二部分：

选题的工作原理

第三部分：

总体方案，总体方案为用51单片机实现

1、采用Protuce进行原理图的绘制。

2、运用所学的开关电源知识，进行初步的估算。

3、通过以往实习的技术然后根据原理图对器件的焊接。

4、将实物进行调试，验收第四部分：

系统硬件设计

第四部分：

设计总结。

再具体一点

指导教师审定意见：

签字:

年月日

学院审批意见：

同意指导教师意见。

签签章：

年月日