数字化快速充电系统设计毕业论文Word文件下载.doc
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1绪论 1
1.1题目背景 1
1.2研究意义 1
1.3国内外发展情况 2
1.4课题主要研究内容 2
2数字化快速充电器理论分析 4
2.1电池的充电特性分析 4
2.2充电模式 5
2.2.1恒流充电 5
2.2.2恒压充电 6
2.2.3快速充电技术的优缺点分析 7
2.2.4充电控制技术 7
2.3开关电源的基本原理 9
3数字化快速充电系统硬件设计 11
3.1总体设计方案 11
3.2单片机XC164CM介绍 12
3.3开关电源电路设计 13
3.3.1AC/DC转换电路 13
3.3.2DC/DC变换器电路的设计 14
3.4充电电路的设计 18
3.5充电控制电路的设计 19
3.6单片机及其外围电路的供电电路的设计 20
3.6.15V供电电路 20
3.6.22.5V供电电路 21
3.7电压和电流检测电路的设计 21
3.7.1电压检测电路 21
3.7.2电流检测电路 22
3.8显示电路和键盘输入电路的设计 22
3.9报警电路的设计 23
4实验结果及分析 25
5总结 26
致谢 27
参考文献 28
毕业设计（论文）知识产权声明 29
毕业设计（论文）独创性声明 30
附录 31
附录A实验原理图 31
附录B印制电路板 32
IV
1绪论
1绪论
1.1题目背景
电源技术是一切设备的基础技术，其水平的高低，直接影响整体性能，形象地讲，电源犹如心脏，是电设备的供电系统，维持着全系统的正常运行，标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪声及带载时参数的变化等等，在同一参数的要求下，又有体积、重量、效率和可靠性能指标。
因此，一个优秀的电源系统，必须既满足特性参数要求，又要满足特定指标的要求。
智能供电系统是一种典型的AC-DC供/充电系统，它不但要把交流220V市电转换成需要的低压直流电，输入给无线通信机，还能给通信机内的蓄电池（包括锂离子、镍镉、镍氢等种类）充电，以备移动时给通信机供电。
目前，这种通信系统主要配备给陆军连队、消防大队、森警巡逻队等，以及应用与武警执勤、野外侦探等无法交流供电的工作环境中。
目前，配备给通信机的电源系统，由于大都属于70年代开发的产品，技术上存在的问题如下：
（1）故障率高，而且维修困难，经常影响作训的正常进行；
（2）由于有些电池性能比较差，充电器缺乏自适应性，经常出现因“过冲”而损坏电池或因“充不满”而影响作训的非常情况；
（3）体积大，笨重，而且效率低，不适应现代化装备要求；
（4）不具备对新一代“数字化电池”的充电功能，针对如上缺点，使用部门多年来一直寻求一种高性能新型电源系统，以便满足国防建设和特殊行业的要求。
1.2研究意义
如今，随着越来越多的手提式电器的出现，对高性能，小尺寸，重量轻的电池充电器的需求也越来越大，电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速安全的充电。
因此需要对充电过程进行更精确的监控，以缩短充电时间，达到最大的电池容量，并防止电池损坏。
与此同时，对充电电池的性能和工作寿命的要求也在不断提高。
从二十世纪六十年代的商用镍镉和密封铅酸电池到近几年的镍氢和锂离子技术，可充电电池容量得到了飞速发展。
电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的,由于使用的化学物质的不同,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。
目前所装备的充电器大都采用固定模式对电池进行充电，缺乏自适应能力，不能实时控制充电状态。
经常出现电池充电过度，充电不足或电池过热等诸多问题，缩短了电池的使用寿命，影响了电池设备的工作。
为了解决目前存在的诸多问题，同时适应未来电子
1
装备的数字化，信息化，研究出一种可给多种电池自适应充电的数字化快速充电设备，已解决目前存在的问题。
近年来，电设备越来越广泛的应用与各个领域，而且越来越复杂，对供电系统的要求也越来越高。
除了系统的可靠性、效率、体积和重量等要求之外，一些新的要求在不断提出，例如EMC（电磁兼容）的要求，智能化程度和自适应等，一个新型的充电器，不但具有传统充电器的功能，还能识别被充电电池的类别，然后根据电池的参数，以及环境温度等自适应地生成充电曲线，使得被充电电池在最短时间内，以最佳的方式完成充电工作。
在充电过程中，要不断地检测被充电电池的电压、电流和温度的变化情况及时调整充电曲线。
1.3国内外发展情况
为了适应电设备科技发展的需要，近年来，在充电电源的研究方面主要呈现如下几个特点：
（1）集成化、高密度化：
它包括了两层含义，一是构成MOSFET大功率器件的元件微型化、密集化；
二是指MOSFET集成在单片IC中，从而使系统控制、驱动、保护、检测和末级功率放大集成为一体。
（2）高频化：
提高主功率变换器件的开关速度，可明显减少磁性变压器材料和大电解电容体积、重量等。
这也使得开关器件的研制从改进电压、电流的两维体系发展到提高频率的三维体系。
高频化的实现建立在高开关速度功率器件的基础上，电力电子技术的发展为其创造了条件。
（3）智能化：
主要体现在对被充电电池的自适应性和对环境的自适应性方面。
智能化具体表现为能识别被充电电池的类型，能检测到当前状态，并能根据被充电电池的这些信息自动生成最佳充电曲线，保证在最短时间内，高效地将电池充满。
由于自动生成最佳充电曲线与制造厂提供的曲线一致，也保证了电池在充电过程中一直处于理想状态，从而延长了电池的使用寿命。
为了适应这些特点，世界各国都在研究数字化快速充电技术。
目前已经研制出了几十种各类电池快速充电集成电路，譬如，针对镍镉/镍氢电池充电的TEA1100/TEA1101和MAX2003等控制芯片，针对锂离子电池充电的FAN7563、FAN7564、LM3420和BQ2054等控制芯片；
主要用于镍镉/镍氢、锂离子等电池的充电的bq2000系列控制芯片；
还有铅酸电池充电控制器UC3906、UC3909和bq2031等。
利用这些控制芯片很容易设计成数字化快速充电器。
这些控制芯片针对不同类型的电池，具有明显的特色。
通过最佳组合，可以设计成多种用途的数字化快速充电器。
但是，由于这些芯片功能单一，无法满足本文涉及项目的特殊需要。
1.4课题主要研究内容
根据锂离子、镍镉、镍氢电池的充电特性，完成快速充电系统设计。
掌握快速充电理论和充电电源原理及应用。
具体为：
掌握充电电源的工作原理,种类，发展过程及当前的发展水平；
掌握快速充电理论及Ni-H，锂离子电池充电要求；
充分对要制作的系统进行论证，充分掌握要害，并进行最佳设计；
技术指标：
输入电压范围：
20-28V直流；
适用电池范围：
适用于当前便携装备的锂离子，镍镉，镍氢可充电电池，标称充电值：
3.6V，7.2V，12V，14.4V。
充电时间可在30min内使被充电池所充电量不小于标定值得50%（限1AH电池）；
充电电池容量：
规定在0.6-2.0AH以内。
输出电压：
5V,12V;
额定电流：
2A+0.2A（2A-0.2A）；
输出纹波:
=<
1%VPP；
负载调整率=<
1%。
3
2数字化快速充电器理论分析
2数字化快速充电器理论分析
2.1电池的充电特性分析
目前主要的蓄电池有很多种，如:
铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池等。
这四种蓄电池具有相同的功能就是都可以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。
由于本次设计中主要涉及的充电电池的主要充电参数为额定电压：
3.6V、7.2V、14.4V、12V的镍镉、镍氢和锂离子电池。
而镉镍、镍氢和锂离子三种电池的充电特性并不完全相同，下面分别叙述这三种电池的充电特性。
为了本文叙述方便的需要，如果没有特别注明，以下给出的均为12V电池的参数。
（其他电压的电池参数与其基本成倍数变化关系，充电电流根据容量与其成比例关系）。
单节镍镉电池正常工作时电压为1.5V，充电时其最高电压可达1.8V，放完电时，电压可降至1.2V以下。
由于要求是给12V电池充电，所以12V电池的特性为：
正常工作时电压为12V，充电时其最高电压可达14.4V，放完电时电压降至9.6V以下。
由于镍镉电池有记忆应因此在充电之前要先将其放电到10V以下，再进行充电。
充电时主要采用一定电流充电，其典型的充电曲线见图2.1。
图2.1镍镉电池的充电特性图2.2镍氢电池的充电特性
从图2.1可以看出，在充电的起始状态，电池的端电压上升很快，直至A点。
A点后，电压缓慢上升至B点，然后电池电压又快速上升至最高点C。
从C点处开始电池电压会随着继续充电而下降，出现负增量-ΔV。
此时电池已充足电，电池温度急剧上升，内部压力也继续上升，应及时停止快速充电，进入浮充维护充电状态，对电池进行维护，以防止电池自放电。
若此刻还继续快速充电会损坏电池，甚至出现危险。
4
镍氢电池与镍镉电池的特性基本一致如图2.2，只是镍氢电池具有很弱的记忆效应，在充电之前无需放电，只需对其直接充电。
充电曲线与镍镉电池充电曲线相似，只是充电电压到最高点后，电池端电压变化较小，此时出现零增量0ΔV。
此刻同样应对电池进入浮充维护状态。
为了叙述方便，以后若无特别说明，负增量（-ΔV）和零增量（0ΔV）统称为ΔV。
单节锂电池正常工作电压为3.6V，充足电时电压可达4.2V，放完电时电压可降至2.7V。
锂电池的充电与镍镉、镍氢不同，其典型的充电曲线如图2.3所示。
由图2.3可见，锂电池先经过恒流充电，待电压上升至最高电压A点后，再转至恒压充电，此时电池端电压保持不变。
恒压充电时，电池的充电电流会降低，待电流降至B点即此时电流为恒流充电时电流的1/10时，认为电池已充满电，转至浮充维护充电。
因此，锂电池充电时要经过恒流恒压两个充电过程。
图2.3锂电池充电曲线
2.2充电模式
目前，铅酸蓄电池引用的充电模式通常包括恒流充电、恒压充电和快速充电模式。
下面将三种充电模式进行比较。
2.2.1恒流充电
恒流充电的特点即以恒定的电流对蓄电池充电。
优缺点分析：
a.优点：
恒流充电电流可调，故可以适应不同技术状态的蓄电池，如新蓄电池、正常使用蓄电池和有不同故障的蓄电池，因而目前得到了广泛采用；
恒流充电当蓄电池基本充好后还能以很小的电流对蓄电池继续充电，使极板内部较多的活性物质参加化学反应，从而使蓄电池充电比较彻底，保证了蓄电池的容量。
b.缺点：
充电过程中需要较多人工干预，如蓄电池端电压的测试、温度测量、电流调节等；
蓄电池充电接受特性如图2.4所示。
恒流充电一般分为两阶段进行，与蓄电池充电接受特性相差较大，因而在实际操作中一般存在初期电流偏小，后期电流太大的缺陷。
初期电流偏小影响充电速度。
所以恒流充电一般时间很长,以DG-250型蓄电池为例,平时补充充电时间竟达12h以上。
后期电流偏大使得极化现象严重加剧。
所以恒流充电无论从速度上还是从效果上都不完善。
使蓄电池产生剧烈的温升及冒气，这会导致极板上活性物质脱落、极板弯曲，损伤蓄电池寿命。
同时极化现象使活性物质不能真正有效地参加化学反应,白白浪费大量电能。
图2.4蓄电池充电接受特性
2.2.2恒压充电
充电过程中充电电压始终保持不变。
恒压充电特性如图2.5所示。
图2.5恒压充电特性
优缺点分析:
恒压充电电流随蓄电池电动势的升高而逐渐减小，若充电电压设定为终止电压，还可实现自动停充。
因此恒压充电操作简单，不需人工干预，省去了许多麻烦。
恒压充电在充电过程初期由于蓄电池电动势较低，充电电流较大，因而充电速度较快，一般在3～4h即可使蓄电池充到80%～90%。
恒压充电性能比较接近蓄电池充电接受特性，因此恒压充电如果操作适当可以取得较好充电效果。
恒压充电电流不能自由调节，因此不适应对各种不同技术状态的蓄电池进行充电；
由于没有去极化措施,因而特别在充电电压设定较高时充电过程中有较严重的极化现象。
因此也有严重的负面效果，如出气、温升、极板活性物质脱落等，从而延长充电时间、折损电瓶寿命、浪费电能；
恒压充电充电过程后期充电电流过小，极板深处的活性物质不能充分恢复，因而不能保证蓄电池彻底充足。
因此长此以往电瓶容量及寿命都会遭受损失。
2.2.3快速充电技术的优缺点分析
（1）快速充电速度快。
以补充充电为例，快速充电一般需0.5～1.5h，是常规补充充电的1/8～1/20。
（2）快速充电充电效果好。
快速充电由于在充电过程中采取去极化措施，使蓄电池始终比较接近初始充电状态，因而蓄电池只有微量出气，有效地避免了因剧烈出气而造成的活性物质脱落，故蓄电池寿命显著提高；
以3-Q-98型蓄电池进行寿命试验，寿命循环可达340次（标准为220～280次）；
同时快速充电由于充电电流大，极板上的活性物质可以进行比常规充电更充分的电化学反应,因而蓄电池的容量显著增加；
例如6-Q-54型蓄电池，初充电后容量可达62.1A.h（10h放电率）。
（3）节约大量电能。
快速充电由于有去极化措施，充入蓄电池的电能绝大部分转变为化学能，同时充电时间短，电能的损耗也少，因此快速充电可节约大量电能。
例如，对6-Q-54型蓄电池初充电，采用常规充电耗电量为7kW·
h，而采用快速充电时仅耗电3.5kW·
h，约可节省50%的电能。
（4）进行激活试验。
快速充电由于充电电流较大，可对某些硫化了的蓄电池进行激活试验。
（1）快速充电与常规充电相比温升较高。
（2）快速充电制度很多。
如定电流、定周期脉冲充电、放电去极化法，定电流、定电压脉冲充电、放电去极化法，小电流宽脉冲放电去极化法，大电流和小电流结合去极化法等等。
虽然都有去极化措施，充电过程中仍有极化现象存在，很多快速充电设备就是因极化使蓄电池电动势升高而关机的。
（3）快速充电寿命长。
由于充电电流较大,在实际操作中可能因电流过大反而造成温升高、出气量大、活性物质脱落等较严重的负面效果，因而一般的快速充电比常规充电实际达到的寿命循环（460次）约低30%。
这也是目前大多数蓄电池生产厂家普遍不支持快速充电的主要原因。
2.2.4充电控制技术
充电控制技术是智能充电器系统中软件设计的核心部分。
根据充电电池的原理，将镍镉和镍氢电池的电压曲线分为三段，具体见图2.1，2.2。
由于镍镉和镍氢电池的最佳充电过程无法用单一量实现，在这三段应分别采用不同的控制方式。
进入B—C段之前，电池电量已基本用完，此时采用恒定的小电流充电。
进入B—C段时，若采用恒流充电，电流过大会损坏电池，电流过小使充电时间过长，所以这一段采用模糊控制方法，根据电压变化情况控制充电电流，使电池电压按理想充电模式变化，以达到最佳充电效果。
当进入ΔV阶段时，说明电池充电已满，若此时停止充电，电池会自放电。
为防止自放电现象发生，采用浮充维护充电方式，用1/20C—1/50C（C为电池的额定容量）的电流进行涓流充电。
锂电池充电方法与镍镉和镍氢电池相差较大，它是采用恒流转恒压充电方式，具体见图2.3。
在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止，自动进入恒压充电状态；
恒压充电时，保持充电电压不变，由于电池内阻不断变大，导致充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10时，终止恒压充电，进入浮充维护充电阶段。
根据部队以往的反馈情况得知，锂电池在使用中，没有出现明显的镍镉和镍氢电池的使用寿命短的情况，这说明锂电池传统的充电方法可行。
所以本设计没有考虑锂电池的快速充电，而是采用传统的恒流恒压充电方式。
电池在充满电后，如果不及时停止充电，电池的温度将迅速上升。
温度的升高将加速蓄电池板栅腐蚀速度及电解液的分解，从而缩短电池寿命、容量下降。
为了保证电池充足电又不过充电，可以采用定时控制、电压控制、温度控制和综合控制等多种终止充电的方法。
下面对这些方法分别做具体介绍。
a.定时控制
该方法适用于恒流充电。
采用恒流充电法时，根据电池的容量和充电电流，可以很容易的确定所需的充电时间。
充电的过程中，达到预定的充电时间后，定时器发出信号，使充电器迅速停止充电或者将充电电流迅速将至浮充维护充电电流，这样可以避免电池长时间大电流过充电。
这种控制方法较简单，但有其缺点：
充电前，电池的容量无法准确知道，而且电池和一些元器件的发热使充电电能有一定的损失，实际的充电时间很难确定。
而该方法充电时间是固定的，不能根据电池充电前的状态而自动调整，结果使有的电池可能充不足电，有的电池可能过充电，因此，只有充电速率小于0.3C时，才采用这种方法。
b.电池电压控制
在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。
常用的电压控制法有：
（1）最高电压（VMAX）
从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。
充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。
这种控制方法的缺点是：
电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池已足充电。
（2）电压负增量（－ΔV）
由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度和充电速率等因素影响，因此可以比较准确地判断电池已充足电。
从多次快速充电实验中发现，电池充足电之前，也有可能出现局部电压下降的情况，使电池在未充足电时，由于检测到了负增量而停止快充;
镍氢电池充足电后，电池电压要经过较长时间，才出现负增量，此时过充电较严重，此时电池的温度较高，对电池有所损害。
因此，这种控制方法主要适用于镉镍电池。
（3）电压零增量（0ΔV）
镍氢电池充电器中，为了避免等待出现电压负增量的时间过久而损坏电池，通常采用0ΔV控制法。
这种方法的缺点是：
未充足电以前，电池电压在某一段时间内可能变化很小，若此时误认为0ΔV出现而停止充电，会造成误操作。
为此，目前大多数镍氢电池快速充电器都采用高灵敏－0ΔV检测，当电池电压略有降低时，立即停止快速充电。
c.综合控制法
以上各种控制方法各有其优缺点，由于存在电池个体的差异和个别的特殊电池，若只采用一种方法，则会很难保证电池较好的充电。
为了保证在任何情况下均能可靠的检测电池的充足电状态，可采用具有定时控制、电流控制和电池电压控制功能的综合控制法。
2.3开关电源的基本原理
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。
开关电源主要应用领域有计算机、通信办公设备、控制设备等产品以及电视机、摄像机、电子游戏机等消费类产品。
与传统采用工频变换技术的相控电源相比，采用大功率开关管的高频整流电源，在技术上是一次飞跃，它不但可以方便地得到不同的电压等级，更重要的是甩掉了体积大、笨重的工频变压器及滤波电感电容。
由于采用高频功率变换，使电源装置显著减小了体积和重量，而有可能和设备的主机体积相协调，并且使电性能得到进一步提高。
因此，开关电源取代线性电源和相控电源是必然的发展趋势。
人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关
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