基于单片机控制的铅酸蓄电池充电器设计Word文档格式.doc
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CollegeofmechanicalandElectronicEngineering
Major:
ElectricalengineeringandAutomation
Instructor:
Tang XXXXX
ProfessionalTitle:
AssociateProfessor
March,9,2012
摘要
本文所设计的铅酸蓄电池智能充电系统，内容主要包括对蓄电池充电方法的研究和充电系统的设计。
在通过对蓄电池充电原理和充电方法研究的基础上，提出采用恒压限流充电和脉冲充电相结合的充电方法。
这种充电方法可以始终地使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采取了去除蓄电池极化的措施。
理论研究和实验数据表明，这种充电模式可以大大缩短充电时间，提高充电效率。
实验结果表明，基于80196KB单片机控制的智能充电系统，其效率高、调节时间快的良好充电特性可得到充分发挥，使得蓄电池具有较高的使用容量和较长的循环寿命，可满足电机车动力蓄电池的充电要求，具有良好的应用前景，为提高蓄电池的性能和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
Abstract
Inthispaperthedesignoflead-acidbatteriesintelligentchargingsystem,contentmainlyincludestobatterychargingmethodofresearchandchargingsystemdesign.Inthebatteryprincipleandchargingmethodsonthebasisofstudy,thepaperproposestheconstantpressureandpulsecurrentlimitingchargingchargingcombinationofchargingmethods.Thiskindofchargingmethodscanalwaystorechargecurrentinoverallapproximationbatteryacceptablechargingelectriccurrentcurve,andthroughoutthechargingperiodtimelyadoptedremovebatterypolarizationmeasures.Theoreticalandexperimentaldatashowsthatthismodelcangreatlyshortenchargingchargingtimeandimprovechargingefficiency.
Experimentalresultsshowthatbasedontheintelligentcharging80196KBsingle-chipmicrocomputercontrolsystem,itshighefficiency,regulatingtimequickgoodchargingcharacteristicscangetfully,makebatteryhashigherusecapacityandlongcyclelife,canmeettheelectriclocomotivemotivebatterychargingrequest,hasagoodapplicationprospectforimprovingbatteryperformanceandreliabilityprovidesanewandeffectiveway.
Keywords:
Lead-acidbatteriesIntelligentcharging80C196KBsinglechip
目录
第一章基本方案 2
1.1总体设计方案 2
1.1.1、系统的设计要求 2
1.1.2、智能充电方法的选择 2
1.1.3、系统的结构原理框图 3
1.1.4、充放电方法的控制与实现 4
1.2课题的研究现状 4
1.2.1充电技术的发展状况 4
1.2.2充电电源的发展状况 5
1.2.3传统的充电方式 5
第二章铅酸蓄电池智能充电的基本原理 7
2.1蓄电池的基本概念和工作原理 7
2.1.1电池的种类和特性 7
2.1.2铅酸蓄电池的基本概念 8
2.1.3铅酸蓄电池的工作原理 12
2.2铅酸蓄电池的充电特性 13
2.3J.A.马斯（J.A.Mas）三定律 15
2.4极化电压 16
2.5智能充电的基本原理和控制方法 17
2.5.1智能充电的基本原理 17
2.5.2智能充电的几种控制方法 18
第三章系统硬件设计 20
3.1开关电源原理 20
3.2充电系统的主电路原理与设计 21
3.2.1全桥变换电路的设计 21
3.2.2能量回馈电路的设计 23
3.2.3主回路中建波与抗干扰电路的设计 24
3.2.4移相控制电路的设计 26
3.3充电系统的控制回路原理与设计 32
3.3.180Cl96KB单片机最小系统的设计 32
3.3.2模拟量检测电路 35
3.3.3键盘电路 35
3.3.4显示电路 36
3.3.5执行电路 36
3.4系统保护措施的设计 37
3.4.1过流保护 37
3.4.2软启动保护 38
第四章系统软件设计 39
4.1充电系统的主程序设计 39
4.2实时时钟中断服务程序设计 40
4.3去极化子程序设计 42
4.4程序代码及说明（具体程序参见附录） 42
第五章软硬件仿真及测试 43
5.1软件仿真：
43
5.1.1仿真调试步骤：
5.1.2仿真调试结果：
5.2硬件测试 44
5.2.1线路连接 44
5.2.2硬件是否工作测试 44
5.2.3测试条件和测试环境 45
5.2.4硬件测试结果 45
总结 46
致谢 47
附录程序 48
参考文献 57
绪论
目前，大多数电机车使用的电源都是铅酸蓄电池组。
铅酸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，蓄电池的充电技术也引起了普遍地关注[1]。
一方面，传统的充电方法正常充电时，以10h或20h率电流进行充电。
这时需要时间一般为10多个小时，甚至20多个小时，充电时间长，而且使用不便。
另一方面，充电技术不能适应铅酸蓄电池的特殊要求，会严重影响蓄电池的寿命。
国内外多年来的实践证明，铅酸蓄电池浮充电压偏差5%，电池的浮充寿命将减少一半。
在其他方面，由于充电方法不正确，铅酸蓄电池也很难达到规定的循环寿命。
智能充电是使实际充电电流能够动态地跟踪电池可接受的充电电流。
充电系统根据电池的状态确定充电工艺参数，使充电电流自始至终处于电池的可接受充电电流曲线附近，使电池几乎在无气体析出的条件下充电，做到既节约用电又对电池无损害[2]。
如今，我国工农业运输设备对蓄电池用量极大，但是其充电设备很落后，充电方法也很不科学，急需设计出一种新型智能充电系统以满足工农业生产的需要。
第一章基本方案
1.1总体设计方案
该设计采用逐个功能模块分析再组合的方法来实现方案。
1.1.1、系统的设计要求
A.系统的基本功能
a.可以在系统的控制下快速地完成充电过程;
b.充电过程中，实时监测并且随时显示电池的充电状态;
c.充电系统按照设定的充电方法给电池充电，并能根据电池电压和充电电流自动转换充电状态，在蓄电池充满电后，自动转入浮充状态。
B.系统的理想技术指标
根据本课题面向的对象，对本充电系统的充电电源提出下面的理想技术指标:
a.充电电源输出直流电压可在0V-180V范围内调整工农业生产使用的电机车所用的蓄电池组一般由48节铅酸蓄电池构成，每节电池的充电极限状态或高阻抗电池的充电饱和电压均假设为3V，则48节电池的极限端电压为144V。
因此充电电源开路电压必须在144V以上。
根据实际情况，要求充电系统输出的充电电压在0V-180V范围内调整。
b.充电电源输出直流电流可在0-60A范围内调整充电系统工作时，应能够根据使用者的需要来改变充电电流的大小。
例如:
对一个5Ah的电池组，当采用1倍速率充电时，充电电流应为5A;
当采用2倍速率充电时，充电电流应为10A。
根据实际情况，要求充电系统输出的充电电流在0-60A范围内调整。
1.1.2、智能充电方法的选择
充电方法的选择是十分重要的，不同的充电方法，其充电速度的差别可能很大，导致充电效果的差距也会很大。
系统所要求的充电方法，一方面要求能够最大程度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，使充电速度得到最大的提高;
另一方面，又要保证蓄电池负极的吸收能力，使负极能够跟得上正极氧气产生的速度，以避免电池的极化现象。
根据上面的标准和实际的对象，在分析了传统的充电方法和几种快速充电方法的基础上，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。
1.1.3、系统的结构原理框图
本充电系统的结构原理框图如图1.3-1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，其中充电电路采用整流桥式电路。
铅酸蓄电池组
充电电源
充电控制系统
CPU
I/O设备
图1.3-1系统的结构原理框图
控制电路部分实际上是一个实时监测和控制系统，包括对电池温度、蓄电池端电压、充电电流等参数的监测，对收集信息的分析和计算处理，对充电机工作参数的设置和显示等。
其控制过程主要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和计算，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。
1.1.4、充放电方法的控制与实现：
在充电方法的实现上，我们设计了以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后要进行必要的处理和判断，以此来改变充电方式，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。
1.2课题的研究现状
1.2.1充电技术的发展状况
对于铅酸蓄电池来讲，传统的充电方法主要有恒流充电、恒压充电和恒压限流充电。
这些传统的充电方法，一方面控制电路简单，实现起来比较容易;
另一方面充电时间比较长，充电方法过于单一，会对蓄电池本身造成损害，以至影响蓄电池本身的使用寿命。
针对传统的充电方法充电缓慢、安全性能不好等缺点，目前国内外陆续提出了一些新型的充电方法，如定化学反应状态法、脉冲式充电法、变电流间歇/定电压充电法、分级定流充电法、变电压间歇充电法等。
对铅酸蓄电池来讲，其中的分级定流充电法己
经得到了广泛的应用。
这些充电方法的原理绝大多数都是在传统方法的基础上加以改进，以便使其充电电流能够更好地逼近蓄电池的可接受充电电流曲线。
近几年开始有人采用一些更加新颖的充电方法，例如模糊控制充电法。
这种充电方法开始摆脱传统充电方法的束缚，将模糊控制技术引入充电方法，利用模糊控制本身适合处理多输入多输出非线性系统的优势，能够更好的处理蓄电池充电过程中的时变性和抗干扰等常规控制方法所难以解决的问题[3]。
1.2.2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。
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[4]。
随着电力电子技术和自动控制技术的发展，尤其是大功率高压场效应管等新型高频开关器件的出现，使得开关的速率大大提高。
关断时间加快，使存储时间大大缩短，从而大大提高了开关频率。
提高功率变换器的开关频率，可以提高其性能，同时还可以减小功率变换器中的变压器体积和重量，以及电感、电容等无源器件的容量，进而可减小它们的体积和重量。
并且当开关频率高于18kHz时，可消除噪声对人耳的影响。
1.2.3传统的充电方式
A.恒流充电
在充电过程中随着电池电压的变化要调整电流使之恒定，一般采用1oh率或20h率电流充电。
这种维持电流恒定的方法，从直流发电机和硅整流装置中都能得到实现，其操作简单、方便，易于做到。
这种充电方法特别适用于由多数电池串连的电池组，落后电池的容量易于恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。
恒流充电方式的不足是，开始充电阶段电流过小，在充电后期充电电流又过大，整个充电时间长，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，充电效率不超过65%。
鉴于这个缺点，在国外除非蓄电池需要长时间小电流进行活化充电外，已经较少使用。
这种充电方法，充电时间均在10h以上[6]。
B.恒压充电
此法是对每只单体电池以某一恒定电压进行充电。
因此充电初期电流相当大，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调整电流。
此方法较简单，因为充电电流自动减小，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。
其缺点是:
a.在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电机的安全，电池也可能因过流而受到损伤;
b.若充电电压选择过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适宜串联数量多的电池组充电;
c.蓄电池端电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。
恒压充电一般应用在电池组电压较低的场合。
C.植压限流充电为补救恒压充电的缺点，广泛采用恒压限流的方法。
在充电电流与电池之间串联一电阻，称为限流电阻。
当电流大时，其上的电压降也大，从而减小了充电电压;
当电流小时，用于电阻上的电压降也很小，充电设备输出的电压降损失就小，这样就自动调整了充电电流，使之不超过某个限度，充电初期的电流得到控制。
此法也称为准电压充电法，串联的电阻值可按下式计算
（2.3-1）
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）
第二章铅酸蓄电池智能充电的基本原理
2.1蓄电池的基本概念和工作原理
2.1.1电池的种类和特性
本课题研究的充电对象是应用于工农业生产的电机车所使用的铅酸蓄电池。
为了更好的理解我们所面对的研究对象，需要介绍一下它的庞大家族一电池的种类以及他所拥有的各自不同的特性。
蓄电池又称为二次电池，二是化学龟池（所谓化学电池是指能将化学能直挤转换为电能的装置）的一种，它不仅能将储备的化学能变为电能（这一过程称为放电），而且当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（这一过程称为充电），又可将已损耗的活性物质复活。
一般使用的化学电池分为原电池和蓄电池两种。
原电池只能使用一次，即我们所说的干电池，蓄电池就可以多次反复位用[7]。
蓄电池主要由三个部分组成:
发生氧化反应的阳极、发生还原反应的阴极、以及将阳极反应和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和还原反应的物质被称为活性物质。
依据使用场所的不同，蓄电池有固定型（供室内装置使用）、移动型（便于携带用）之分。
移动型电池还可分为电动机车型和启动型蓄电池。
依据蓄电池电解质的状态不同分类:
可分为电解质采用稀硫酸的称为铅酸蓄电池，采用硫酸电解质胶体的称为胶体铅蓄电池。
又依据蓄电池电解质性质来区分:
电解质采用稀硫酸的称为酸性蓄电池;
采用碱性电解质的称为碱性蓄电池。
例如铅酸蓄电池为酸性蓄电池，而镍镉电池则为碱性蓄电池。
根据蓄电池的结构又可分为开口蓄电池和密封蓄电池两种形式。
开口蓄电池具有以下的特点:
可以进行大电流放电、自放电小等。
但是开口蓄一电池不便于维护，它需要经常补加蒸馏水和更换电解液;
而密封蓄电池在这方面具有明显的优势一它具有密封好、无泄露、无污染、无需维护、易保存等特点，一能够保障人体以及各种设备的安全[8]。
目前主要的蓄电池有以下四种;
铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍金属氧化物蓄电池和锂离子蓄电池。
这四种蓄电池具有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，适用的对象和场合也是不同的。
选择电池的依据主要是电池的能量密度、电池的容量及内阻，它们块定了电池为负载提供电能的速度和大小。
对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，可以使用镍金属氧化物电池和锂离子电池。
因为它们具有较大的内阻，从而限制了峰值放电电流，使它们适用于长期电流消耗要求较小的产品。
而铅酸电池和镍福电池由于内阻较小，可以提供较大的电流，所以适用于放电速率要求较高的产品，如一些由电池供电的电动工具，比如锄草机。
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。
2.1.2铅酸蓄电池的基本概念
因为蓄电池的充电本身涉及到许多相关的专业知识，为了能够更好的理解我们所涉及的主题，本节将简要地介绍铅酸蓄电池有关的基本概念。
a.电池单元，单个电池一般来讲，每个电池由六个单元（Cell）组成，单元之间串联。
对于每个单元2V的电池来说，单个电池的电压为12V。
b.放电速率（DichargeRate）为了对不同容量的电池加以比较，电池的放电电流不用电流的绝对值来表示，而是用电池容量C和放电时间t的比表示，称为电池的放电速率或放电倍率。
例如一个容量C为60Ah的电池，对它进行2小时的放电后电池的电量完全放完，则它的放电电流为
I=C/2=0.5C（2.1.2-1）
即它的放电速率为0.5C;
若采用0.5小时对它放电完毕，则它的放电电流为
I=C/0.5=2C（2.1.2-2）
即它的放电速率为2C。
充电速率的描述和放电速率相同，采用这种形式来描述电池的充放电更为直观和方便。
c.电池的终止电压和过放电、电池的过充电终止电压是指电池可放电的最低电压，当蓄电池的放电电压低于这一电压值时就不能正常工作了。
若蓄电池在低于终止电压情况下继续放电，称为过放电，这极易对电池造成永久性伤害。
当高速率充电而又不能及时地在满充点结束充电，电池则很容易存在大电流过充电的问题。
过充电会使电池内部的温度和压力都急剧上升，造成对电池的伤害。
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，它会加大电池内部压力。
同时，此时氧气的产生和吸收都是放热反应，因此会使电池温度迅速上升。
因此在电池充电接近满充点时，只能采用低速率充电，因为电池在低电流过充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。
d.电池容量电池容量是蓄电池使用过程中的一个重要参数，一是指蓄电池充足电后，放电到终止电压时所输出的电量，也就是在一定的放电条件下可以从电池中获得的电量。
电池容量用c表示，其单位用Ah、mAh来表示。
一个电池有理想容量、标称容量和实际容量等区分。
理想容量:
是指假设活性物质全部参加电池的成流反应所给出的电量:
它是根据活性物质的质量依照法拉第定律计算得到的。
为了比较不同系列的电池常用容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，常以Ah/KG或Ah/L表示。
标称容量:
是指设计和制造电池时，规定或保证电池在一定放电条件下应该放出的
最低限度的容量。
通常是指在一定温度下，用一定的放电率:
（例如C/20）对某一型号的电池进行恒流放电所能放出的最大容量。
我国一直以C/20作为国家标准。
实际容量:
是指在一定的放电条件下电池实际放出的容量（又可称为有效容量），等于放电电流与放电时间的乘积，其值小于理论容量。
恒电流放电时的计算方法见式
恒电阻放电时的计算方法见式（3.1.2-2）：
C=Q=I*t（2.1.2-2）
（2.1.2-3）
I--放电电流
R--放电电阻
T--放电至终止电压的时间
电池的功率:
是指电池在一定放电条件下，电池于单位时内所能给出一能量的大小，单位W（瓦）或KW
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