基于单片机控制的电动车快速充电器的设计.doc
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设计题目：
基于单片机控制的电动车快速充电器的设计
班级：
10级计算机控制技术班
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
指导小组组长：
教学班负责人：
设计时间：
2012年5月22日至2012年6月22日
基于单片机控制的电动车快速充电器的设计
摘要：
目前，电动自行车因其轻便无污染越来越受到消费者的青睐，我国的电动自行车更是突飞猛进的发展。
但是，行驶里程的长短是消费者衡量电动自行车质量好坏的主要标准之一，而电池不耐用，充电时间长是行驶里程长短的决定因素。
本设计就是要探讨解决这一难题的方法，提出一种电动自行车快速充电的模式来解决这一问题，设计出性能优良、运行可靠的电动自行车蓄电池快速充电方法。
本设计以AT89C51为核心，使用脉冲充电法实现快速充电，热敏电阻作为温度传感器和NE555组合起来组成温度检测电路，实现对温度的检测，达到保护电池的作用。
还有相应的软件部分。
关键词：
电动车，快速充电器，AT89C51，单片机。
Abstract:
Atpresent,theelectricbicyclebecauseitslightpollutionbymoreandmorecustomers,ourelectricbikebyleapsandboundsdevelopment.But,thelengthofthetripmileageisconsumermeasureelectricbicyclequalitystandorfallofoneofthemainstandard,andthebatterynotdurable,chargingtimeislongtripmileageofthelengthofthedecidingfactor.Thisdesignistoexplorethemethodtosolvetheproblem,thispaperputsforwardakindofelectricbicyclefastchargingmodeltosolvetheproblem,thedesignofexcellentperformance,reliableoperationofelectricbicyclebatteriesfastchargingmethod.ThisdesignUSESAT89C51asthecore,usingpulsechargingfastchargingmethodtoimplement,thermalresistorastemperaturesensorandNE555combinedtemperaturedetectioncircuitcomposed,andtorealizethetemperaturetesting,toprotectthefunctionofthebattery.Andthecorrespondingsoftwareparts.
Keywords:
electriccar,quickcharger,AT89C51,microcontroller.
1
目录
第一章引言 1
1.1本课题的研究背景、发展及意义 1
1.2本课题的基本内容 1
第二章基本理论介绍 2
2.1铅蓄电池充电理论基础 2
2.2快速充电方法的研究 3
2.3脉冲快速充电法的理论基础 6
2.4脉冲快速充电器的工作原理 7
第三章控制系统总体方案设计 8
3.1控制方式 8
3.2总体方案设计 9
第四章系统硬件电路设计 10
4.1充电器主电路设计 10
4.2控制电路的设计 14
4.3整体电路设计 18
第五章系统软件程序设计 19
5.1温度检测中断程序 19
5.2电压检测子程序 19
5.3充电脉冲控制子程序 21
5.4单片机主程序 21
第六章设计总结 24
致谢 25
参考文献 26
25
第一章 引言
1.1本课题的研究背景、发展及意义
据环境部门统计，目前，大气污染的24%来源于交通运输，随着人们生活水平的提高，汽车保有量会迅速增加，污染的比例也会相应提高，据调查2010年汽车尾气造成的大气污染占空气污染的64%，这将严重破坏和影响人们赖以生存的地面生态系统。
随着能源的日益紧缺和大气污染的加剧，世界公认的最有发展前景的解决方案是电动车。
开发实用、安全、清洁的移动电源，寻求相关的节能、环保解决方案——如发展新型电动车，成为当前各国的迫切任务。
然而从电动自行车总体性能来看，真正制约电动自行车发展，能否保证电动自行车可持续增长的关键，还是电动自行车电池使用寿命的问题。
影响电池使用寿命的因素很多，归纳起来，其主要因素是两个方面：
首先是电池本身的性能和质量，其次是电池的充电和管理。
电动车是目前世界上唯一能达到零排放的机动车，由于环保的要求，加之新材料和新技术的发展，电动车进入了发展高潮。
电动车作为绿色交通工具，将在二十一世纪给人类社会带来巨大的变化。
顺应当前国际科技发展的大趋势，将电动车作为中国进入二十一世纪汽车工业的切入点，不仅是实现中国汽车工业技术跨越式发展战略抉择，同时也上实现中国汽车产业可持续发展的重要选择。
时下，电动自行车以时尚便捷环保成为了很多人的代步工具。
然而，电动自行车电池不耐用，三天两头要充电，充电频繁成为电动车使用者头痛的问题。
同时，电动自行车一次充电饱和，一般可以行驶三十公里以上（因电池容量的不同差异较大），当把电动自行车作为较远距离的交通工具的时候，就没有电返回，而要等到重新充电完毕则要花上好几个小时时间。
本次课程设计就是针对解决电动自行车充电器充电慢的问题而选题的，旨在开发一个根据电池饱和的程度智能改变充电模式，并可以在较短时间（四小时）之内可以将电池充好的电动自行车快速充电器（电池规格48V、20A），以解决使用电动自行车远距离骑游的困扰。
1.2本课题的基本内容
电动自行车快速充电器的设计所涉及的基本内容大概有：
第一，有关电动自行车铅蓄电池的电化学原理和充放电原理。
第二，关于充电器对铅蓄电池充电的原理及其电路设计。
第三，交流电流对电池充电的原理及其特点。
第四，充电器对充电过程的检测及其自动转换。
第五，充电器在充电过程中对电池的保护功能。
第六，电路设计及其元件的选择调试等。
第二章 基本理论介绍
2.1铅蓄电池充电理论基础
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最佳充电曲线
由图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。
蓄电池是可逆的。
其放电及充电的化学反应式如下
（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,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。
a）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，称为欧姆内阻。
为了克服这个内阻，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。
b）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。
c）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M＋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。
2.2快速充电方法的研究
2.2.1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。
a）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脉冲式充电曲线
b）Reflex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3所示，Reflex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。
图3reflex快速充电法
c） 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，如图4所示。
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。
图4交电流间歇充电曲线
d） 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，如图8所示。
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。
图5交电压间歇充电曲线
比较图4和图5，可以看出：
图5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。
e） 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、Reflex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：
ⅰ 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；
ⅱ 脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。
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。
2.3脉冲快速充电法的理论基础
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。
1972年，美国科学家马斯在第二届世界电动汽车年会上提出了著名的马斯三定律，即
a）对于任何给定的放电电流，蓄电池充电时的电流接受比a与电池放出的容量的平方根成反比，即
（1）
式中：
K1为放电电流常数，视放电电流的大小而定；
C为蓄电池放出的容量。
由于蓄电池的初始接受电流Io=AC，所以
I0=AC=K1（根号C）
（2）
b）对于任何给定的放电量，蓄电池充电电流接受比a与放电电流Id的对数成正比，即
a=K2logkId （3）
式中：
K2为放电量常数，视放电量的多少而定；
k为计算常数。
c）蓄电池在以不同的放电率放电后，其最终的允许充电电流It（接受能力）是各个放电率下的允许充电电流的总和，即：
It=I1＋I2＋I3＋I4＋... （4）
式中：
I1、I2、I3、I4...为各个放电率下的允许充电电流。
综合马斯三定律,可以推出，蓄电池的总电流接受比可表示为
α=It/Ct （5）
式中：
Ct=C1＋C2＋C3＋C4＋...为各次放电量的总和，即蓄电池放出的全部电量。
马斯三定律说明，在充电过程中，当充电电流接近蓄电池固有的微量析气充电曲线时，适时地对电池进行反向大电流瞬间放电，以消除电池的极化现象，可以提高蓄电池的充电接受能力，如图1所示。
也就是说通过反向大电流放电，可以使蓄电池的可接受电流曲线不断右移，同时其陡度不断增大，即α值增大，从而大大提高充电速度，缩短充电时间。
2.4脉冲快速充电器的工作原理
基于上述理论，并考虑到铅酸蓄电池自身的一些特性，本文介绍的快速充电装置所采用的充电方法将整个充电过程分为了预充电、脉冲快速充电、补足充电、浮充电4个阶段，如图6所示。
根据蓄电池充电前的残余电量，进入不同的充电阶段。
图6分级定电流脉冲快速充电法原理图
2.4.1预充电
对长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电池充电时，一开始就采用快速充电会影响电池的寿命。
为了避免这一问题要先对蓄电池实行稳定小电流充电，使电池电压上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阈值时再进行大电流快速充电。
2.4.2脉冲快速充电
在快速充电过程中，采用分级定电流脉冲快速充电法，将充电电流分成三级，如图7所示。
开始充电时采用大电流，随着电池容量的增加，电压逐渐升高，电流等级开始降低，使充电电流的脉冲幅度和宽度随蓄电池端电压的升高而分级减小。
采用这种方法可以消除充电接近充满时易出现的振荡现象及过充电问题。
图7分级定电流脉冲快速充电法原理图
在脉冲快速充电过程中，电池电压上升较快，当电压上升至补足充电电压阈值时，转入补足充电阶段。
2.4.3补足充电
快速充电终止后，电池并不一定充足电，为了保证电池充入100％的电量，对电池还要进行补足充电。
此阶段充电采用恒压充电，可使电池容量快速恢复。
此时充电电流逐渐减小，当电流下降至某一阈值时，转入浮充阶段。
2.4.4浮充电
此阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，只要电池接在充电器上并且充电器接通电源，充电器就会给电池不断补充电荷，这样可使电池总处于充足电状态。
此时也标志着充电过程已结束。
第三章 控制系统总体方案设计
3.1控制方式
3.1.1单片机的控制方式
根据铅蓄电池脉冲魁岸素充电理论，可利用单片机的输出脉冲控制半桥式变换器的两个开关管V1、V2的通断。
单片机通过各种检测电路在充电过程中对铅蓄电池进行检测并做出相应的控制处理。
铅蓄电池的充电温度可以通过温度传感器测量，将测出的电压量送至单片机的输入口，充电电压有两个分压电阻检测。
单片机通过检测的蓄电池的充电温度、充电电流、充电电压等，再经软件处理计算后控制主电路处于不同的充电状态：
预充电、脉冲快速充电、补足充电和浮充电。
总体控制方案如8图所示。
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图8单片机总体控制方案
3.1.2脉冲调制控制器SG2535的控制方式
通过对电压、温度的检测控制脉冲调制控制器SG2535的输出脉冲宽度，以实现不同阶段的充电、暂停和终止充电。
本方案由脉冲调制控制器SG2535输出的脉冲控制开关管V1、V2的栅极，以达到控制充电状态的目的。
3.2总体方案设计
基于铅蓄电池的充电理论，充电器主电路采用半桥变换器高频开关稳压电源。
而控制电路通过单片机控制。
电网点先经过各种保护环节，在通过EMI滤波器除去共模信号。
桥式整流后，通过两电容分压，分压后与两开关管V1、V2相联。
组成半桥式功率变换器，将正弦交流电压变换成约高于充电电压的脉冲电压。
在经过半桥滤波和LC滤波电路使电压达到一较稳定值。
控制电路由单片机AT89C51组成，电源由电网交流电经过变压器变压、全桥整流、稳压管稳压后提供。
单片机通过检测温度传感器的电压信号，以软件的方式控制输出脉冲，从而控制开关管的通断。
另外，通过检测充电电压和电流值，控制单片机输出脉冲宽度，以进入不同的充电阶段。
第四章 系统硬件电路设计
4.1充电器主电路设计
4.1.1整流电路设计
a）桥式整流
由于单相半波整流只利用了电源电压的半个周期，同时整流电压的脉动较大。
为了克服这些缺点，这里采用全波整流电路——单相桥式整流电路。
单相桥式整流电路由4个整流二极管接成电桥的形式构成，如图9所示。
图9桥式整流电路
由电路图10可知，无论电压U2是在正半周还是负半周，负载上都有相同方式的电流流过。
因此，在负载得到的是单相脉动电压和电流。
忽略二极管导通时的正向压降，则单相桥式整流电路的波形图如下。
图10 桥式整流电路的输出波形
单相半波整流电压的平均值为：
二极管截止时承受的最高反向电压为U的最大值，即
UDRM=U2M=1.414U
=1.414×220V
=308V
因此，所选用的整流二极管的最高工作电压为1000V。
b）电容滤波电路
电容滤波电路是在整流电路的直流输出侧与负载并联电容器，利用电容的端电压在电路状态改变时不能突变的原理，使输出电压趋于平滑。
电容滤波电路如图11所示。
图11电容滤波电路
本电路的输出电压在负载变化时波动大，说明它的带负载能力差，只适合于负载较轻且变化不大的场合。
电路简单，输出电压高，只是输出电压不稳定。
电容滤波是的输出电压平均值为：
全波：
U3=（1.2～1.4）U1
=（1.2～1.4）×220V
=264V（取1.2）
4.1.2半桥逆变电路
半桥逆变电路由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成。
电路图如图12所示。
直流侧接有两个相互串联切足够大的电容器C1和C2，满足C1=C2。
图12半桥逆变器电路
在一个周期内，开关管V1、V2的基极信号各有半周正偏、半周反偏，且互补。
设在t2时刻以前V1导通，V2截止，则U4=±1/2U3。
t2时刻V1截止，同时给V2发出导通信号，由于感性负载中的电流i不能立即改变方向，于是D2导通续流。
U4=－1/2U3。
t3时刻i0降至零，D2截止，V2导通，i0开始反向增大。
此时仍然有U4=－1/2U3。
t4时刻V2截止，同时给V1发出导通信号，由于感性负载中的电流i0不能立即改变方向，于是D1先导通续流。
此时仍然有U4=＋1/2U3。
t5时刻i0降至零，V1导通。
U4=＋1/2U3。
由上分析可知，输出电压U4周期为TS矩形波，其幅值为1/2U3。
当V1或V2导通时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量。
而当D1或D2导通时，负载电流和电压反方向，负载中电感的能量向直流侧反馈，即负载将起吸收的无功能量反馈回直流侧，反馈的能量暂时存储在直流侧的电容中。
该电容起缓冲这种无功能量的作用。
半桥逆变电路输出电压波形如图13所示。
图13半桥逆变电路输出电压波形
4.1.3开关变压器的设计计算
开关变压器的磁化特性工作在第一、第三象限，它的磁通变化可以从－BM到＋BM，属于对称式工作变压器。
主变压器施加电压只有一半输入电压值1/2U4（＋132V）。
开关管的反向耐压比较低。
在两功率管交替开关作用下，变换器原边可产生幅值280V的方波电压。
经变压器整流滤波输出，实现功率转变。
a）估算采用EE55铁氧体磁芯的功率容量
EE55的中心柱截面积为Ae=3.515cm2，窗口面积为AQ=3.9cm2，它的功率容量乘积为Ap=Ae×AQ=3.515×3.9=13.76。
当开关频率选50KHz时：
Ap=Ae×AQ=（PT×106）/（2ηfBMδKMKG）
＝（600×106）/（2×0.8×50×103×1500×2×0.5×1）
=5<13.76
可见，采用EE55磁芯时，其功率容量足够大．
原边绕组匝数：
NP=（VIN-P/2）×108/（4fBmAe）
=（280/2）×108/4×50×103×1500×3.515
=13.33
故NP取整数14匝。
b）充电器的容量计算
当充电器为36V,12A时蓄电池的充电最大容量为：
36V×12A＝432W
故变压器铁芯的容量计算可按照500W容量计算。
c）原边与副边绕组匝数比的计算
开关变压器的原边与副边绕组的匝数比为：
其中：
VINMIN指电网最低输入直流电压值，VINMIN＝220V
VOP指整流滤波输出电压的脉冲幅度。
VOP要考虑三个因素之和，即：
V0=40V+40×10%=44V，二极管压降：
VD=1.2V,滤波电感直流压降为VL=0.2V。
设整流器输出占空比
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