【正文】 . 34 附錄 ..................................................................................................................................................................... 35 附錄 1 總電路圖 ............................................................................................................................... 35 附錄 2 源程序 ..................................................................................................................................... 36 基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計 1 1 緒論 研究背景 早在六、七十年代，西方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家為了保護(hù)環(huán)境就已經(jīng)開始研制各種各樣的綠色能源來代替汽油和柴油，但是，受到蓄電池，電控等關(guān)鍵部件的性能、壽命以及高性能的充放電設(shè)備等的制約，一直未得到長足的發(fā)展。到了八、九十年代，由于大容量、長壽命蓄電池的大批量的生產(chǎn)及大功率晶體管的研制成功和計算 機(jī) 應(yīng)用技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使綠色能源得到長足的發(fā)展，近期一些公司聲明他們將首先實現(xiàn)綠色能源計劃，其中就包含大量電動汽車。隨著國際 、 國內(nèi)對環(huán)保要求的越來越高，對內(nèi)燃車輛的排放要求也越來越高，這樣對綠色能源的需求越來越迫切，勢必會蓄電池電動車輛的使用量大幅度增加。 充電技術(shù)的發(fā)展概述 對于鉛酸蓄電池來講，傳統(tǒng)的充電方式有恒流限壓充電和恒壓限流充電。這兩種充電方式的特點及存在的問題如下： （ 1） 恒流限壓充電 充電時自始至終以恒定不變的電流進(jìn)行充電，該電流可以通過 PWM 來調(diào)整，這種方式實現(xiàn)起來比較簡單方便， 易于做到。特別適合由許多電池串聯(lián)起來的蓄電池組。蓄電池組中個別落后電池進(jìn)行完全充電，恢復(fù)其容量，這時最好用小電流長時間的充電模式。 恒流充電方式的不足之處在于：開始充電階段電流過小，在充電中后期電流又過大，析出氣體多，對危害較大，能耗高。鉛酸蓄電池不宜采用這種方式。 因此，人們在恒流充電方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，即采用恒流限壓充電方式。為避免過充電，在充電后期采用限壓措施，減小充電電流，避免損壞電池。 （ 2） 恒壓限流充電 恒壓充電初期充電電流很大，隨著充電進(jìn)行，電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過，這樣，在充 電過程中就不必要調(diào)整電流。隨著蓄電池端電壓升高，充基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計 2 電電流會自動下降，所以析氣量少，充電時間較長，能耗較低。 它的缺點是：充電初期，如果蓄電池放電深度過大，充電電流會很低，后期充電電流又過小，充電時間長；此外蓄電池端電壓的變化也很難補償，充電過程中對落后的電池完全充電也很難完成，為了彌補恒壓充電的不足，在恒壓充電的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，當(dāng)充電電流較高的時候（如電池嚴(yán)重虧電，漏電，負(fù)荷過重等）這時應(yīng)采取限流措施，保持電流不超過某一設(shè)定值而使電壓降低，待電流降低，電壓升起后再穩(wěn)壓，這就是恒壓限流的含義。 單獨 采用恒流 充電限壓充電和恒壓限流充電等模式對鉛酸蓄電池進(jìn)行充電，蓄電池的充電效果不是很理想。一方面這些充電方式充電時間過長，不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的需要。另一方面，充電技術(shù)不能適應(yīng)蓄電池的特殊要求，會嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命。國內(nèi)外多年來的實踐證明，鉛酸蓄電池浮充電壓偏差 5%，電池的浮充壽命將減少一半。統(tǒng)計數(shù)據(jù)聲明，國內(nèi)蓄電池的平均壽命為 年（可充 400 次），國外同型號蓄電池壽命一般為四年（可充 1000 次）如果充電質(zhì)量不好以及用戶使用維護(hù)保養(yǎng)跟不上，許多電池在使用一年后即報廢，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，蓄電池價格占整機(jī) 價格的 20%，國外同容量電池價格則為國產(chǎn)蓄電池價格的 2—3 倍 。因此，充電質(zhì)量的好壞，直接影響到蓄電池的技術(shù)狀態(tài)及使用壽命。 充電器的技術(shù)水平 、 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 隨著蓄電池電動車的迅猛發(fā)展，對充電器的要求越來越高，從開始的單純充足，到目前的延長蓄電池壽命，減少能源消耗，充電器的功能已發(fā)生了 質(zhì)的飛越?，F(xiàn)在國外已研制成功只要用一小時就可以充滿蓄電池的大功率充電器，在體積上也越來越小，現(xiàn)在最小的大功率充電器 只有一個書包大小。 在我國的研究發(fā)展比較晚，因其體積小，動態(tài)響應(yīng)速度快，輸出紋波小，效率高等特點，近年 來得到國內(nèi)外的廣泛研究與關(guān)注，特別在通信，電力等領(lǐng)域中，已經(jīng)得到了普遍的研究和使用，但對于相控電源來說，它的價格比較高，而且功率器件的發(fā)熱量也較高，所以，在電力系統(tǒng)中的大功率場合，相控式的充電器仍然占有較大比重。 而國外市場大部分充電器均采用 Wa， WaWo， Uamp。U 等充電曲線方式更科學(xué)，合理，從而大大提高了蓄電池的使用壽命，大大降低了使用和維護(hù) 成本，簡化了充電過程，解放了操作人員的勞動強度，市場前景非常廣闊。 基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計 3 近年來，國內(nèi)外人士正致力于充電器的智能化研究，智能化程度較高的充電器解決了動態(tài)跟蹤電池可接受充電電流 曲線的技術(shù)關(guān)鍵，使充電電流始終與可接受充電電流保持良好的匹配關(guān)系，使充電過程始終在最佳狀態(tài)下進(jìn)行，比常規(guī)充電模式可節(jié)約電能 30%50%左右，提高了充電質(zhì)量和效率，充電工人只擔(dān)任輔助性工作，為充電技術(shù)和充電設(shè)備的智能化發(fā)展闖出了一條新路。 隨著鉛酸蓄電池在人們生活中的應(yīng)用越來越普遍，智能型充電器的智能要求也越來越高，本次的課題就是對智能電池充電器的設(shè)計和研究。 2 鉛酸蓄電池的工作原理及充放電過程 鉛酸蓄電池的基本概念 由于蓄電池的充放電本身涉及到許多相關(guān)的專業(yè)知識，為了能夠更好的理解本課題，本 節(jié)將要簡單介紹 有關(guān)的 鉛酸蓄電池一些知識。 （ 1） 蓄電池容量 蓄電池容量是指在一定條件下可以從蓄電池獲得的電量（用 C 表示），單位常用安培小時 (Ah)表示，是蓄電池性能的重要指標(biāo)。容量分為理論容量、實際容量和額定容量。 理論容量（ Co）是假設(shè)活性物質(zhì)全部參加放電反應(yīng)給出的容量。 實際容量（ C）是在一定放電條件下蓄電池實際放出的容量。 額定容量 （ C 額 ）是在設(shè)計和生產(chǎn)蓄電池時，規(guī)定或保證在指定的放電條件下蓄電池應(yīng)放出的最低限度的電量。 蓄電池容量除了與極板表面進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)數(shù)量有關(guān)外，還與極板表面活性物質(zhì)的利用率 、 孔率、極板厚度、極板的表面積有關(guān)。此外還受電解液密度、溫度、放電條件（即：充電程度、放電率等）、蓄電池新舊程度等影響。在使用過程中，容量受放電率、電解液溫度的影響是主要的。當(dāng)放電率較小，電壓下降緩慢，蓄電池實際放出的電量較高，當(dāng)放電率變大時，電壓下降變快，蓄電池實際放出的電量較低。在一定范圍內(nèi)，電解液溫度高，蓄電池的活性增加，內(nèi)阻變小，容量變高，電解液溫度低時，蓄電池的活性降低，內(nèi)阻變大，容量降低。 （ 2） 蓄電池的內(nèi)阻（ 內(nèi)R ） 基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計 4 內(nèi)阻（內(nèi)R）又稱全內(nèi)阻，是指電流通過蓄電池時所受到得阻力，包括歐姆電阻和電化學(xué)反應(yīng)中電極極化產(chǎn)生的電阻，即： 內(nèi)R= ?R + fR （ ） 歐姆電阻（ ?R ） ： 包括電極材料、電解液、隔板等組成的電阻， 還與電池的尺寸、裝配、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。 極化電阻（ fR ）：包括蓄電池使用過程中濃差極化和電化學(xué)極化產(chǎn)生的電阻之和。主要與電極材料的本性、電極的結(jié)構(gòu)和制造工藝以及使用條件等因素有關(guān)。內(nèi)阻越小，在同樣的放電條件可以消耗較少的電能，輸出較多的電能，提高電能利用率，從而提高蓄電池性能。 （ 3） 充電速率和放電速率 為了對不同容量的電池加以比較，蓄電池的充電電流 不用電流的絕對值來表示，而是用電池的額定容量 C 額 和放電時間 T 的比來表示，稱為電池的充電速率或放電速率。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 鉛酸蓄電池的額定容量按 5 小時連續(xù)放電來表示，即 C5，例如一個額定容量 C5為 10Ah 的電池， 充電 5 小時后，電池完全充滿，則它的充電電流為： 55 CCI ?? （ ） 即它的充電速率為 ；若用 10 小時就達(dá)到充滿狀態(tài)，則它的充電電流為 5510 C C?? （ ） 即它的充電速率為 。 （ 4） 充電終止電壓和放電終止電壓 蓄電池充足電時，極板上 的活性物質(zhì)已達(dá)到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，蓄電池的電壓也不會上升，此時的電壓稱為充電終止電壓。 放電終止電壓是指蓄電池可放電的最低電壓，如果電壓低于放電終止電壓后繼續(xù)放電，電池兩端電壓會迅速下降，形成過放電。這極易對電池造成永久性損害，影響蓄電池的使用壽命。放電終止電壓和放電率有關(guān)。 （ 5） 電池的過充電 當(dāng)高速率充電而又不能及時地在滿充電后結(jié)束充電過程，電池則很容易存在大電流過充的問題。過充電會使電池內(nèi)部的溫度和電壓都急劇上升，造成對電池的損害。基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計 5 這是因為在過充電階段電池內(nèi)部所進(jìn)行的反應(yīng)為消耗反應(yīng)，它會增大電池內(nèi)部的壓力，同時，由于氧氣的產(chǎn)生和吸收都是放熱反應(yīng)，這就使電池溫度迅速上升。因此在電池充電接近滿充電時，只能采用低速率充電。這是因為電池在低電流過充電時所產(chǎn)生的極化現(xiàn)象較輕，同時電池的熱量可以及時地向空中散發(fā)，基本上不會對電池造成傷害。 （ 6） 電池的極化現(xiàn)象 由于蓄電池內(nèi)阻并不是純電阻，所以蓄電池的端電壓也與其他電源有所不同。該值與蓄電池的工作狀態(tài)有關(guān)，它一般有三種狀態(tài)的值： ① 當(dāng)蓄電池為開路狀態(tài)時，所測得的電池兩極間的電壓稱為電池的開路電壓； ② 當(dāng)蓄電池充 電時所測得的電壓稱為電池的充電電壓； ③ 電池放電時測得的電壓稱為放電電壓。 這三種狀態(tài)的電壓具有下述特點：充電電壓高于開路電壓，而且隨著充電時間的增加而略有升高，放電電壓則低于開路電壓，而且隨著放電時間的增加而略有降低，這種現(xiàn)象稱為電池的極化。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，主要是因為一般的密封式蓄電池在充電過程中，內(nèi)部會產(chǎn)生氧氣和氫氣，其中主要是氧氣，氫氣只占一小部分，當(dāng)產(chǎn)生的氧氣不能被及時 吸收時，它便堆積在正極板上，使得電池內(nèi)部壓力增大，電池溫度上升，同時縮小了電池正極板的板面積，表現(xiàn)為 電池內(nèi)阻上升，即使得電池出現(xiàn)了所謂的極化現(xiàn)象。上面提到的蓄電池的極化電阻正是由于電池的極化現(xiàn)象所表現(xiàn)出來的。當(dāng)充電速率較低時，充電時所產(chǎn)生的氧氣可以被及時吸收，因此電池的極化現(xiàn)象很輕，一般不會對電池造成很大的傷害，當(dāng)高速率恒流充電時，這一現(xiàn)象則不容忽視。 蓄電池的極化現(xiàn)象對蓄電池的工作是不利的。它不僅使電池發(fā)熱，而且降低了電池的效率，同時也加速了電池的老化。 （ 7） 電池的老化 電池的老化是指另外一種現(xiàn)象：電池在開始使用的一段時間內(nèi)，電池容量增加大約 5%10%，接下來的一段時間，電池的容量大約不變，然后開始慢慢減 少，即開始了電池的老化過程。當(dāng)電池的老化達(dá)到一定程度時，這個電池就報廢了。 一般經(jīng)驗來講，當(dāng)電池的容量達(dá)到額定容量的 80%時，就可以認(rèn)為電池的壽命基本結(jié)束了。 （ 8） 使用壽命 使用壽命是指在其實際容量降低至某一規(guī)定值之前所經(jīng)歷的充放電的次數(shù)，通常用來定義蓄電池的使用壽命，使用壽命是鉛酸蓄電池的重要指標(biāo)之一，與使用中的放基于單片機(jī)的智能電池充電器的設(shè)計 6 電深度、 溫度、充放電等條件有關(guān)。減少放電深度或采用淺放電可大大延長蓄電池的使用壽命。充電時采用大電流充電，會造成蓄電池溫度高，損害蓄電池的壽命。影響使用壽命的原因有以下幾方面：正極板的板柵變形、板柵腐 蝕、活性物質(zhì)在使用過程中發(fā)生鈍化或產(chǎn)生不可逆硫酸鹽化等問題，都會造成使用壽命縮短。 （ 9） 自放電現(xiàn)象 當(dāng)電池處于閑置不用（非工作狀態(tài)）時，雖然沒有電流流過蓄電池，但電池內(nèi)的活性物質(zhì)與電解液間自發(fā)的反應(yīng)卻一直在進(jìn)行，這造成了電池內(nèi)的化學(xué)能量無益的損耗，使電池的容量下降，通常將這種現(xiàn)象稱為電池的自放電。自放電的大小一般用單位時間的電池容量下降得百分比來表示，見公式 ： ?? ?00 100%fQ Q Q??? ? ???自 放 電 （ ） 其中， QO為蓄電池在規(guī)定條件下的容量， Qf為電池存儲一段時間后，在同樣規(guī)定條件下的容量。自放電通常與環(huán)境溫度有密切聯(lián)系。當(dāng)環(huán)境溫度較高時，電池的自放電現(xiàn)象比較明顯，所以電池應(yīng)在適宜的溫度和濕度下保存，自放電一般不會損傷電池，只要重新充足電量，還可以照常使用。鉛酸蓄電池的自放電相對鎳鉻電池來講比較嚴(yán)重，經(jīng)驗表明，鉛酸蓄電池在閑置一個月后，自放電 達(dá) 30%左右。考慮到這一點，在設(shè)計蓄電池充電器時，應(yīng)能在電池長時間不用的情況下對電池進(jìn)行補充充電。 鉛酸蓄電池的工作原理 鉛酸蓄電池電動勢的產(chǎn)生 鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（ PbO2），在硫酸溶液中水 分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì) 氫氧化鉛（ Pb(OH)4），氫氧根離子在溶液中，鉛離子留在正極板上，故正極板上缺少電子。 鉛酸蓄電