【正文】 基于單片機(jī)的智能充電器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目 錄1 緒論 目的及意義 1 2 2 2 52 方案比較和選擇 6 6 7 7 8 8 9 SOC估算方法 10 SOC估算方法的選擇 10 11 通信方式的選擇 11 123 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 13 13 16 1濾波電路 17 TL494脈寬調(diào)制電路 17 DCDC電路 19 19II 21 21 224 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 23 23 23 23 整體設(shè)計(jì)邏輯概述 23 電壓、溫度數(shù)據(jù)采集 24 25 整體設(shè)計(jì)概述 25 程序邏輯流程圖 25 UI界面 25 上下位機(jī)的通信設(shè)計(jì) 27 通信協(xié)議概述 27 上下位機(jī)通信流程圖 27 本章小結(jié) 285 調(diào)試與分析 29 29 30 31 32 本章小結(jié) 336 總結(jié)與展望 34參考文獻(xiàn) 35致謝 37III1 緒論如今隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，人們的出行越來(lái)越離不開(kāi)電動(dòng)交通工具，尤其是鋰電池電動(dòng)自行車。對(duì)于鋰電池的充電方案的研究也越來(lái)越多。本章節(jié)從目前存在并應(yīng)用的基于單片機(jī)的智能充電器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，集中分析鋰電池充電器充電系統(tǒng)的研究背景、意義以及國(guó)內(nèi)外在這個(gè)方面的研究，明確本課題研究的主要目標(biāo)、內(nèi)容及本論文的框架結(jié)構(gòu)。、目的及意義隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋰電池對(duì)于人們生活的影響越來(lái)越大。鋰電池具有儲(chǔ)能密度高，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)前社會(huì)應(yīng)用范圍極廣[1]。如今鋰電池在出行工具、娛樂(lè)工具等領(lǐng)域市場(chǎng)所占比重很大[2]。目前鋰電池應(yīng)用的領(lǐng)域很廣泛，尤其是電動(dòng)自行車領(lǐng)域。2006年前后，鋰電池組開(kāi)始出現(xiàn)在我國(guó)的電動(dòng)自行車領(lǐng)域。到2008前后，以鋰電池作為車載電池的電動(dòng)自行車得以大范圍推廣[3]。如今鋰電池電動(dòng)自行車在我國(guó)已經(jīng)普及[4]。然而隨著人們對(duì)鋰電池產(chǎn)品需求的發(fā)展，鋰電池的頻繁充放電已經(jīng)成為常態(tài)。在三星手機(jī)出現(xiàn)爆炸事件發(fā)生后，人們對(duì)鋰電池的安全性越來(lái)越重視，尤其是充電過(guò)程中，鋰電池安全更為重要。所以鋰電池的風(fēng)險(xiǎn)管理越來(lái)越重要[5]。與此同時(shí)，頻繁的使用電子設(shè)備，電源電池經(jīng)常充放電，這對(duì)電池的壽命是極大地考驗(yàn)，再加上很多商用的的鋰電池充電器不能很好的解決鋰電池充電安全問(wèn)題，所以需要更多的人去研究更安全的鋰電池充電器。一些大眾的電池充電器采用的事高電流快速充電技術(shù)，在電池滿電后不能做出判斷，終止重點(diǎn)，這導(dǎo)致所充的電池組溫度會(huì)很高，這極大的影響了電池組的使用壽命[6]。當(dāng)今社會(huì)，科學(xué)技術(shù)快速進(jìn)步，關(guān)于鋰電池的充電技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的質(zhì)變。一些更為進(jìn)準(zhǔn)的充電控制算法開(kāi)始出現(xiàn)，并被人們用在實(shí)際的充電器設(shè)計(jì)中。為了滿足人們對(duì)家用鋰電池產(chǎn)品的安全性、智能性、人機(jī)交互性等方面的要求，充電器設(shè)計(jì)要更加智能化。智能化的鋰電池不僅能提高充電效率，使得資源高效利用還能減少充電時(shí)間，提高客戶的體驗(yàn)度，并能保證鋰電池的使用壽命[7]。本設(shè)計(jì)采用的方案是用TL494芯片和單片機(jī) STM32F103組合，并用Qt開(kāi)發(fā)控制軟件的整體方案。TL494芯片作為充電電源的主控芯片，能滿足電動(dòng)自行車鋰電池組的充電需求。STM32單片機(jī)內(nèi)含資源很多，能很好的處理采集的數(shù)據(jù)和控制設(shè)計(jì)所需要的外設(shè)。再加上上位機(jī)的軟件能使得所設(shè)計(jì)的充電器智能、安全，同時(shí)保護(hù)好電池，保證電池的使用次數(shù)。 市場(chǎng)需求增加是科技投入的動(dòng)力，在智能充電器市場(chǎng)也是如此，相關(guān)的工作人員采用更為先進(jìn)的方案實(shí)現(xiàn)充電器安全，智能。在過(guò)去幾十年里，由于鋰電池技術(shù)的日益成熟以及鋰電池相比較鎳鎘、鎳氫電池具有極大的優(yōu)勢(shì)，所以對(duì)于鎳鎘、鎳氫電池這類電池充電系統(tǒng)的研究越來(lái)越少，但在鋰電池的研究上投入精力巨大。所以鋰電池充電器的研究更加火熱。德國(guó) Mentzer UlectronicGmbH 和 Wemer Retzlafr [8]合作研發(fā)的 BADICHUQ 系統(tǒng)首次車載實(shí)驗(yàn)，并于1992年進(jìn)行二次改進(jìn)的 BADICOACH 系統(tǒng)。他們所設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池充電系統(tǒng)，在充電過(guò)程中能智能的顯示電池組的充電狀態(tài)，包括電池組內(nèi)的電壓、電流、溫度。此外整套系統(tǒng)還能用PC機(jī)控制。其系統(tǒng)的一個(gè)特色便是測(cè)量電壓的方案是用非線性電路來(lái)檢測(cè)，并用脈寬信號(hào)控制充電過(guò)程中的電壓和電流。美國(guó)科技在智能充電領(lǐng)域也有很先進(jìn)的技術(shù)，如知名的通用公司，研發(fā)出了純電動(dòng)車動(dòng)力鋰電池的充電系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)用在了其產(chǎn)品EV1電動(dòng)汽車上。該公司的智能充電系統(tǒng)包括了溫度檢測(cè)控制模塊、電量顯示模塊、軟件控制模塊等，其軟件控制模塊能智能的采集和顯示溫度和電壓電流等數(shù)據(jù)[9]。此外還有一些發(fā)達(dá)的國(guó)家也在積極的研發(fā)先進(jìn)的電池組充電系統(tǒng)，如加拿大 Zader 研發(fā)的電池組充電管理系統(tǒng)[10]，日本青森工業(yè)研究中心[11]一直在研發(fā)的電池組智能充電系統(tǒng)，韓國(guó) SAMSUNG公司設(shè)計(jì)的SDI BMS[12]和DEV55系統(tǒng)功能都比較完善。我國(guó)作為一個(gè)電池的生產(chǎn)大國(guó)和消費(fèi)大國(guó)，每年會(huì)生產(chǎn)和消費(fèi)巨量的鋰電池，但是在電池的充電技術(shù)方面投入的研發(fā)精力和資金相對(duì)于國(guó)外比較少。最近幾年國(guó)家一直倡導(dǎo)中國(guó)要從制造到智造轉(zhuǎn)型，并加上消費(fèi)升級(jí)，我國(guó)的鋰電池充電器市場(chǎng)越來(lái)越大。在電動(dòng)自行車領(lǐng)域，隨著輕捷、體積小的鋰電子電池組代替原來(lái)笨重的鉛蓄電池，該領(lǐng)域內(nèi)對(duì)智能的鋰電池充電器需求更多。如今在我國(guó)，隨著單片機(jī)、傳感器等技術(shù)的快速發(fā)展，智能的鋰電池充電器充電和控制技術(shù)也在迅速發(fā)展[13]。在我國(guó)，高校是很多先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研發(fā)的前沿陣地，在電池的充電技術(shù)方面也是如此。如今我國(guó)的好多工科專業(yè)強(qiáng)勢(shì)的大學(xué)，如知名的清華、北理、北航、北交、湖南大學(xué)等，在原先研究的技術(shù)基礎(chǔ)上通過(guò)和相關(guān)企業(yè)合作，將研發(fā)的技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品。其中高校中最為代表性的有，由北京理工大學(xué)研究所研發(fā)的智能鋰電池組充電管理系統(tǒng)EQ7200HEV。企業(yè)中研究成果最為突出的有比亞迪公司，其公司所研發(fā)的智能電池組充電管理系統(tǒng)已經(jīng)具有國(guó)際科技水平。當(dāng)前，在國(guó)內(nèi)，對(duì)于鋰電池組的充電系統(tǒng)的研究主要研究重點(diǎn)在充電溫度控制，電池組的電壓、電流檢測(cè)，電池的剩余容量估算和充電過(guò)程中的供電電源的電壓電流控制等方面[14]?；?2單片機(jī)開(kāi)發(fā)智能充電器系統(tǒng)技術(shù)成熟、操作方便、成本較低，在單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用廣泛的今天，開(kāi)發(fā)產(chǎn)品更容易為人們所使用。王曄和馬齋愛(ài)拜[15]將AT89C5MAX189光耦6N137和LM7805聯(lián)系在一起設(shè)計(jì)了鋰電池智能充電器系統(tǒng)。他們所設(shè)計(jì)的充電系統(tǒng)能先檢測(cè)電池組的SOC，如果電池SOC過(guò)低，便能夠預(yù)先低電流充電，在電池剩余容量在一定的SOC方位內(nèi)，將實(shí)現(xiàn)高電流快速充電，當(dāng)電池組的開(kāi)路電壓接近最高值時(shí)，便進(jìn)行高電壓低電流充電，在此過(guò)程中一直監(jiān)控充電系統(tǒng)的溫度和SOC值，如果出現(xiàn)異常，系統(tǒng)將自動(dòng)斷電、報(bào)警，保證了充電的安全性。他們所設(shè)計(jì)的充電系統(tǒng)較好的滿足了人們對(duì)于充電產(chǎn)品的需求，但是該系統(tǒng)的人機(jī)交互性還有待提高。王曉侃和蘇全衛(wèi)[16]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是基于AT89C2051 單片機(jī)的。該系統(tǒng)在充電過(guò)程中能智能的顯示電池的電壓、SOC值、電流、電池組溫度等狀態(tài)數(shù)據(jù)。同時(shí)其系統(tǒng)還具有電池組管理功能，能合理的提高電池的使用壽命。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能性強(qiáng)，人機(jī)交互性好，但將多項(xiàng)功能集中在一起，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，修復(fù)成本高。張朋[17]設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車鋰電池組充電管理系統(tǒng)，采用的控制芯片是 BQ77910 芯片，其系統(tǒng)在硬件的基礎(chǔ)上還設(shè)計(jì)了監(jiān)控軟件用來(lái)管理整個(gè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)的檢測(cè)和顯示電池組的當(dāng)前各類數(shù)據(jù)，在充電過(guò)程中，即時(shí)的通過(guò)單片機(jī)處理，然后優(yōu)化充電方案，能有效的避免出現(xiàn)充電短路等問(wèn)題。該系統(tǒng)整體功能完善，不過(guò)集成化有待提高。杜江[18]采用兩路CAN實(shí)現(xiàn)CECU與VMS和LECU的通訊。其系統(tǒng)采用了性能較高的TMS320F2808芯片，在利用片內(nèi)資源AD模塊精準(zhǔn)的采集數(shù)據(jù)，為了提高采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，在采集溫度數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)時(shí)，該系統(tǒng)都是多路采集，這充分的利用了單片機(jī)的片內(nèi)資源。該設(shè)計(jì)還利用脈寬調(diào)制技術(shù)控制風(fēng)扇，這保證充電系統(tǒng)的溫