【正文】 ........................................................................................................................................ 35 附錄 1 總電路圖 ............................................................................................................................... 35 附錄 2 源程序 ..................................................................................................................................... 36 1 緒論 研究背景 早在六、七十年代，西方經(jīng)濟發(fā)達國家為了保護環(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。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。鉛酸蓄電池不宜采用這種方式。隨著蓄電池端電壓 升高，充電電流會自動下降，所以析氣量少，充電時間較長，能耗較低。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。 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。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 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。 （ 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)。 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。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。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)。 （ 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。 （ 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。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。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。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。 （ 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，與使用中的放電深度、 溫度、充放電等條件有關(guān)。 （ 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。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30%左右。 可見，在未接通外電路時 （電池開路），由于化學(xué)作用，正極板上缺少電子，負極板上多余電子 ， 兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。 正極板的鉛離子（ Pb4+）得到來自負極的兩個電子（ 2e）后，變成二價鉛離子（ Pb2+），與電解液中的硫酸根離子（ SO42）反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（ PbSO4）。 鉛酸蓄電池充電過程的電化反應(yīng) 充電時，應(yīng)在外接一直流電源（充電極或整流器），使正、負極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來。充電后期，在外電流的作用下，溶液中還會發(fā)生水的電解反應(yīng)。 蓄電池的充電工作特性 上世紀(jì) 60年代中期，美國科學(xué)家馬斯對開口蓄電池的充電過程作了大量的試驗研究， 并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖 21所示。主要原因是充電過程中產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。實際上，常規(guī)充電的速度被蓄電池在充電過程中的溫升和氣體的產(chǎn)生所限制?？刂品椒ê唵?，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過甚，因此，常用 于 階段充電法 中 。 一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。 ③ 恒壓充電法 充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。 u , i0t充 充 充 充充 充 充 充 圖 24 恒壓充電法曲線 這種充電方法電解水很少，避免了蓄電池過充。 (2) 快速充電技術(shù) 為了能夠最大限度地加快蓄 電池的化學(xué)反應(yīng)速度，縮短蓄電池達到滿充狀態(tài)的時間，同時，保證蓄電池正負極板的極化現(xiàn)象盡量地少或輕，提高蓄電池使用效率。 ① 脈沖式充電法 這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高蓄電池充電接受率，從而打破了蓄電池指數(shù)充電接受曲線的限制，這也是蓄電池充電理論的新發(fā)展。 ti0T 圖 25 脈沖式充電曲線 ② REFLEXTM 快速 充電法 這種技術(shù)是美國的一項專利技術(shù)，它主要面對的充電對象是鎳鎘電池。 ti0t0t1t2TI1 I2 圖 26 REFLEXTM 快速充電法 ③ 變電流間歇充電法 這種充電方法建立在恒流充電和脈沖充電的基礎(chǔ)上。通過間歇停充，使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。在每個恒電壓充電階段，由于是恒壓充電，充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降，符合電池電流 可接受率隨著充電的進行逐漸下降的特點。 充電終止條件控制方法 蓄電池在充足 電后，電池的溫度和內(nèi)壓都會快速的上升，同時電池的端電壓開始下降 出現(xiàn)電壓負增量，如果此時繼續(xù)進行快速大電流充電，對蓄電池的損害是顯然的。 電壓控制 在電壓控制法中，最容易檢測的是電池的最高電壓。 這種控制方法的缺點是：電池充電的最高電壓隨環(huán)境溫度，充電速率而變 化 ，因此，最高檢測電壓必須采用一定的溫度補償，并且還必須根據(jù)充電速率加以適當(dāng)修正，若最高檢測電壓不能隨溫度變化而自動調(diào)整，則低溫時，電池充不足電，高溫時，電池充足電后仍會繼續(xù)大電流過 充。采用這種檢測法的快速充電器，可以對電池數(shù)不同的電池組充電。為了避免環(huán)境溫度過高時損壞電池，最好與其他控制方式配合使用。例如，對于 10Ah的蓄電池，采用 ，電池 5h可充足；采用 ，電池 ，因此根據(jù)電池的容量和充電電流，可以很容易地確定所需要的充電時間。因此，只有充電速率小于 效果。為避免損壞電池，又常采用溫升控制法，即當(dāng)溫升達到一定值時，充電器便自動轉(zhuǎn)入浮充電模式。根據(jù)鉛酸蓄電池的使用階段及蓄電池的特性，為了進一步延長蓄電池的使用壽命， 在 長期使用和經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上，對蓄電池進行了四個階段的充電以達到最優(yōu)的效果。 （ 3） 均充階段 即恒壓充電階段 隨著限壓充電的進行，電池電流也隨之逐漸 降 低。 3 智能充電器的硬件設(shè)計 智能充電器的總體設(shè)計要求及設(shè)計方案 鉛酸蓄電池充電器性能的優(yōu)劣直接 影響充電電池的使用壽命 ，用戶對充電器的要求主要有兩個方面：其一是要有較高的性能指標(biāo)，如由平均無故障運行時間所表達的可靠性，由穩(wěn)壓穩(wěn)流精度，動態(tài)調(diào)整速度及紋波系數(shù)等所表達的動 、 靜態(tài)特性， 其二是要有較為完善的自我檢測與控制功能，有較高的智能水平 ， 能 對充電電壓，電流進行 檢測 等。同時還 進一步 設(shè)置了防止電池過充以損害電池的裝置。 顯示和報警電路是通過單片機控制 來 顯示電池組當(dāng)前的 充電狀態(tài)，提 示 用戶當(dāng)前進入的狀態(tài) 。 ●存儲器 8K字節(jié)片內(nèi) Flash/EE程序存儲器； 640字節(jié)片內(nèi) Flash/EE數(shù)據(jù)存儲器； 256字節(jié)片內(nèi) RAM。 （ 3） ADuc824的結(jié)構(gòu) ADuc824的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖 32所示。主通道可通過調(diào)節(jié)編程放大器的增益而接收 177。輔助通道用于接收輔助信號的輸入，例如冷 端二極管或熱敏電阻的輸入，此通道無緩沖器，只有一個固定為177。 圖 33 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中的配置圖 ADuC824 的程序和數(shù)據(jù)存儲器有分開的尋址空間。 ADuC824 的片內(nèi) Flash/EE 程序存儲器可用兩種模式進行編程：即在線串行下載和并行編程。 ③ 其它外設(shè) a. DAC ADuC824 上集成了一個 12 位電壓輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。 b. 片內(nèi) PLL 一般 ∑△ 型 AD 都需外接一個晶振 ， CPU 工作也需要外部晶振。 AD 時鐘也來源于 PLL 時鐘，其調(diào)制速度和晶振頻率相同。有六個 SFR 寄存器與 TIC 有關(guān)， TIMECON 是它的控制寄存器， INTVAL是用戶定時設(shè)置寄存器，當(dāng) TIC 的計時器達到 INTCVAL 的設(shè)置值時， TIC 將有一個主動的輸出，此輸出可引發(fā)一個中斷或使 TIMEON 中的 TII 位置位。 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eA4D a t e : 5 J u n 20 09 S he e t o f F i l e : J : \ 圖 \ P R E V I O ~ 1 3. D D B D r a w n B y :Q1N P NR 172KA V D DP 1. 2P 1. 4P 1. 5P 1. 6P 1. 7P 3. 2P 3. 4A G N DD V D DP 0. 0P 0. 1P 0. 2P 0. 3P 0. 4P 0. 5P 0. 7P 0. 6EAX T A L 1P 2. 0R E S E TX T A L 2D G N DabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD P Y _7 S E G _D PC 121 0uR 181 0KG N D+5+5DAC U R R E N T / A I N 1V O L T A G E / A I N 32 20 X 853910111218226344344454849505152284015323321D V D DP 2. 0A D U C 82 4U31 2P1 2PG N DV R E F +V R E F D V D DD V D D2048D G N DD G N D35471 00 n1 00 n873 2. 7 66 K H ZX T A L 1X T A L 2G N DC S 9 01 3B U Z Z E R+5 圖 34 單片機連接電路 由于本單片機采用的是 ADuC824，其使用的是一個外部晶振為 頻率的時鐘為 CPU 提供時鐘周期， 片內(nèi) PLL 以倍速鎖存 (3216 倍 )方式為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的 的時鐘信號。 PWM 控制信號的高電平脈沖出現(xiàn)，使 MOSFET 導(dǎo)通之后，電感 L1 的電流不斷增大，電容 C2 充電，該電路不斷存儲能量，同時通過電感L2對電池充電，此時，續(xù)流二極管因反向偏置而截止。 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eA4D a t e : 9 J un 2 0 0 9 S he e t o f F i l e : H : \ 圖 \ B A C K U P ~ 2 .D D B D r a w