【正文】 第 36 頁(yè) 共 37 頁(yè) 科技 ,2020,(5):2627. [16]王曉侃，蘇全衛(wèi) .基于單片機(jī)控制的多功能電動(dòng)車(chē)自行車(chē)智能保護(hù)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].電子設(shè)計(jì)工程 ,2020,23(7):107110. [17]張朋 .基于智能芯片的電動(dòng)自行車(chē)電池管理系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D].南京 :南京郵電大學(xué) ,2020. [18]杜江 .電池管理系統(tǒng)的標(biāo)定及匹配技術(shù)研究 [D].上海 :同濟(jì)大學(xué) ,2020. [19]賈小龍 .鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D].蘇州 :蘇州大學(xué) ,2020. [20]王鳳波 .基于 AD7280A 的中型鋰離子電池組管理系統(tǒng)研究 [D].上海 :上海大學(xué) ,2020. [21]吳迪 .鋰電池充電控制與管理方法研究 [D].北京 :北京交通大學(xué) ,2020. [22]楊元棟，孫曉明，慕強(qiáng)，齊國(guó)光 .基于 8xC749 單片機(jī)的電動(dòng)自行車(chē)智能充電器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].電子技術(shù)應(yīng)用 ,2020, 10):910. [23]陳守平 ， 張軍 ， 方英明 ， 梁毅 .動(dòng)力電池組特性分析與均衡管理 [J].電池工業(yè) ,2020,8 6):265271. [24]方小斌 .鋰離子電池在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè) [D].哈爾濱理工大學(xué) ,2020. [25]中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)新聞中心 .鋰電池分類(lèi)及優(yōu)缺點(diǎn) [J].電池工業(yè) ,2020,5:156159. [26]張新生 ， 張英海，毛謙等 .磷酸鐵鋰電池 [J].電池工業(yè) ,2020,13(7):8792. 第 37 頁(yè) 共 37 頁(yè) 致謝 本文是在徐美芳老師的指導(dǎo)下完成的。本文的完成離不開(kāi)徐老師的指導(dǎo)和關(guān)心，借此機(jī)會(huì)向徐老師表示誠(chéng)摯的敬意和衷心的感謝 ! 在論文的寫(xiě)作過(guò)程中，張志海、王玉熙和孫夢(mèng)雷等同學(xué)對(duì)我論文的研究工作給予了熱情幫助，在此向他們表達(dá)我的感激 之情。 。同時(shí)，也一并感謝所有關(guān)心、幫助過(guò)我的老師、同學(xué)和朋友們。在畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)期間，無(wú)論是在設(shè)計(jì)的研究還是論文的寫(xiě)作過(guò)程中徐老師的知道對(duì)我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)有極大幫助。 由于時(shí)間和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的限制，本設(shè)計(jì)還有許多要改進(jìn)和加強(qiáng)的方面。 單片機(jī)控制的電路，采用傳感器讀取充電器的 ADC 功能采集電壓數(shù)據(jù)和選擇開(kāi)路電壓法估算 SOC，能估算出電池組的電池剩余容量。本文主要做的研究工作如下 : TL494 控制的開(kāi)關(guān)電源電路為所要充電的電池組提供了恒壓輸出的直流電。在調(diào)試中，還發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)中的一些不足，比如上下位機(jī)通信過(guò)程中，單片機(jī)容易死機(jī)等問(wèn)題，這有待以后去研究。具體如圖 、圖 、圖 所示。溫度檢測(cè)電路通過(guò)傳感器檢測(cè)到數(shù)據(jù)后一邊用于單片機(jī)內(nèi)比較警戒值，一邊通信給上位機(jī)，并在界面中顯示出來(lái)如圖 所示。同時(shí)調(diào)節(jié) TL494 電路中的電位器能控制輸出的電壓。并 進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，最后再將各個(gè)模塊組合測(cè)試、修改，最后實(shí)現(xiàn)整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的全部功能。通過(guò)對(duì)應(yīng)的流程圖比較清晰的說(shuō)明的設(shè)計(jì)思路。 圖 串口通信界面 圖 充電工程界面 第 27 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 溫度數(shù)據(jù)處理界面 上下位機(jī)的通信設(shè)計(jì) 通信協(xié)議概述 上下位機(jī)通過(guò)串口通信，通信協(xié)議代碼的具體流程圖在下面有介紹。串口工程界面設(shè)置了串口配置項(xiàng)，包括串口號(hào)、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位，同時(shí)放置了小的窗口部件用以顯示串口信息Charger(主工程 ) tab_serial tab_datadeal tab_charger m_protocol m_execprotocol this emit signalshow TempValue() slotGain TempValue() signalshow TempValue(msg) slotshow TempValue(Qstring) signalGainTempValue(void) Updata(emit 信號(hào) ) Connect Connect Connect 發(fā)送數(shù)據(jù) 第 26 頁(yè) 共 37 頁(yè) 和串口發(fā)送的數(shù)據(jù)。本軟件設(shè)計(jì)中將下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)與槽機(jī)制，最后在充電器界面的 LCD 模擬部件中顯示出來(lái)。 STM32F103 中的 ADC 功能是 12 位的，精準(zhǔn)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為了使讀取的電壓數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，本設(shè)計(jì)采集 4 路電壓數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行平均，并將電壓數(shù)據(jù)以一秒為周期通信給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)開(kāi)路電壓法進(jìn)行計(jì)算出電池組的剩余電池容量，同時(shí)單片機(jī)中的主函數(shù)對(duì)所采集的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，作為繼電器，蜂鳴器工作的邏輯依據(jù)。 單片機(jī)控制模塊初始化，創(chuàng)建各項(xiàng)工作任務(wù)，中斷程序處理等。 單片機(jī)程序設(shè)計(jì) 整體設(shè)計(jì)邏輯概述 單片機(jī)采用的是 STM32F103。并進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，最后再將各個(gè)模塊組合測(cè)試、修改，最后實(shí)現(xiàn)整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的全部功能。 實(shí)現(xiàn)的主要功能是 為鋰電池組提供 的穩(wěn)定直流充電電壓，能通過(guò)單片機(jī)的 ADC 功能采集電池組的電壓數(shù)據(jù)，從而根據(jù)電壓與電池容量的關(guān)系表判斷出電池組的剩余電池容量，能采集溫度數(shù)據(jù)為報(bào)警電路提供判斷依據(jù)。 圖 DTH11原理圖 圖 DTH11實(shí)物圖 報(bào)警電路 報(bào)警電路比較簡(jiǎn)單，具體原理圖和實(shí)物圖如下圖所示。設(shè)計(jì)中采用的是 DTH11傳感器，實(shí)物圖如下圖 。電壓采集電路原理圖如下圖 ，實(shí)物圖如圖 。 圖 TL494 圖 圖 TL494實(shí)物圖 第 19 頁(yè) 共 37 頁(yè) 圖 TL494 焊接實(shí)物圖 DCDC 電路 DCDC 電路是直流變（到）直流的轉(zhuǎn)換器。 圖 電橋電路圖 圖 整形堆橋?qū)嵨飯D 圖 整流、濾波焊接電路圖 TL494 脈寬調(diào)制電路 TL494 是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，具體實(shí)物如圖 ，而原理圖如圖圖 它包含了開(kāi)關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于橋式單端正激雙管式、半、全橋式開(kāi)關(guān)電源。該變壓器能穩(wěn)定輸出 26V 交流電。整個(gè)充電電源電路包含了變壓電路、整流電路、濾波電路、 TL494脈寬調(diào)制電路和 DCDC 電路，具體介 紹如下。該單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路原理圖包含 MCU、 I/O 口、電源電路、 RS485 電路和 JTAG電路，具體原理圖分別對(duì)應(yīng)如下圖 ，圖 ，圖 ，圖 ，圖 ，圖 。其基于 ARM CortexM3 內(nèi)核， STM32F103 屬于“增強(qiáng)型”系列。 第 13 頁(yè) 共 37 頁(yè) 3 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 此部分介紹的是硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 本章小結(jié) 通過(guò) 對(duì)所要設(shè)計(jì)充電器功能需求和總體設(shè)計(jì)框架的介紹，明確了設(shè)計(jì)充電器所需實(shí)現(xiàn)的功能。能通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的通信。單片機(jī)機(jī)通常將模擬信號(hào)經(jīng)過(guò) AD 采集進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，之后經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理，最終通過(guò)串口發(fā)送數(shù)字信號(hào)給 PC機(jī)，反之 PC機(jī)可以給單片機(jī)機(jī)發(fā)送指令等信息。上位機(jī)一般指的是電腦，本設(shè)計(jì)用的也是電腦。 表 電壓與剩余電量關(guān)系表 電壓 剩余容量 電壓 剩余容量 0% 55% 5% 60% 10% 65% 15% 70% 20% 75% 25% 80% 30% 85% 35% 90% 40% 95% 45% 99% 50% 100% 本設(shè)計(jì)做的是鋰電池充電器針對(duì)的是電動(dòng)自行車(chē)鋰電池組。盡管這種方法估算 SOC 比較 簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是會(huì)出現(xiàn)累計(jì)誤差，其中計(jì)算數(shù)值的一個(gè)重要參數(shù)也就是補(bǔ)充系數(shù) k 難以確定，所以該方法并不合適。所謂的直流內(nèi)阻指的是極短時(shí)間內(nèi)，電池組的端電壓變化量與電流變化量相比所得的數(shù)值。采用恒壓充電，電池組產(chǎn)生的電解水很少，能防止蓄電池過(guò)充，從而延長(zhǎng)電池使用壽命。 充電方案的選擇 （ 1） 方案一 恒流充電法：恒流充電法顧名思義就是充電過(guò)程中保持電流恒定，如圖 所示。研究充電特性，提出針對(duì)性的充電方案能提高充電的安全性和增加電池的使用次數(shù)。 鋰電池通常分為鋰金屬電池和鋰離子電池兩大類(lèi) [25]，因?yàn)殇囯x子電池能充 第 9 頁(yè) 共 37 頁(yè) 電，所以常說(shuō)的鋰電池也指鋰 電子電池。 經(jīng)過(guò)上述兩種方案的比較后，該設(shè)計(jì)選取方案二的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)一般采用集成芯片， 像 SG352 BD49 SAQ881 TL494 等芯片都屬于此類(lèi)，這些芯片功能強(qiáng)大，包含了開(kāi)關(guān)電源控制所需的全部功能。 （ 2）方案二 開(kāi)關(guān)電源：家用交流電通過(guò)變壓器變壓后，輸出低壓交流電，之后經(jīng)過(guò)整流堆橋，濾波電容（大的電解電容）后，除高頻雜波和同相干擾信號(hào)，輸出低壓直流電，之后經(jīng)過(guò)電感線(xiàn)圈等作用下，進(jìn)一步濾除高頻雜波，在交直流電轉(zhuǎn) 換后，電流進(jìn)入開(kāi)關(guān)電路，開(kāi)關(guān)電路是整個(gè)電源電路的關(guān)鍵。 :充電器應(yīng)具有較高的智能性，不需要操作人員過(guò)多干預(yù)充電過(guò)程。 上位機(jī)和 UI 界面模塊主要是電腦通過(guò)串口通信，獲取單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)，在 Qt 工程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。 單片機(jī) STM32 控制電路以 STM32 為核心組成。 報(bào)警電路主要組成元器件是蜂鳴器，當(dāng)電池充滿(mǎn)或溫度超過(guò)警戒值時(shí)，單片機(jī)會(huì)做出判斷，從而是向報(bào)警電路發(fā)出指令，之后報(bào)警電路做出應(yīng)答。 第 6 頁(yè) 共 37 頁(yè) 2 方案比較和選擇 本章從基于單片機(jī)的智能充電器的功能需求和總體設(shè)計(jì)框架出發(fā)，介紹了總體設(shè)計(jì)框圖、充電方法、 SOC 估算方法、通信方式等從而為基于單片機(jī)的智能充電器設(shè)計(jì)提供了具體的解決方案。 第三章分析了硬件部分中各模塊電路的原理和具體實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在于充電電源、充電方式、電池電量顯示、充電器溫度預(yù)警機(jī)制和自動(dòng)結(jié)束充電過(guò)程方面的研究。另外，這些雖是具備了基本的檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警等功能，但在數(shù)據(jù)采集方面，其可靠性、準(zhǔn)確性和抗干擾性等與國(guó)外仍有較大差距。但是其系統(tǒng)基于遺傳算法的運(yùn)行機(jī)制比較復(fù)雜工作量較大，運(yùn)行速度相對(duì)較慢。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能很好的實(shí)時(shí)顯示電池組的各種數(shù)據(jù)，但是在系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面還有待進(jìn)一步完善。該系統(tǒng)只是進(jìn)行了仿真，在理論上進(jìn)行了驗(yàn)證，能否做出產(chǎn)品有待驗(yàn)證。該系統(tǒng)整體 第 4 頁(yè) 共 37 頁(yè) 功能完善，不過(guò)集成化有待提高。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。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。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。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]。 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。此外整套系統(tǒng)還能用 PC 機(jī)控制。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(lèi)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。