【正文】 性物質(zhì)全部參加放電反應(yīng)給出的容量。 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(jì)和研究。 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(diǎn)，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(jià)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。統(tǒng)計(jì)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(bào)廢，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，蓄電池價(jià)格占整機(jī) 價(jià)格的 20%，國外同容量電池價(jià)格則為國產(chǎn)蓄電池價(jià)格的 2—3 倍 。 單獨(dú) 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。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。蓄電池組中個(gè)別落后電池進(jìn)行完全充電，恢復(fù)其容量，這時(shí)最好用小電流長時(shí)間的充電模式。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?；趩纹瑱C(jī)的智能電池充電器的設(shè)計(jì) I 基于單片機(jī)的智能 電池 充電器 的設(shè)計(jì) 摘 要 由于以往的充電器不能根據(jù)電池的 充電 狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析 ， 采取相應(yīng)的 電池 充電模式， 而是 一直采用大電流充電， 極易造成電池的極化現(xiàn)象， 導(dǎo)致電池充電效率較低，使用壽命縮 短 。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(jì)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(shí)現(xiàn)綠色能源計(jì)劃，其中就包含大量電動汽車。特別適合由許多電池串聯(lián)起來的蓄電池組。 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。 它的缺點(diǎn)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(shí)間長；此外蓄電池端電壓的變化也很難補(bǔ)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(bǔ)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(shí)候（如電池嚴(yán)重虧電，漏電，負(fù)荷過重等）這時(shí)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。國內(nèi)外多年來的實(shí)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?，F(xiàn)在國外已研制成功只要用一小時(shí)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(gè)書包大小。 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。容量分為理論容量、實(shí)際容量和額定容量。 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)。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(shí)，蓄電池的活性降低，內(nèi)阻變大，容量降低。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。 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。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。 （ 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。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。 （ 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(shí)間內(nèi)，電池容量增 加大約 5%10%，接下來的一段時(shí)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。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。自放電的大小一般用單位時(shí)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(shí)間后，在同樣規(guī) 定條件下的容量?？紤]到這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)蓄電池充電器時(shí)，應(yīng)能在電池長時(shí)間不用的情況下對電池進(jìn)行補(bǔ)充充電。 鉛酸蓄電池放電過程的電化反應(yīng) 鉛酸蓄電池放電 時(shí)，在蓄電池的電位差作用下，負(fù)極板上的電子經(jīng)負(fù)載進(jìn)入正極板形成電流 I。正極板水解出的氧離子（ O2）與電解液中的氫離子（ H）反應(yīng)，生成穩(wěn)定物質(zhì)水 。 在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（ Pb2+）和硫酸根負(fù)離子（ SO42），由于外電源不斷從正極吸取電子，則正極板附近游離的二價(jià)鉛離子（ Pb2+）不斷放出兩個(gè)電子來補(bǔ)充，變成四價(jià)鉛離子（ Pb4+），并與水繼續(xù)反應(yīng)，最終在正極極板上生成二氧化鉛（ PbO2）。 鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化 從上面可以看出，鉛酸蓄電池放電時(shí)，電解液中的硫酸不斷減少，水逐漸增多，溶液比重下降。實(shí)驗(yàn)表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時(shí)間，并且對電池的容量和壽命也沒有影響。在密封式蓄電池充電過程中，內(nèi)部產(chǎn)生氧氣和氫氣，當(dāng)氧氣不能被及時(shí)吸收時(shí)，便堆積在正極板（正極板產(chǎn)生氧氣），使電池內(nèi)部壓力加大，電池溫度上升，同時(shí)縮小了正極板的面積，表現(xiàn)為內(nèi)阻上升，出現(xiàn)所謂的 極化現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象對蓄電池充電所必須的最短時(shí)間具有重要意義。 0t充 充 充 充充 充 充 充u , i 圖 22 恒流充電曲線 ② 階段充電法 此方法包括二階段充電法和三階段充電法。 u , it0充 充 充 充充 充 充 充 圖 23 二階段法曲線 三階段充電法在充電開始和結(jié)束時(shí)采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最佳充電曲線。但在充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，造成電池報(bào)廢。快速充電技術(shù)近年來得到了迅速發(fā)展。 脈沖充電方式首先是用脈沖電流 對電池充電，然后讓電池停充一段時(shí)間，如此循環(huán)，如圖 25 所示。由于它采用了新型的充電方法，解決了鎳鎘電池的記憶效應(yīng)，因此，大大降低了蓄電池的快速充電的時(shí)間。其特點(diǎn)是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。 ④ 變電壓間歇充電法 在變電流間歇充電法的基礎(chǔ)上又有人提出了變電壓間歇充電法。 ⑤ 變電壓變電流波浪式間歇正負(fù)零脈沖快速充電法 綜合脈沖充電 法、 REFLEXTM 快速充電法、變電流間歇充電法及變電壓間歇充電法的優(yōu)點(diǎn)，變電壓變電流波浪式正負(fù)零脈沖間歇快速充電法得到發(fā)展應(yīng)用。因此，為了保證電池能充電又不過充電，必須采用一定的方法來控制充電的停充問題。常用的電壓控制法有：最高電壓控制，電壓負(fù)增量控制，電壓二次導(dǎo)數(shù)控制。這樣，可能降低電池壽命，也可能損壞電池。 負(fù)增量檢測法的缺點(diǎn)是：電池電壓出現(xiàn)負(fù)增量后，電池已經(jīng)過充電，因此電池溫度較高。 （ 3） 電壓二次導(dǎo)數(shù)控制 這種控制方法是通過檢測電池電壓的二次導(dǎo)數(shù)來實(shí)現(xiàn)控制的，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)電池在充足電時(shí)，電壓的二次導(dǎo)數(shù)將達(dá)到某一個(gè)確定的值，此時(shí)結(jié)束充電即可。充電過程中，達(dá)到預(yù) 定的充電時(shí)間后，定時(shí)器發(fā)出信號，使充電器迅速停止充電或者充電電流迅速降低到浮充電電流。 溫度控制 為了避免損壞電池，電池溫度過低時(shí)不能立即開始快速充電過程，電池充足電后，充入的電量都消耗在電池中，電池的溫度很快上升，電池溫度上升 到規(guī)定數(shù)值后，必須立即停止充電過程。 上述各種控制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。 （ 1） 預(yù)充階段 即涓流充電階段 當(dāng)系統(tǒng)檢測到蓄電池虧電時(shí)，首先以小電流充電，主充電流一般采用 率： ?預(yù) （ ） 式中 5C ：蓄電池的電池容量 當(dāng)電池電壓升至接近額定電壓（一般取 ）時(shí)，進(jìn)入主充電階段。當(dāng)充電電流降低到浮充電流時(shí)，電池已基本充滿，其中： ?浮 （ ） （ 4） 浮充階段 低壓小電流充電階段，以補(bǔ)充電池的自然放電浮充時(shí)，須將充電電壓穩(wěn)定在蓄電池的額定電壓附近（比主充最高限壓 V要低）。 智能充電器的基本功能如下： （ 1） 通過對鉛酸蓄電池的電壓，電流進(jìn)行定時(shí)的檢測，輸入到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)得到的數(shù)值進(jìn)行一系列的處理后輸出到八段碼中，用來告訴用戶充電進(jìn)行到哪個(gè)階段。 針對上述功能，它的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 31所示： 充 充 充 充充 充 充 充 充 充充 充 充P W M 充 充充 充 充 充 充 充 充充 充 充A D u C 8 2 4充 充 充 充 充 充充 充 充 充 充 充 圖 31 智能充電器的硬件結(jié)構(gòu)框圖 其中單片機(jī)采用了由 AD公司生產(chǎn)的 ADuc824，它內(nèi)含有兩個(gè)獨(dú)立的 A/D轉(zhuǎn)換通道和一個(gè) D/A轉(zhuǎn)換通道，并且內(nèi)部還有一個(gè)溫度傳感器，為設(shè)計(jì)外圍電路接口提供了方便。 單片機(jī)部分 ADuC824 的介紹 單片機(jī)選用性價(jià)比較高的 AD公司生產(chǎn)的 ADuC824. ADuC824是 AD公司新推出的高性能單片機(jī)，它在內(nèi)部集成了高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，是目前片內(nèi)資源最豐富的單片機(jī)之一。 ●8051內(nèi)核 可與 8051指令系統(tǒng)兼容 (最高時(shí)鐘頻率 )； 具有 32kHz外部晶振和片內(nèi) PLL； 有 3個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； 內(nèi)含 12個(gè)中斷源、 2個(gè)優(yōu)先級。 圖 32 ADuC824 的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu) ① 雙通道 ∑△ 型 A/D ADuC824 包括兩個(gè)帶有數(shù)字濾波器的 ∑△ ADC 通道 (主通道和輔助通道 )。20mV， 177。 的輸入范圍。如用戶在 EA 置 0 時(shí)上電或復(fù)位，則芯片執(zhí)行外部程序空間的指令而不能執(zhí)行內(nèi)部 8KFlash/EE 程序存儲器空間的指令。另外， ADuC824 還可通過標(biāo)準(zhǔn)的 UART 串行端口下載源代碼。它有一個(gè)軌對軌的電壓輸出緩沖，可驅(qū)動 10kΩ/100pF 的負(fù)載。 ADuC824使用一個(gè) 的外部晶振同時(shí)為 AD 和 CPU 提供時(shí)鐘信號。以上的頻率選擇保證了 AD 調(diào)制器和 CPU 核心的時(shí)鐘同步。 HOUR、MIN、 SEC、 HTHSEC 分別是時(shí)、分、秒、 1/128 秒的寄存器。為了與平時(shí)學(xué)的 80C51 的 12MHz 的晶振頻率一致 ,且易編程， 我們可以對片內(nèi) PLL 的控制寄存器 PLLCON 進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn) 12MHz 的晶振頻率 。經(jīng)過 PWM 高電平脈沖持續(xù)時(shí)間后， PWM 信號變低， MOSFET 截止 ，電感 L1 中的電流減小， L1 兩端的感應(yīng)電動勢使續(xù)流二極管導(dǎo)通， L1中的存儲電流和電 容 C2存儲電荷向電池充電。 TL494 是美國德州儀器公司生產(chǎn)的一種電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制控制集成電路，主要應(yīng)用在各種開關(guān)電源中， TL494 價(jià)格低廉，易購得，和分立單元系統(tǒng)相比，在一個(gè)芯片內(nèi)，同時(shí)解決了電流和電壓調(diào)節(jié)器，脈寬調(diào)制，最大電路限制。圖 36 是它的管腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理 圖，其中 1， 2 腳是誤差放大器 I 的同相和反相輸入端 ； 3 腳是相位校正和增益控制； 4 腳為間歇期 調(diào)整，其上加 電壓時(shí)可使截止時(shí)間從 2%線性變化到100%； 5， 6 腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容； 7 腳為接地端； 8， 9 腳和 11， 10 腳分別為 TL494 內(nèi)部兩個(gè)末級輸出三極管集電極和發(fā)射極； 12 腳為電源供電端； 13腳為輸出控制端，該腳接地時(shí)為并聯(lián)單端輸出方式，接 14 腳時(shí)為推挽輸出方式；14 腳 為 5V 基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流 10mA； 15， 16 腳是誤差放大器 II的反相和同相輸入端。 單端輸出時(shí)TL494 的 Q1和 Q2并在一起輸出 PWM 波 ， 如圖 37 所示。 在這次的設(shè)計(jì)中只用到了 TL494 的誤差放大器 Ⅰ ，故將誤差放大器 Ⅱ 的 V2+（ 16 腳）接地、 V2（ 15 腳）接高電平 [8][9]。 本設(shè)計(jì)采用精密電阻進(jìn)行比例衰減，把輸入電壓量程范圍轉(zhuǎn)化為 AD 轉(zhuǎn)換器的量程范圍，然后經(jīng) RC 濾波，再送給 AD 轉(zhuǎn)換器測量。 （ 2） 電流檢測 在檢測電流時(shí)，電流的取樣通過電阻法取 樣，取樣電流由一個(gè) 100? /2W 的金屬膜電阻完成。它的耐熱性、噪聲電勢、溫度系數(shù)、電壓系數(shù)等電性能比碳膜電阻器優(yōu)良。 電路實(shí)現(xiàn)簡單，缺點(diǎn)是檢流電阻會分壓而影響被檢測原電路，但本充電電路的被檢測電流是直流電流，數(shù)值大到數(shù)個(gè)安培。即兩路光藕的輸入輸出電流之比為 3211IIII? （ ） 因?yàn)?A/D 的輸入阻抗很高，所以 215 3 1 2 1 1 266 i