【正文】 B D r a w n B y:C1 C2L1 L2U1R23KR310R65 00R45 00R11 00R73KT11234B R I D G E 1C30 .1 uM O S F E T PD1C40 .1 u蓄電池2 20 VR11 00+ 12GNDGND++ 12+ 12U 1 AL M 3 24V o +V o P W MV i n 2 V1V2I1I2I R F 9 54 0I N 4 0 012 50 0 u / 2 5V2 50 0 u / 2 5VVsT e x t 圖 35 充電電源電路 控制電路 控制電路用來(lái)產(chǎn)生 PWM 波，在這里采用了 TL494 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 本次設(shè)計(jì)只采用一組 PWM 輸出 ， 故 TL494 采用單端輸出方式 。 （ 1） 電壓檢測(cè) 電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)主要考慮的問(wèn)題是 :在正常充電的過(guò)程中，電池端電壓Ubat 的變 化范圍是 0V到 15V， 要使單片機(jī)檢測(cè) Ubat 的變化映射到 0V到 5V的范圍內(nèi)，在測(cè)量中，需要用低壓器件去測(cè)量高壓、強(qiáng)電流模擬量，如果模擬量與數(shù)字量之間沒(méi)有電氣隔離，那么，高電壓、強(qiáng)電流很容易串入低壓器件，并將其燒毀。刻槽和改變金屬膜厚度可以控制阻值。根據(jù)虛地原理，有 1V = 2V ， 所以有 21266VVI RR?? （ ） 由于光藕 3AU 和 3BU 的原邊電流相同，且 2 個(gè)光藕制造工藝相同，所以，可近似地認(rèn)為它們的電流放電倍數(shù)是相同的。金屬膜電阻器的制造工藝比較靈活，不僅可以調(diào)整它的材料成分和膜層厚度，也可通過(guò)刻槽調(diào)整阻值，因而可以制成性能 良好，阻值范圍較寬的電阻器。線(xiàn)性光藕可以較好的實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)和輸出側(cè)之間的隔離，且輸出側(cè)跟隨輸入變化，線(xiàn)性度達(dá) %。 C 1E 1C 2E 2QCQES i n g l e E n d e dO u t p u t C o n t r o lQ1Q2 圖 37 單端 輸出連接圖 檢測(cè)到的電池電 流 轉(zhuǎn)換為 05V 的電信號(hào)，通過(guò)簡(jiǎn)單濾波電路進(jìn)行平滑、去除雜波干擾后的 CURRENT/AIN1 送給 TL494 的誤差放大器 Ⅰ 的 V1 +同相輸入端。芯片內(nèi)還設(shè)有附加監(jiān)控保護(hù)功能，使得它可獲得更優(yōu)良的工作性能 ，提高了抗干擾能力和可靠性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔，縮小了空間。 當(dāng)電壓檢測(cè)量 VOLTAGE/AIN3 和電流檢測(cè)量 CURRENT/AIN1 送入到單片機(jī)的兩個(gè)獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，單片機(jī)將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，進(jìn)而進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)分析，確定充電進(jìn)入 充電四個(gè)階段的 哪個(gè)階段，同時(shí)將轉(zhuǎn)化的數(shù)字量通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換送到 TL494 的放大器的同相輸入端 DTC， 單片機(jī)在確定充電進(jìn)入哪個(gè)階 段后，將通過(guò) P0 口輸出給 8 段碼顯示，用來(lái)告訴用戶(hù) 當(dāng)前電池的 充電 的狀態(tài) ，并且當(dāng)充電結(jié)束時(shí)，單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)蜂 鳴器發(fā)聲，提醒用戶(hù)充電已結(jié)束 [6][13][17]。 PLL 的控制寄存器是 PLLCON。它有兩個(gè)輸出范圍： 0 到 VREF 和 0到 AVDD，能以 8 位或 12 位模式工作。若 EA 被置 0，則從內(nèi)部 8KFlash/EE 開(kāi)始執(zhí)行程序。40mV， 177。 ●電源 可用于 3V或 5V操作； 一般情況下為 3mA/3V(核心時(shí)鐘頻率為 )； 掉電保持電流為 20μA(32kHz的晶振運(yùn)行頻率 )。 PWM電路是通過(guò) TL494芯片通過(guò)數(shù)據(jù)的采集輸出一定寬度的脈沖波來(lái)控制電池的充電階段， 從而實(shí)現(xiàn)充電電池的智能型充電。因此，充電電流與主充時(shí)相 比很小，但是，由于工作情況的復(fù)雜性，浮充時(shí)也有電流較高的可能（如電池 嚴(yán)重虧電，漏電，負(fù)荷過(guò)重等）。為了保證在任何情況下，均能準(zhǔn)確可靠地控 制電池的充電狀態(tài)，目前快速充電器中通常采用包括時(shí)間控制，電壓控制和溫度控制的綜合控制法。這樣可以避免電池長(zhǎng)時(shí)間大電流過(guò)充電。此外，鎳氫電池充足電后，電池電壓要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才出現(xiàn)負(fù)增量，過(guò)充電 較嚴(yán)重。 （ 1） 最高電壓控制 從充電特性曲線(xiàn)可以看出，電池電壓達(dá)到最大值時(shí)，電池即充足電。脈沖充電法充電電路的控制一般有兩種： 其一為 脈沖電流的幅值可變，而 PWM（驅(qū)動(dòng)充放電開(kāi)關(guān)管）信號(hào)的頻率是固定的 ；其二為 脈沖電流幅值固定不變， PWM 信號(hào)的頻率可調(diào)。充電前期的各段采用變電流間歇充電的方法，保證加大充電電流，獲得絕大部分充電量。充電脈沖使蓄電池充滿(mǎn)電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)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(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。鑒于這種缺點(diǎn)，恒壓充電很少使用，只有在充電電源電壓低而電流大時(shí)采用。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時(shí)，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段。 一般來(lái)說(shuō)，常規(guī)充電有以下 3 種。原則上把這條曲線(xiàn)稱(chēng)為最佳充電曲線(xiàn)，從而奠定了快速充電方法的研究方向。 在負(fù)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），由于負(fù)極不斷從外電源獲得電子，則負(fù)極板附近游離的 二價(jià)鉛離子（ Pb2+）被中和為鉛（ Pb），并以絨狀鉛附著在負(fù)極板上。同時(shí)在電池內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。自放電通常與環(huán)境溫度有密切聯(lián)系。當(dāng)電池的老化達(dá)到一定程度時(shí)，這個(gè)電池就報(bào)廢了。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(kāi)路狀態(tài)時(shí)，所測(cè)得的電池兩極間的電壓稱(chēng)為電池的開(kāi)路電壓； ② 當(dāng)蓄電池充 電時(shí)所測(cè)得的電壓稱(chēng)為電池的充電電壓； ③ 電池放電時(shí)測(cè)得的電壓稱(chēng)為放電電壓。這極易對(duì)電池造成永久性損 害，影響蓄電池的使用壽命。 （ 2） 蓄電池的內(nèi)阻（ 內(nèi)R ） 內(nèi)阻（ 內(nèi)R ）又稱(chēng)全內(nèi)阻，是指電流通過(guò)蓄電池時(shí)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)。 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。 在我國(guó)的研究發(fā)展比較晚，因其體積小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，輸出紋波小，效率高等特點(diǎn)，近年 來(lái)得到國(guó)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(duì)于相控電源來(lái)說(shuō)，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(chǎng)合，相控式的充電器仍然占有較大比重。 單獨(dú) 采用恒流 充電限壓充電和恒壓限流充電等模式對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電，蓄電池的充電效果不是很理想。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(zhǎng)時(shí)間的充電模式。基于單片機(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 。特別適合由許多電池串聯(lián)起來(lái)的蓄電池組。 它的缺點(diǎn)是：充電初期，如果蓄電池放電深度過(guò)大，充電電流會(huì)很低，后期充電電流又過(guò)小，充電時(shí)間長(zhǎng)；此外蓄電池端電壓的變化也很難補(bǔ)償，充電過(guò)程中對(duì)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(guò)重等）這時(shí)應(yīng)采取限流措施，保持電流不超過(guò)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?，F(xiàn)在國(guó)外已研制成功只要用一小時(shí)就可以充滿(mǎn)蓄電池的大功率充電器，在體積上也越來(lái)越小，現(xiàn)在最小的大功率充電器 只有一個(gè)書(shū)包大小。容量分為理論容量、實(shí)際容量和額定容量。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。 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(huì)迅速下降，形成過(guò)放電。 （ 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。 （ 7） 電池的老化 電池的老化是指另外一種現(xiàn)象：電池在開(kāi)始使用的一段時(shí)間內(nèi)，電池容量增 加大約 5%10%，接下來(lái)的一段時(shí)間，電池的容量大約不變，然后開(kāi)始慢慢減 少，即開(kāi)始了電池的老化過(guò)程。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(lái)表示，見(jiàn)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(chǔ)一段時(shí)間后，在同樣規(guī) 定條件下的容量。 鉛酸蓄電池放電過(guò)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。 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(lái)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）。實(shí)驗(yàn)表明，如果充電電流按這條曲線(xiàn)變化，就可以大大縮短充電時(shí)間，并且對(duì)電池的容量和壽命也沒(méi)有影響。這個(gè)現(xiàn)象對(duì)蓄電池充電所必須的最短時(shí)間具有重要意義。 u , it0充 充 充 充充 充 充 充 圖 23 二階段法曲線(xiàn) 三階段充電法在充電開(kāi)始和結(jié)束時(shí)采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。但在充電初期電流過(guò)大，對(duì)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。 脈沖充電方式首先是用脈沖電流 對(duì)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。其特點(diǎn)是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。 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。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。 負(fù)增量檢測(cè)法的缺點(diǎn)是：電池電壓出現(xiàn)負(fù)增量后，電池已經(jīng)過(guò)充電，因此電池溫度較高。充電過(guò)程中，達(dá)到預(yù) 定的充電時(shí)間后，定時(shí)器發(fā)出信號(hào)，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。 上述各種控制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)充電電流降低到浮充電流時(shí)，電池已基本充滿(mǎn)，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）。 針對(duì)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。 ●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(jí)。20mV， 177。如用戶(hù)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(chǔ)器空間的指令。它有一個(gè)軌對(duì)軌的電壓輸出緩沖，可驅(qū)動(dòng) 10kΩ/100pF 的負(fù)載。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。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(duì)片內(nèi) PLL 的控制寄存器 PLLCON 進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn) 12MHz 的晶振頻率 。 TL494 是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的一種電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制控制集成電路，主要應(yīng)用在各種開(kāi)關(guān)電源中， TL494 價(jià)格低廉，易購(gòu)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。 單端輸出時(shí)TL494 的 Q1和 Q2并在一起輸出 PWM 波 ， 如圖 37 所示。 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(cè)量。它的耐熱性、噪聲電勢(shì)、溫度系數(shù)、電壓系數(shù)等電性能比碳膜電阻器優(yōu)良。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