【正文】 ..................... I Instruction: ........................................................ III 緒論 .................................................................. 1 1 概述 ................................................................ 2 鎳氫電池的發(fā)展?fàn)顩r及其應(yīng)用領(lǐng)域 ............................... 2 鎳氫電池的簡(jiǎn)述 ................................................ 3 2 鎳氫電池的充電原理 .................................................. 4 充電相關(guān)術(shù)語(yǔ) ................................................. 4 鎳氫電池的工作原理和電化學(xué)原理 ................................ 6 鎳氫電池的工作原理 ...................................... 6 鎳氫電池充放電時(shí)的電化學(xué)原理 ............................ 6 鎳氫電池的特性 ................................................ 8 鎳氫電池的充放電特性曲線 ................................ 8 鎳氫電池的使用壽命 .................................... 10 鎳氫電池充電、放電過(guò)程中的注意事項(xiàng) .................... 10 充電方法、過(guò)程及充電終 止控制方法 ............................ 11 充電方法 .............................................. 11 充電過(guò)程 ............................................... 13 充電終止控制方法 ....................................... 13 3 硬件電路的設(shè) 計(jì) ..................................................... 15 電路整體框架 ................................................. 15 控制芯片 AT89C2051 簡(jiǎn)介 ....................................... 15 充放電路的設(shè)計(jì) ............................................... 17 電壓 變換和模擬開(kāi)關(guān)選通電路設(shè)計(jì) .............................. 18 LF353 簡(jiǎn)介 ............................................. 19 TL431 簡(jiǎn)介 ............................................. 20 CD4051 簡(jiǎn)介 ............................................ 22 電路功能及參數(shù)的確定 ................................... 24 A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) ............................................. 25 電路其他組成部分 ............................................ 26 電路工作過(guò)程分析 ............................................ 26 誤差分析及解決辦法 ........................................... 27 A/D 轉(zhuǎn)換誤差分析 ....................................... 27 誤差解決辦法 .......................................... 28 影響 A/D 轉(zhuǎn)換速度的因素及提高辦法 ............................. 28 4 程序設(shè)計(jì) ........................................................... 29 設(shè)計(jì)整體思路 ................................................ 29 主程序代碼設(shè)計(jì) .............................................. 30 子程序設(shè)計(jì) .................................................. 34 5 結(jié)論 ............................................................... 37 參考文獻(xiàn) ............................................................. 39 附錄 A 系統(tǒng)電路圖 ..................................................... 40 附錄 B 主要源代碼 ..................................................... 41 致謝 ................................................................. 50 I 鎳氫電池智能充電器的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)總說(shuō)明 : 最近幾年以來(lái)，數(shù)碼技術(shù)的發(fā)展使人們對(duì)能源的要求越來(lái)越高，作為能源市場(chǎng)上的佼佼者，性?xún)r(jià)比高的鎳鎘鎳氫電池可滿(mǎn)足很多方面的需求，得到了眾人的青睞，各種鎳鎘鎳氫電池的充電器也得到了很大發(fā)展。鎳氫電池具有較好的低放電特性，即使在 20 攝氏度環(huán)境溫度下，采用大電流放電，放出的電量也能達(dá)到標(biāo)稱(chēng)容量的 85%以上。因此中國(guó)鎳氫電池的研制與開(kāi)發(fā)，受到了國(guó)家八六三計(jì)劃的大力支持，被列為“重中之重”項(xiàng)目。本設(shè)計(jì)的硬件電路中，充電和電壓變換部分屬于模擬電路，而控制部分屬于數(shù)字電路，連接這兩部分電路的一個(gè)重要組成部分是 A/D 轉(zhuǎn)換電路。本設(shè)計(jì)中用到了 A/D 轉(zhuǎn)換，第三章最后對(duì)影響該 A/D 轉(zhuǎn)換電路的因素做了詳細(xì)分析并給出了誤差解決方案。 鎳氫電池的能量高，為鎘鎳電池的 倍，為鉛酸電池的 3 倍。 據(jù)中投顧問(wèn)發(fā)布的《 20xx20xx 年中國(guó)電池行業(yè)投資分析及前景預(yù)測(cè)報(bào)告》顯示，現(xiàn)有混合動(dòng)力電池 99%的市場(chǎng)份額為鎳氫動(dòng)力電池，商業(yè)化的代表是豐田的普銳斯。 作為電動(dòng)汽車(chē)核心部分的電池及其充電器，其性能的優(yōu)劣直接影響電動(dòng)汽車(chē)的質(zhì)量狀況。 單體鎳氫電池的結(jié)構(gòu)是密封圓柱形，標(biāo)稱(chēng)電壓為 ，它主要有以下特點(diǎn)： （ 1）容量大。過(guò) 放電能力強(qiáng)，鎳氫電池充電、放電比較隨便，即使過(guò)充電也不會(huì)造成電池永久性損傷，電池放電到 0V 以后再充電，仍然能夠恢復(fù)鎳氫電池的容量。 2 鎳氫電池的充電原理 充電相關(guān)術(shù)語(yǔ) 為了更好地理解鎳鎘鎳氫充電電池的特性，下面先簡(jiǎn)單介紹一下幾個(gè)和充電電池相關(guān)的術(shù)語(yǔ)： （ 1）充電速率（ Crate） C 是 Capacity 的第一個(gè)字母，用來(lái)表示電池充放電時(shí)電流的大小數(shù)值，以 mAh 第 5頁(yè) 共 50頁(yè) 或 Ah 表示。 （ 6）能量密度（ Energy density） 電池的平均單位體積或質(zhì)量所 釋放出的電能稱(chēng)為能量密度。 A 金屬控制著氫的吸藏量，而 B 金屬控制著吸放氫氣的可逆性。 (5) 初期活化的次數(shù)少。 鎳氫電池過(guò)量充電時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)如下： 正極 : OHOeOH 22 244 ???? (27) 負(fù)極 : ???? OHHeOH 222 22 (28) 總反應(yīng) : 222 22 OHOH ?? (29) 再化合： OHOH 222 22 ?? (210) 從鎳氫電池過(guò)量充電時(shí)的電化學(xué)方程式可以看出，鎳氫電池過(guò)量充電時(shí)，正極板析出氧氣，負(fù)極板析出氫氣。 圖 24 鎳氫電池在不同 儲(chǔ)存溫度下的保存電量特性曲線 鎳氫電池智能充電器的設(shè)計(jì) 第 10頁(yè) 共 50頁(yè) 鎳氫電池的循環(huán)壽命曲線如圖 25 所示。 鎳氫電池充電、放電過(guò)程中的注意事項(xiàng) 在鎳氫電池充電過(guò)程中應(yīng)注意以下事項(xiàng)： (1) 充電溫度。應(yīng)避免鎳氫電池過(guò)充電，反復(fù)的過(guò)充電會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池性能下降 (過(guò)充電是指對(duì)已經(jīng)充滿(mǎn)電的鎳氫電池再繼續(xù)充電 )。在 ～ 2CmA范圍內(nèi)，鎳氫電池的放電效率比較理想。 快充和慢充的概念如下： 鎳氫電池智能充電器的設(shè)計(jì) 第 12頁(yè) 共 50頁(yè) 首先一個(gè)充電電池的容量一定，其單位是 mAh，如果充電電流大，那么相應(yīng)的充電時(shí)間就應(yīng)該短，這就是快充，反之亦然。 下面引入恒流充電和脈沖充電的概念。另外，在充電脈沖和放電脈沖之間均要求插入一段停止充電的階段，以保證電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)正常進(jìn)行。 （ 2）快速充電：如前面所述，這是主要的充電階段。但由于電池的起始充電狀態(tài)不完全相同，有的電池充不滿(mǎn)，有的電池過(guò)充，所以只有充放電脈沖 倍放電脈沖寬度 15－ 20 倍放電時(shí)間 充電脈沖 鎳氫電池智能充電器的設(shè)計(jì) 第 14頁(yè) 共 50頁(yè) 電速率小于 ，才允許采用這種方法。它的缺點(diǎn)是：電池電壓出現(xiàn)負(fù)增量后，電池已經(jīng)過(guò)充電，因此電池的溫度較高。 （ 4）綜合控制：上述控制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了保證在任何情況下，充電器均能準(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定時(shí)控制，電壓控制，溫度控制，高精度電壓負(fù)增量的綜合控制方法。器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。 Pl 口輸出緩沖器可灌(RXD) (TXD) XTAL2 RST/VPP XTAL1 (INT0) (INT1) (T0) (T1) GND VCC (AIN1) (AIN0) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 第 17頁(yè) 共 50頁(yè) 入 20mA 電流并可直接驅(qū)動(dòng) LED。其中 R1 R1 V V4 構(gòu)成大電流充電電路； R1 R1V V6 構(gòu)成放電電路； R1 R1 V7 構(gòu)成涓流充電電路。涓流充電電路中電流為 50mA， V7 放大倍數(shù)設(shè)為 100，計(jì)算得到 R15 為 39Ω， R16 為 910Ω。它的引腳如圖 34 所示。 （ 6）低輸入偏流。 陰極(K)陽(yáng)極(A)參考(R) 圖 35 TL431 符號(hào)圖 2 . 5 V re f參考(R)陽(yáng)極(A)陰極(K) 圖 36 TL431 原理圖 圖 35 是該器件的符號(hào)。 第 21頁(yè) 共 50頁(yè) ④ 1mA～ 100mA 的灌電流能力。當(dāng)然，這個(gè)電路并不是很實(shí)用，但它清晰地展示了該器件的應(yīng)用方法。 CD4051 是 8 選 1 多路模擬開(kāi)關(guān)，它由邏輯電平轉(zhuǎn)換電路、 8 選 1 譯碼電路和 8個(gè) CMOS 開(kāi)關(guān)單元 S1～ S8 三部分組成，其引腳如圖 39 所示，原理如圖 310 所示 。 （ 3）高開(kāi)路阻抗，當(dāng) VDDVEE＝ 18V 時(shí)，漏極電流典型值為177。 8 7 VSS VEE 11 10 9 6 A B C INH TG TG TG TG TG TG TG TG 4 2 6 1 12 15 16 13 7 6 5 4 3 2 1 0 地址輸入輸出 3 串行輸 出輸入 邏輯電平轉(zhuǎn)換 帶禁止端的二進(jìn)制地址譯碼 16 VDD 鎳氫電池智能充電器的設(shè)計(jì) 第 24頁(yè) 共 50頁(yè) 電路功能及參數(shù)的確定