【正文】 負(fù)極接線端子用鉛合金制成，采用全密封結(jié)構(gòu)，并用瀝青封口。蓄電池的容量 (C)指的是它的蓄電能力。蓄電池的額定容量 (C)通常作為電池充放電速率的單位。電池的壽命分為循環(huán)壽命和浮充壽命兩種。在正常維護(hù)條件下，蓄電池 浮充供電的時(shí)間，稱為浮充壽命，通常免維護(hù)電池的浮壽命可達(dá) 10 年以上。 目前常用的充電模式 常規(guī)充電有以下四種：①恒流充電法，其優(yōu)點(diǎn)是控制方法簡單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)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，使出氣太多；②階段充電法（此方法包括二階段充電法和三階段充電法），這種方法可以將出氣量減少到最少，但作為一種快速充電方法受到一定的限制。以上充電方式優(yōu)點(diǎn)是充電方法簡單，易于控制，充電快速而安全，可以及時(shí)補(bǔ)償蓄電池電量。 充電模式的確定 隨著各種蓄電池技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外電池充電技術(shù)也不斷更新，目前多模式智能充 畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 電技術(shù)被認(rèn)為是最佳充電技術(shù)。圖 21 所示是四模式充電狀態(tài)曲線。假設(shè)一組完全放電的電池，充電器通常按如下規(guī)律對其充電 ： 狀態(tài) 1:涓流充電 如果電池電壓低于閾值電壓，充電器將用預(yù)先設(shè)定的涓流充電電流 (ITRICKLE)給電池充電。如果電池電壓在充電周期開始就高于其 閾 值電壓時(shí)，則跳過涓流充電直接進(jìn)入大電流快速充電模式。最大電流與電池容量 (C)有關(guān)，往往以電池容量的數(shù)值來表示 （ IBULK= C/10~C/2 ） 。當(dāng)電池電壓上升到過充電壓 (Voc)時(shí)，大電流快速充電模式結(jié)束，充電器轉(zhuǎn)入過充電狀態(tài)。在過充電狀態(tài)下， 以過充電電流（ IOCT）給電池充電，電池端電壓隨著過充電的進(jìn)行有所下降，當(dāng)系統(tǒng)檢測到電池端電壓下降到浮充電壓（ VFLOAT）時(shí)， 電池容量已達(dá)到額定容量的 100%（理想情況下） ，充電過程實(shí)質(zhì)上已經(jīng)完成，充電器轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài) ，過充電電流（ IOCT） 一般等于 IBULK/5。在浮充電模式下，充電器輸出電壓下降到較低的浮充電壓值 (VFLOAT)，充電電流通常只有 10— 30mA（ 1/20C,C 為 蓄電池的容量 ） ，用以補(bǔ)償電池因自身放電而 損失的電量。多模式智能電池充電器在滿足這些要求的同時(shí)可提供盡可能多的功能和設(shè)計(jì)的靈活性，使之具有更多優(yōu)點(diǎn)：適時(shí)檢測充電情況并按預(yù)定的充電方案對電池充電 。充滿電進(jìn)行聲光報(bào)警并自動轉(zhuǎn)入浮充電狀態(tài)，最大限度地保證電池的容量。因此更能適應(yīng)電壓范圍寬、適于惡劣環(huán)境的應(yīng)用。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 3 電動自行車智能充電器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 一個(gè)安全可靠的充電器需要能夠在電池充電過程中嚴(yán)格控制電池的充電電流、電壓、溫度等物理參數(shù)。本章首先對 PIC16F73 單片機(jī)的主要功能特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要敘述，然后介紹智能充電器 的原理和控制技術(shù)，最后介紹電動自行車智能充電器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。具有可擦寫 FLASH 存儲器、高性能 RISC 結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成 A/D模擬量轉(zhuǎn)換器、 PWM 脈寬調(diào)制輸出、 SPI 串行總線技術(shù)、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串行通信(USART)接口。執(zhí)行速度 :DC—20MHz 振蕩時(shí)鐘，是普通單片機(jī)執(zhí)行速度的幾 倍 [9]。它采用的總線結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)優(yōu)越，該總線配備獨(dú)立的數(shù)據(jù)線和指令線，程序和數(shù)據(jù)存貯在不同的存貯器中，這樣，使指令執(zhí)行和取指操作可以同時(shí)進(jìn)行，因而可達(dá)到很高的執(zhí)行速度 (20MHz 振蕩頻率下指令周期僅為 200ns)。 PIC16F73 內(nèi)帶有 IK14 程序存儲器，不需外接程序存儲器，是一種真正的單片式微控制器，編程非常簡單靈活而且效率高。若檢測到電池端電壓高于最大設(shè)定電壓 ?；虺霈F(xiàn)負(fù)電壓增量等，系統(tǒng)立即停止大電流充電，進(jìn)入浮充維護(hù)狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。根據(jù)充電電池的原理，將 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 動力電池的充電特性曲線分為四個(gè)階段，具體見圖 31。當(dāng)檢測到充電電流下降到足夠小時(shí)，說明電池充電已滿，此時(shí)若立即停止充電過程，電池會自放電。 電池充滿電后，如果不能及時(shí)停止充電，電池的溫度會迅速上升。為保證電池充足電又不過充，可以采用 定時(shí)控制、電壓控制、溫度控制和綜合控制等多種方法來終止充電過程。采用恒流充電法時(shí)，根據(jù)電池的容量和充電電流的大小，可以很容易的確定所需要的充電時(shí)間。 定時(shí)控制法的缺點(diǎn) :由于電池的容量在充電前無法準(zhǔn)確知道，電池在充電過程中的發(fā)熱會使電池電量有所損失，因此實(shí)際的充電時(shí)間很難確定。 :在電壓控制法中，最容易檢測到的是電池的最高電壓。 (1)最高電壓 (VMAX):從充電特性曲線可以看出，電池電壓達(dá)到最大值時(shí)，電池即充足，應(yīng)立即停止快速充電。 (2)電 壓負(fù)增量 (△ V):電池電壓的負(fù)增量與電池組的絕對電壓無關(guān)，而且不受環(huán)境溫度和充電率等的影響，因此這種方法可以很準(zhǔn)確地判斷電池是否已充足電。 (3)電壓零增量 (0△ V):鎳氫電池充電器中，為了避免等待出現(xiàn)電壓負(fù)增量的時(shí)間過長而損壞電池，通常采用 0△ V 控制法。目前大多數(shù)鎳氫電池快速充電器都采用高 靈敏的 0△ V 檢測，當(dāng)電池電壓略有下降時(shí)，立即停止快速充電。電池溫度控制主要有最高溫度 (TMAX)和溫度變化率 (△ T/△ t)兩種。電池的溫度可通過與電池裝在一起的熱敏電阻來檢測。 (2)溫度變化率 (△ T/△ t):鎳氫和福鎳電池充足電后，電池溫度會迅速上升，且上升 率△ T/△ t 基本相同，當(dāng)電池溫度每分鐘上升 1℃時(shí)，應(yīng)該立即終止快速充電。 采用溫度控制法時(shí)，由于熱敏電阻響應(yīng)時(shí)間較長，再加上環(huán)境溫度的影響，不能準(zhǔn)確的檢測電池是否充足電。為了保證在任何情況下均能可靠地檢測到電池充足電的狀態(tài)，可采用具有溫度控制和電池電壓控制功能的綜合控制法。 表 31 智能充電器主要參數(shù) 電池參數(shù) 名稱 定義及計(jì)算公式 取值 V 電池組電壓 12V NC 單格電池?cái)?shù)量 串聯(lián)電池個(gè)數(shù) 6 C 電池組容量 2Ah VD 單格大電流充電電壓 25176。 C，滿充狀態(tài) 單格最大電壓 25176。 C TMAX 電池允許最高溫度 40176。 電源部分： 由電源變壓器、橋式整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成。主要功能是接收來自系統(tǒng)的電壓、溫度、電流大小、電池充滿百分比以及故障信息，并按要求給予實(shí)時(shí)顯示。 圖 32 所示是智能充電器結(jié)構(gòu)框圖 [17]。電路圖見圖33 所示。若電源準(zhǔn)備就緒，發(fā)光二極管 POWER 亮，顯示電源正常。本電路選用的是頻 畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 率可達(dá) 120KHz，繞組耦合性能好、分布電容、電感不太大的變壓器。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，考慮安全裕量，選擇整流二極管模塊為 LSM345，最大允許電流為 3A。尤其是集成穩(wěn)壓器內(nèi)部具有多種保護(hù)功能，包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)和過熱保護(hù)等。 濾波電容 Cl選擇 100μF/25V的電解電容 。在本電路中，因?yàn)殡娫吹拈_關(guān)頻率較高，一般的電容器的電容損耗較大，電感量較大，當(dāng) 頻率增加時(shí)，衰減很大，無法滿足要求。 主控電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)內(nèi)核集成的 PWM 脈寬調(diào)制電路和 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ A/D）、 BUCK 變換器組成開關(guān)型電流控制回路，即為本設(shè)計(jì)的主控電路。 圖 34 智能充電器主控電路圖 畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 一、開關(guān)型電流控制回路（主控電路） 變換器的開關(guān)原理 開關(guān)電源是電路中容易發(fā)生故障的部分，因此開關(guān)管的選擇要十分謹(jǐn)慎。該管是專用的開關(guān)管，防止二次擊穿性能較好。 圖 35 BUCK 變換器開關(guān)原理 當(dāng)開關(guān)管接通時(shí) (原理圖中以一個(gè)開關(guān)表示 )，電流按圖 (A)所示方向流動，電容通過電感被充電 (電感也吸收了能量 )。如果減少占空比，開通時(shí)間減少，斷開時(shí)間增加，則輸出電壓也將下降。在占空比為 50%時(shí)， BUCK 變換器的效率最高。 充電電流是由 PWM 脈寬調(diào)制電路 (單片機(jī)內(nèi)核集成 )的輸出調(diào)節(jié)的。 通用型三極管 C1815 是激勵放大管 (或稱末前級放大管 )，利用它將 PWM 輸出信號進(jìn)行電壓 放大，給功率放大輸出級以足夠的驅(qū)動電壓。 表 32 BUCK 變換器主要參數(shù) 參數(shù) 名稱 計(jì)算公式 取值 最小輸入電壓 18V 最大輸入電壓 30V 開關(guān)頻率 20kHz VD1F D1 壓降 大電流充電狀態(tài) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 VD2F D2 壓降 大電流充電狀態(tài) △ 電感紋波電流 △ = L1 變換器輸出電感 sMAXLMAXIN fI VL 4.1.1 ??? DMAX 最大占空比 FDM ININFDFDM A XBATM A X VV VVVD2.21. ? ??? DMIN 最小占空比 FDM ININFDFDM INB A TM IN VV VVVD2.21. ? ??? D1 擊穿電壓 MA XBATRRM VV .? 額定電流 BULKOMIN II 2? D2 擊穿電壓 MAXINRRM VV .? 45V 額定電流 BULKOMIN II 2? Q1 BUCK 主開關(guān) MOSFET 晶體管 IRF630 擊穿電壓 MAXINDSSQ VV ..1 .51? 45V 額定電流 BULKQ II 41 ? C6 輸出電容額定電壓 MAXBATC VV .5 .51? 1000uF/25V 反向最大電流 1..5 ?? 108mA 開關(guān)管最大輸出電流 PWM 脈寬調(diào)制作為占空比調(diào)節(jié)，來控制涓流充電、大電流充電、過充電、浮充電，完成四個(gè)狀態(tài)充電的過程。同時(shí)扼流線圈作為儲能電感使用并與相接的電容組成 LC濾波電路。本設(shè)計(jì)中由于單片機(jī)內(nèi)核中集成了 PWM 驅(qū)動單元，它能 畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 向系統(tǒng)提供更為準(zhǔn)確的數(shù)字電壓 (0~5V)[7]。如圖 26 所示 ： 圖 36 PWM 輸出 PWM 電壓輸出計(jì)算公式 : VPWM=VCCD% (25) 其中 (D%)為高電平的占空比 四種充電狀態(tài)對應(yīng)的 PWM 電壓輸出計(jì)算結(jié)果見表 23 表 33 PWM 輸出電壓 充電狀態(tài) VPWM 電壓輸出 充電電流 涓流 5V4%= Ia=40mA 大電流 5V100%=5V Imax=700mA 過充 5V20%=1V Imax/5=Ia, Ia=140mA 浮充 5V2%= Ia=20mA （ A/D）模塊 8位模數(shù)（ AnalogtoDigital， A/D）轉(zhuǎn)換器模塊具有 4路輸入（ RA0、 RA RARA3）， A/D能將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的 8位數(shù)字量?？赏ㄟ^軟件選擇模擬參考電壓為器件的正電源電壓（ VDD）或 RA3/AN3/VREF 引腳上的電壓。這些寄存器是： ? A/D 結(jié)果寄存器（ ADRES） ? A/D 控制寄存器 0（ ADCON0） ? A/D 控制寄存器 1（ ADCON1） A/D 模塊的工作由 ADCON0寄存器控制。端口引腳可以被配置成模擬輸入（ RA3還可以作為參考電壓）或者數(shù)字 I/O。電流取樣放大電路，是把取樣后的電流以電壓形式送回到 PWM 比較器中去比較，從而決 定輸出的占空比。為了提高測量精度，取樣得到的電壓通過集成運(yùn)算放大器 LM324 放大，然后再回饋到 PIC 中。 電流檢測取樣電路見圖 37 所示： 圖 37 電流檢測電路 ）（ 631 i87 URRU O ????????? ?? 畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 二、輸入電