【正文】 hieve fast charging lithiumion, nickelcadmium, nickel metal hydride batteries. Key words : fast charge 。 control circuit目錄中文摘要 I英文摘要 II1 緒論 1 1 1 2 課題主要研究?jī)?nèi)容 22 數(shù)字化快速充電器理論分析 4 4 5 5 恒壓充電 6 快速充電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析 7 7 93 數(shù)字化快速充電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 11 12 13 AC/DC轉(zhuǎn)換電路 13 DC/DC變換器電路的設(shè)計(jì) 14 18 19 20 5V供電電路 20 21 21 21 22 22 234 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 255 總結(jié) 26致謝 27參考文獻(xiàn) 28畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 29畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 30附錄 31附錄A實(shí)驗(yàn)原理圖 31附錄B印制電路板 32III1 緒論1 緒論 電源技術(shù)是一切設(shè)備的基礎(chǔ)技術(shù)，其水平的高低，直接影響整體性能，形象地講，電源猶如心臟，是電設(shè)備的供電系統(tǒng)，維持著全系統(tǒng)的正常運(yùn)行，標(biāo)志電源特性的參數(shù)有功率、電壓、頻率、噪聲及帶載時(shí)參數(shù)的變化等等，在同一參數(shù)的要求下，又有體積、重量、效率和可靠性能指標(biāo)。智能供電系統(tǒng)是一種典型的ACDC供/充電系統(tǒng)，它不但要把交流220V市電轉(zhuǎn)換成需要的低壓直流電，輸入給無線通信機(jī)，還能給通信機(jī)內(nèi)的蓄電池（包括鋰離子、鎳鎘、鎳氫等種類）充電，以備移動(dòng)時(shí)給通信機(jī)供電。目前，配備給通信機(jī)的電源系統(tǒng)，由于大都屬于70年代開發(fā)的產(chǎn)品，技術(shù)上存在的問題如下：（1） 故障率高，而且維修困難，經(jīng)常影響作訓(xùn)的正常進(jìn)行；（2） 由于有些電池性能比較差，充電器缺乏自適應(yīng)性，經(jīng)常出現(xiàn)因“過沖”而損壞電池或因“充不滿”而影響作訓(xùn)的非常情況；（3） 體積大，笨重，而且效率低，不適應(yīng)現(xiàn)代化裝備要求；（4） 不具備對(duì)新一代“數(shù)字化電池”的充電功能，針對(duì)如上缺點(diǎn)，使用部門多年來一直尋求一種高性能新型電源系統(tǒng)，以便滿足國(guó)防建設(shè)和特殊行業(yè)的要求。因此需要對(duì)充電過程進(jìn)行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時(shí)間，達(dá)到最大的電池容量，并防止電池?fù)p壞。從二十世紀(jì)六十年代的商用鎳鎘和密封鉛酸電池到近幾年的鎳氫和鋰離子技術(shù)，可充電電池容量得到了飛速發(fā)展。 目前所裝備的充電器大都采用固定模式對(duì)電池進(jìn)行充電，缺乏自適應(yīng)能力，不能實(shí)時(shí)控制充電狀態(tài)。為了解決目前存在的諸多問題，同時(shí)適應(yīng)未來電子0裝備的數(shù)字化，信息化，研究出一種可給多種電池自適應(yīng)充電的數(shù)字化快速充電設(shè)備，已解決目前存在的問題。除了系統(tǒng)的可靠性、效率、體積和重量等要求之外，一些新的要求在不斷提出，例如EMC（電磁兼容）的要求，智能化程度和自適應(yīng)等，一個(gè)新型的充電器，不但具有傳統(tǒng)充電器的功能，還能識(shí)別被充電電池的類別，然后根據(jù)電池的參數(shù)，以及環(huán)境溫度等自適應(yīng)地生成充電曲線，使得被充電電池在最短時(shí)間內(nèi)，以最佳的方式完成充電工作。為了適應(yīng)電設(shè)備科技發(fā)展的需要，近年來，在充電電源的研究方面主要呈現(xiàn)如下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）集成化、高密度化：它包括了兩層含義，一是構(gòu)成MOSFET大功率器件的元件微型化、密集化；二是指MOSFET集成在單片IC中，從而使系統(tǒng)控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、檢測(cè)和末級(jí)功率放大集成為一體。這也使得開關(guān)器件的研制從改進(jìn)電壓、電流的兩維體系發(fā)展到提高頻率的三維體系。（3）智能化：主要體現(xiàn)在對(duì)被充電電池的自適應(yīng)性和對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)性方面。由于自動(dòng)生成最佳充電曲線與制造廠提供的曲線一致，也保證了電池在充電過程中一直處于理想狀態(tài)，從而延長(zhǎng)了電池的使用壽命。目前已經(jīng)研制出了幾十種各類電池快速充電集成電路，譬如，針對(duì)鎳鎘/鎳氫電池充電的TEA1100/TEA1101和MAX2003等控制芯片，針對(duì)鋰離子電池充電的FAN756FAN756LM3420和BQ2054等控制芯片；主要用于鎳鎘/鎳氫、鋰離子等電池的充電的bq2000系列控制芯片；還有鉛酸電池充電控制器UC390UC3909和bq2031等。這些控制芯片針對(duì)不同類型的電池，具有明顯的特色。但是，由于這些芯片功能單一，無法滿足本文涉及項(xiàng)目的特殊需要。掌握快速充電理論和充電電源原理及應(yīng)用。充電時(shí)間可在30min內(nèi)使被充電池所充電量不小于標(biāo)定值得50%（限1AH電池）；充電電池容量：。額定電流：2A+（）；輸出紋波:=1%VPP；負(fù)載調(diào)整率=1%。這四種蓄電池具有相同的功能就是都可以為最終產(chǎn)品提供可補(bǔ)充的電能，但不同的電池具有不同的特性。而鎘鎳、鎳氫和鋰離子三種電池的充電特性并不完全相同，下面分別敘述這三種電池的充電特性。（其他電壓的電池參數(shù)與其基本成倍數(shù)變化關(guān)系，充電電流根據(jù)容量與其成比例關(guān)系）。由于要求是給12V電池充電，所以12V電池的特性為：正常工作時(shí)電壓為12V。充電時(shí)主要采用一定電流充電。A點(diǎn)后，電壓緩慢上升至B點(diǎn)，然后電池電壓又快速上升至最高點(diǎn)C。此時(shí)電池已充足電，電池溫度急劇上升，內(nèi)部壓力也繼續(xù)上升，應(yīng)及時(shí)停止快速充電，進(jìn)入浮充維護(hù)充電狀態(tài)，對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)，以防止電池自放電。0，只是鎳氫電池具有很弱的記憶效應(yīng)，在充電之前無需放電，只需對(duì)其直接充電。此刻同樣應(yīng)對(duì)電池進(jìn)入浮充維護(hù)狀態(tài)。，鋰電池先經(jīng)過恒流充電，待電壓上升至最高電壓A點(diǎn)后，再轉(zhuǎn)至恒壓充電，此時(shí)電池端電壓保持不變。因此，鋰電池充電時(shí)要經(jīng)過恒流恒壓兩個(gè)充電過程。下面將三種充電模式進(jìn)行比較。優(yōu)缺點(diǎn)分析：a. 優(yōu)點(diǎn)：恒流充電電流可調(diào)，故可以適應(yīng)不同技術(shù)狀態(tài)的蓄電池，如新蓄電池、正常使用蓄電池和有不同故障的蓄電池，因而目前得到了廣泛采用；恒流充電當(dāng)蓄電池基本充好后還能以很小的電流對(duì)蓄電池繼續(xù)充電，使極板內(nèi)部較多的活性物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)，從而使蓄電池充電比較徹底，保證了蓄電池的容量。恒流充電一般分為兩階段進(jìn)行，與蓄電池充電接受特性相差較大，因而在實(shí)際操作中一般存在初期電流偏小，后期電流太大的缺陷。所以恒流充電一般時(shí)間很長(zhǎng),以DG250型蓄電池為例,平時(shí)補(bǔ)充充電時(shí)間竟達(dá)12h以上。所以恒流充電無論從速度上還是從效果上都不完善。同時(shí)極化現(xiàn)象使活性物質(zhì)不能真正有效地參加化學(xué)反應(yīng),白白浪費(fèi)大量電能。 恒壓充電特性優(yōu)缺點(diǎn)分析:a. 優(yōu)點(diǎn)：恒壓充電電流隨蓄電池電動(dòng)勢(shì)的升高而逐漸減小，若充電電壓設(shè)定為終止電壓，還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停充。恒壓充電在充電過程初期由于蓄電池電動(dòng)勢(shì)較低，充電電流較大，因而充電速度較快，一般在3～4h即可使蓄電池充到80%～90%。b. 缺點(diǎn)：恒壓充電電流不能自由調(diào)節(jié)，因此不適應(yīng)對(duì)各種不同技術(shù)狀態(tài)的蓄電池進(jìn)行充電；由于沒有去極化措施,因而特別在充電電壓設(shè)定較高時(shí)充電過程中有較嚴(yán)重的極化現(xiàn)象。因此長(zhǎng)此以往電瓶容量及壽命都會(huì)遭受損失。以補(bǔ)充充電為例，～，是常規(guī)補(bǔ)充充電的1/8～1/20?？焖俪潆娪捎谠诔潆娺^程中采取去極化措施，使蓄電池始終比較接近初始充電狀態(tài)，因而蓄電池只有微量出氣，有效地避免了因劇烈出氣而造成的活性物質(zhì)脫落，故蓄電池壽命顯著提高；以3Q98型蓄電池進(jìn)行壽命試驗(yàn)，壽命循環(huán)可達(dá)340次(標(biāo)準(zhǔn)為220～280次)；同時(shí)快速充電由于充電電流大，極板上的活性物質(zhì)可以進(jìn)行比常規(guī)充電更充分的電化學(xué)反應(yīng),因而蓄電池的容量顯著增加；例如6Q54型蓄電池，(10h放電率)。快速充電由于有去極化措施，充入蓄電池的電能絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，同時(shí)充電時(shí)間短，電能的損耗也少，因此快速充電可節(jié)約大量電能。h，(4) 進(jìn)行激活試驗(yàn)。b. 缺點(diǎn)：(1) 快速充電與常規(guī)充電相比溫升較高。如定電流、定周期脈沖充電、放電去極化法，定電流、定電壓脈沖充電、放電去極化法，小電流寬脈沖放電去極化法，大電流和小電流結(jié)合去極化法等等。(3) 快速充電壽命長(zhǎng)。這也是目前大多數(shù)蓄電池生產(chǎn)廠家普遍不支持快速充電的主要原因。根據(jù)充電電池的原理，將鎳鎘和鎳氫電池的電壓曲線分為三段。具體為：進(jìn)入B—C段之前，電池電量已基本用完，此時(shí)采用恒定的小電流充電。當(dāng)進(jìn)入ΔV階段時(shí)，說明電池充電已滿，若此時(shí)停止充電，電池會(huì)自放電。鋰電池充電方法與鎳鎘和鎳氫電池相差較大，它是采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電方式。根據(jù)部隊(duì)以往的反饋情況得知，鋰電池在使用中，沒有出現(xiàn)明顯的鎳鎘和鎳氫電池的使用壽命短的情況，這說明鋰電池傳統(tǒng)的充電方法可行。電池在充滿電后，如果不及時(shí)停止充電，電池的溫度將迅速上升。為了保證電池充足電又不過充電，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終止充電的方法。a . 定時(shí)控制該方法適用于恒流充電。充電的過程中，達(dá)到預(yù)定的充電時(shí)間后，定時(shí)器發(fā)出信號(hào)，使充電器迅速停止充電或者將充電電流迅速將至浮充維護(hù)充電電流，這樣可以避免電池長(zhǎng)時(shí)間大電流過充電。而該方法充電時(shí)間是固定的，不能根據(jù)電池充電前的狀態(tài)而自動(dòng)調(diào)整，結(jié)果使有的電池可能充不足電，有的電池可能過充電，因此，才采用這種方法。常用的電壓控制法有：(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)，電池即充足電。這種控制方法的缺點(diǎn)是：電池充足電的最高電壓隨環(huán)境溫度、充電速率而變，而且電池組中各單體電池的最高充電壓也有差別，因此采用這種方法不可能非常準(zhǔn)確地判斷電池已足充電。這種控制方法的缺點(diǎn)是：從多次快速充電實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電池充足電之前，也有可能出現(xiàn)局部電壓下降的情況，使電池在未充足電時(shí)，由于檢測(cè)到了負(fù)增量而停止快充。因此，這種控制方法主要適用于鎘鎳電池。這種方法的缺點(diǎn)是：未充足電以前，電池電壓在某一段時(shí)間內(nèi)可能變化很小，若此時(shí)誤認(rèn)為0ΔV 出現(xiàn)而停止充電，會(huì)造成誤操作。c. 綜合控制法以上各種控制方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，由于存在電池個(gè)體的差異和個(gè)別的特殊電池，若只采用一種方法，則會(huì)很難保證電池較好的充電。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。與傳統(tǒng)采用工頻變換技術(shù)的相控電源相比，采用大功率開關(guān)管的高頻整流電源，在技術(shù)上是一次飛躍，它不但可以方便地得到不同的電壓等級(jí)，更重要的是甩掉了體積大、笨重的工頻變壓器及濾波電感電容。因此，開關(guān)電源取代線性電源和相控電源是必然的發(fā)展趨勢(shì)。開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，也有AC/AC DC/AC 如逆變器 DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。在此主要介紹直流開關(guān)電源，其功能是將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電源（粗電），如市電電源或蓄電池電源，轉(zhuǎn)換成滿足設(shè)備要求的質(zhì)量較高的直流電壓（精電）。因此直流開關(guān)電源的分類是依賴DC/DC轉(zhuǎn)換器分類的。 　　隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的個(gè)數(shù)來分類。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器 有雙管正激式（DoubelTransistor Forward Converter），雙管反激式（Double Transistr F1yback Converter）、推挽式（PushPull Converter）和半橋式（Ha1fBridge Converter）四種。 非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，按有源功率器件的個(gè)數(shù)，可以分為單管、雙管和四管三類。在這六種 單管DC/DC轉(zhuǎn)換器中，Buck和Boost式DC/DC轉(zhuǎn)換器是基本的，BuckBoost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC轉(zhuǎn)換器是從中派生出來的。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器常用的是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器（FullBridge Converter）。因此，對(duì)基本降壓變換電路Buck電路做簡(jiǎn)要介紹。由于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感充放電伏秒積相等，因此 () () () ()即，輸入輸出電壓關(guān)系為：(占空比)。輸出電壓因?yàn)檎伎毡茸饔茫粫?huì)超過輸入電源電壓。并能夠?qū)Τ潆娺^程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，針對(duì)不同電池的不同充電狀態(tài)做出及時(shí)調(diào)整，使之符合與其相應(yīng)的充電曲線。其主要功能是實(shí)施對(duì)電池組的快速充電，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電流，電池端電壓及充電持續(xù)時(shí)間等參數(shù)。當(dāng)檢測(cè)到電池已充滿時(shí)，會(huì)提示用戶并且充電器自動(dòng)進(jìn)入浮沖維護(hù)狀態(tài)。利用模糊控制理論對(duì)充電過程進(jìn)行優(yōu)化控制，使充電嚴(yán)格地按照具體電池理想的充電曲線進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種電壓等級(jí)和不同類型電池的智能充電。此充電電壓不能直接對(duì)電池進(jìn)行充電，必須經(jīng)過充電電路，采用BUCK 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對(duì)AC/DC 變換電路所得的25V的直流輸入電壓進(jìn)行二次斬波,得到合適的充電電流、電壓給電池充電。另外，鍵盤輸入單元用于設(shè)定輸出電壓等參數(shù)，顯示單元顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障類型等信息。 XC164CM是英飛凌 16 位單片CMOS 微控制器系列的增強(qiáng)型產(chǎn)品。XC164具有5級(jí)指令執(zhí)行流水線和2級(jí)預(yù)取指流水線，工作頻率40MIPS，可以單周期執(zhí)行16*16bit運(yùn)算，能夠滿足各種復(fù)雜的充電控制策略的運(yùn)算要求。另外XC164CM還具備JTAG接口，便于調(diào)試程序。XC164CM中的大多數(shù)指令為單周期指令，從而提高了CPU性能，同時(shí)與C166指令保持兼容。 XC164CM的內(nèi)核架構(gòu)將RISC和CISC處理器的優(yōu)點(diǎn)完美結(jié)合。XC164CM將高性能CPU與一系列功能強(qiáng)大的外設(shè)單元集成起來，有效的聯(lián)接成一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)。這些特性促成了XC164CM微控制器的高性能，使得XC164CM不僅可滿足當(dāng)前的應(yīng)用，還將適用于未來的工程應(yīng)用。LXBus總線提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的方法，可方便的將附加的專用外設(shè)集成到標(biāo)準(zhǔn)XC164CM系列芯片中。通過鍵盤設(shè)定對(duì)不同電池進(jìn)行充電，完成對(duì)整個(gè)充電過程的控制。根據(jù)這些數(shù)