基于單片機的智能電池充電器的設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 2） ，由于負極不斷從外電源獲得電子，則負極板附近游離的二價鉛離子（Pb 2+）被中和為鉛（Pb） ，并以絨狀鉛附著在負極板上。 電解液中，正極不斷產生游離的氫離子和硫酸根離子（SO 42） ，負極不斷產生硫酸根離子（SO 42） ，在電場的作用下，氫離子向負極移動，硫酸根離子向正極移動，形成電流。充電后期，在外電流的作用下，溶液中還會發生水的電解反應。 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，電解液中的硫酸不斷減少，水逐漸增多，溶液比重下降。鉛酸蓄電池充電時，電解液中的硫酸不斷增多，水逐漸減少，溶液比重上升。實際工作中，可以根據電解液比重的變化來判斷鉛酸蓄電池的充電程度 [5]。 蓄電池的充電工作特性上世紀60年代中期，美國科學家馬斯對開口蓄電池的充電過程作了大量的試驗研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖21所示。實驗表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時間，并且對電池的容量和壽命也沒有影響。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線，從而奠定了快速充電方法的研究方向。由圖21 可以看出：初始充電電流很大，但是衰減很快。主要原因是充電過程中產生了極化現象。在密封式蓄電池充電過程中，內部產生氧氣和氫氣，當氧氣不能被及時吸收時，便堆積在正極板（正極板產生氧氣） ，使電池內部壓力加大，電池溫度上升，同時縮小了正極板的面積，表現為內阻上升，出現所謂的極化現象。tii = I0e t0圖 21 最佳充電曲線(1) 常規充電技術常規充電制度是依據 1940 年前國際公認的經驗法則設計的。其中最著名的就是“安培小時規則”：充電電流安培數，不應超過蓄電池待充電的安時數。實際上，常規充電的速度被蓄電池在充電過程中的溫升和氣體的產生所限制。這個現象對蓄電池充電所必須的最短時間具有重要意義。一般來說，常規充電有以下 3 種。① 恒流充電法恒流充電法是用調整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯電阻的方法，保持充電電流強度不變的充電方法，如圖 22 所示。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行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產生氣體，使出氣過甚，因此，常用于階段充電法中。0t、 、 、 、 、 、 、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。二階段法采用恒電流和恒電壓相結合的快速充電方法，如圖 23 所示。首先，以恒電流充電至預定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉換電壓就是第二階段的恒電壓。u , it0、 、 、 、 、 、 、圖 23 二階段法曲線三階段充電法在充電開始和結束時采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當電流衰減到預定值時，由第二階段轉換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。③ 恒壓充電法充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定的數值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電，如圖 24 所示。由于充電初期蓄電池電動勢較低，充電電流很大，隨著充電的進行，電流將逐漸減少，因此，只需簡易控制系統。u , i0t、 、 、 、 、 、 、圖 24 恒壓充電法曲線這種充電方法電解水很少，避免了蓄電池過充。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，造成電池報廢。鑒于這種缺點，恒壓充電很少使用，只有在充電電源電壓低而電流大時采用。例如，汽車運行過程中，蓄電池就是以恒壓充電法充電的。(2) 快速充電技術為了能夠最大限度地加快蓄電池的化學反應速度，縮短蓄電池達到滿充狀態的時間，同時，保證蓄電池正負極板的極化現象盡量地少或輕，提高蓄電池使用效率。快速充電技術近年來得到了迅速發展。下面介紹目前比較流行的幾種快速充電方法。這些方法都是圍繞著最佳充電曲線進行設計的，目的就是使其充電曲線盡可能地逼進最佳充電曲線 [2]。① 脈沖式充電法這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高蓄電池充電接受率，從而打破了蓄電池指數充電接受曲線的限制，這也是蓄電池充電理論的新發展。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間，如此循環，如圖 25 所示。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經化學反應產生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使濃差極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壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應時間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。ti0T圖 25 脈沖式充電曲線② REFLEXTM 快速充電法這種技術是美國的一項專利技術，它主要面對的充電對象是鎳鎘電池。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，因此，大大降低了蓄電池的快速充電的時間。鉛酸蓄電池的充電方法和對充電狀態的檢測方法與鎳鎘電池有很大的不同，但它們之間可以相互借鑒。如圖 26 所示，REFLEXTM 充電法的一個工作周期包括正向充電脈沖，反向瞬間放電脈沖，停充維持 3 個階段 [2][14][15][16]。ti0t0t1t2TI1 I2圖 26 REFLEXTM 快速充電法③ 變電流間歇充電法這種充電方法建立在恒流充電和脈沖充電的基礎上。其特點是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。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。充電后期采用定電壓充電段，獲得過充電量，將電池恢復至完全充電態。通過間歇停充，使蓄電池經化學反應產生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使濃差極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壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。④ 變電壓間歇充電法在變電流間歇充電法的基礎上又有人提出了變電壓間歇充電法。與變電流間歇充電方法不同之處在于第一階段的不是間歇恒流，而是間歇恒壓。比較③和④兩種方法，可以看出：④方法更加符合最佳充電的充電曲線。在每個恒電壓充電階段，由于是恒壓充電，充電電流自然按照指數規律下降，符合電池電流可接受率隨著充電的進行逐漸下降的特點。⑤ 變電壓變電流波浪式間歇正負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點，變電壓變電流波浪式正負零脈沖間歇快速充電法得到發展應用。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（驅動充放電開關管）信號的頻率是固定的；其二為脈沖電流幅值固定不變，PWM 信號的頻率可調。⑤方法采用了一種不同于這兩者的控制模式，脈沖電流幅值和 PWM 信號的頻率均固定，PWM 占空比可調，在此基礎上加入間歇停充階段，能夠在較短的時間內充進更多的電量，提高蓄電池的充電接受能力 [2][5][12]。 充電終止條件控制方法蓄電池在充足電后，電池的溫度和內壓都會快速的上升，同時電池的端電壓開始下降出現電壓負增量，如果此時繼續進行快速大電流充電，對蓄電池的損害是顯然的。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。現階段采用的控制方法很多，通常使用的有定時控制，電壓控制，溫度控制及最小終止電流等方法進行充電終止控制。在鉛酸蓄電池充電器中，通常采用電壓控制，最長充電時間（定時控制） ，蓄電池溫度等控制，本文采用電壓控制，溫度控制和電流控制相結合的方法。 電壓控制在電壓控制法中，最容易檢測的是電池的最高電壓。常用的電壓控制法有：最高電壓控制，電壓負增量控制，電壓二次導數控制。（1） 最高電壓控制從充電特性曲線可以看出，電池電壓達到最大值時，電池即充足電。充電過程中，當電池電壓達到規定值后，應立即停止充電。這種控制方法的缺點是：電池充電的最高電壓隨環境溫度，充電速率而變化，因此，最高檢測電壓必須采用一定的溫度補償，并且還必須根據充電速率加以適當修正，若最高檢測電壓不能隨溫度變化而自動調整，則低溫時，電池充不足電，高溫時，電池充足電后仍會繼續大電流過充。這樣，可能降低電池壽命，也可能損壞電池。另外，蓄電池組中各單體電池的最高充電電壓也會有差別，因此采用這種方法不可能非常準確地判斷電池已充足電。（2） 電壓負增量控制由于電池電壓的負增量與電池組的絕對電壓有關，而且不受環境溫度，充電速率等因素的影響，因此，可以比較準確地判斷電池已充足電。采用這種檢測法的快速充電器，可以對電池數不同的電池組充電。負增量檢測法的缺點是：電池電壓出現負增量后，電池已經過充電，因此電池溫度較高。此外，鎳氫電池充足電后，電池電壓要經過較長時間才出現負增量，過充電較嚴重。因此，這種控制方法主要應用于鎳鉻電池。為了避免環境溫度過高時損壞電池，最好與其他控制方式配合使用。（3） 電壓二次導數控制這種控制方法是通過檢測電池電壓的二次導數來實現控制的，實驗證明，當電池在充足電時，電壓的二次導數將達到某一個確定的值，此時結束充電即可。這種方法適用于恒流充電模式。 定時控制通常用在恒流充電模式中。例如，對于10Ah的蓄電池，采用 ，電池5h可充足； 5充電速率，因此根據電池的容量和充電電流，可以很容易地確定所需要的充電時間。充電過程中，達到預定的充電時間后，定時器發出信號，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。這樣可以避免電池長時間大電流過充電。 這種控制方法比較簡單，但是由于電池的起始充電狀態不完全相同，有的電池充不足，有的電池過充電，然而充電時間是固定的，所以不能根據電池充電前的狀態來自動調整。因此， 5時采用這種控制方式才最有效果。 溫度控制 為了避免損壞電池，電池溫度過低時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，電池溫度上升到規定數值后，必須立即停止充電過程。電池的溫度可以通過與電池在一起的溫度傳感器件來檢測，當電池溫度超過規定值時（一般為50℃） ，充電器能自動轉入浮充電模式。當環境溫度較低時，規定的最高溫度值相對過高（50℃） ，這樣容易造成過充電，容易損壞電池。為避免損壞電池，又常采用溫升控制法，即當溫升達到一定值時，充電器便自動轉入浮充電模式。上述各種控制方法各有優缺點。為了保證在任何情況下，均能準確可靠地控制電池的充電狀態，目前快速充電器中通常采用包括時間控制，電壓控制和溫度控制的綜合控制法。 智能充電器的充電過程對于鉛酸蓄電池來講，常用的充電方式有恒流限壓和恒壓限流兩種充電方式，然而，單獨采用其中的一種充電方式，沒有動態跟蹤電池的實際狀態和可接受充電電流大小的技術，對鉛酸蓄電池的充電效果不是很理想。根據鉛酸蓄電池的使用階段及蓄電池的特性，為了進一步延長蓄電池的使用壽命，在長期使用和經驗總結的基礎上，對蓄電池進行了四個階段的充電以達到最優的效果。（1） 預充階段即涓流充電階段當系統檢測到蓄電池虧電時，首先以小電流充電，倍率： （）?預式中 ：蓄電池的電池容量5C當電池電壓升至接近額定電壓（）時，進入主充電階段。（2） 主充階段主充階段以恒流方式充電。： （）?主式中 ：蓄電池的電池容量5C當電池電壓升至均充電壓（）時，進行限壓充電，充電過程進入下一階段。（3） 均充階段即恒壓充電階段隨著限壓充電的進行，電池電流也隨之逐漸降低。當充電電流降低到浮充電流時，電池已基本充滿，其中： （）?浮（4） 浮充階段低壓小電流充電階段，以補充電池的自然放電浮充時，須將充電電壓穩定在蓄電池的額定電壓附近（比主充最高限壓V要低） 。因此，充電電流與主充時相比很小，但是，由于工作情況的復雜性，浮充時也有電流較高的可能（如電池嚴重虧電，漏電，負荷過重等） 。這時應采取限流措施，保持電流不超過某一設定值而使電壓降低，待電流降低，電壓升高后再穩壓，這就是恒壓限流的含義 [3][10][11]。3 智能充電器的硬件設計 智能充電器的總體設計要求及設計方案鉛酸蓄電池充電器性能的優劣直接影響充電電池的使用壽命，用戶對充電器的要求主要有兩個方面：其一是要有較高的性能指標，如由平均無故障運行時間所表達的可靠性，由穩壓穩流精度，動態調整速度及紋波系數等所表達的動、靜態特性，其二是要有較為完善的自我檢測與控制功能，有較高的智能水平，能對充電電壓，電流進行檢測等。智能充電器的基本功能如下：（1） 通過對鉛酸蓄電池的電壓，電流進行定時的檢測，輸入到單片機，單片機根據得到的數值進行一系列的處理后輸出到八段碼中，用來告訴用戶充電進行到哪個階段。直到充電結束蜂鳴器發聲，提醒用戶充電已完成。（2） 單片機將檢測到的數據經過一定的處理輸出到硬件上，通過PWM脈沖寬度來調整充電的階段的電流和電壓，以達到更好的充電效果。同時還進一步設置了防止電池過充以損害電池的裝置。針對上述功能，它的硬件結構框圖如圖31所示：、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、P W M 、 、 、 、 、 、 、 、