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1、河南机电高等专科学校毕业设计论文1第第 1 1 章章 绪论绪论电池的发展最早可以追溯到 200 年前。远在 180 年意大利科学家伏打研制成了伏打电池，这是世界上第一个能够实际应用的电池。法国的科学家普兰特发明了铅酸蓄电池，这是世界上第一个可充电的电池。其后由于科学技术的进步和人们生活水平的提高。推动原有各种化学电源的改进和新型化学电能的产生。50 年代碱性锌-锰于电池问世，60 年代燃料电池研制成功，70 年代各种锂电池开发成功。80 年代氢-镍蓄电池问世以及 90 年代的锂离子电池。Li+电池是目前世界上广泛使用的一种化学电源，该产品具有良好的可逆性，电压特性平稳，使用寿命长，适用范围广，
2、原材料丰富（且可再生使用）及造价低廉等优点而得到了广泛的使用。是社会生产经营活动中不可缺少的产品。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响 Li+电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长 Li+电池的使用寿命。研究发现：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说，绝大多数的 Li+电池不是用坏的，而是“充坏”的。由此可见，一个好的充电器对 Li+电池的使用寿命具有举足轻重的作用。而且，传统充电器的充电策略比较单一，只能进行简单的恒压或者恒流充电，以致充电时间很长，充电效率降低。另外，充电即将结束时，电池发热量很大，从而造成电池极化，影响电池寿命。人们一直非常重视提
3、高锂离子电池的容量，以期以物理尺寸最小的电池实现最长的产品工作间。但是在有些应用中，较长的电池寿命、较多的充电次数或较安全的电池比电池容量更重要。尽管电池充电器对电池的深度放电、放电电流和电池温度不加以控制，但是所有这些因素对电池寿命都有影响，很多充电器具有能够延长电池寿命的功能，而且有时可以极大地延长电池寿命。电池充电器延长电池寿命的作用主要由充电器的浮动电压和充电终止方法决定。针对上述所述问题，设计了一种智能充电器，尽量延长 Li+电池的使用寿命。河南机电高等专科学校毕业设计论文2第第 2 2 章章 方案的选择和实现方案的选择和实现2.1 方案选择 2.1.12.1.1 电源模块电源模块（
4、1） 方案一 普通电源：市电经过电源变压器将高压交流电转化成低压交流电，再通过整流滤波，将交流电转化为直流电，滤除整流输出的剩余交流成分，最后输出稳定的直流电压。它具有输出电压稳定、波纹小等优点，但是电压范围小，效率低。（2） 方案二 开关电源：市电进入电源，首先要经过扼流圈和电容，滤除高频杂波和同相干扰信号。然后再经过电感线圈和电容，进一步滤除高频杂波接下来再经过由 4 个二极管组成的全桥电路整流（也有半桥等其他电路） ，和大容量的滤波电容滤波后，电流才由高压交流电转换为高压直流电。经过了交直转换后，电流就进入了整个电源最核心的部分：开关电路。开关电路主要由两个开关管组成，通过它们的轮流导通
5、和截止，便将直流电转换为高频率的脉动直流电。接下来，再送到高频开关变压器上进行降压。经过高频开关变压器降压后的脉动电压，同样要使用二极管和滤波电容进行整流和滤波，此外还会有1、2 个电感线圈与滤波电容一起滤除高频交流成分。最后成为设备所需要的较为纯净的低压直流电。它是近代普遍推广的稳压电源，具有效率高、电压范围宽，输出电压相对稳定等特点。所以，本设计选取方案二。2.1.22.1.2 充电方法充电方法Li+电池恒压充电只是充电中的一个阶段。当电池用完时，电池的二端电压就不到 4.2v，此时充电电压也不足 4.2v。电池很快升到 4.2v 后，很长一段时间一直保持在 4.2v 进行恒压充电。当电快
6、充满时，自动从恒压转到恒流充电。电池电压缓慢上升，大约到 5v 左右，电池完全充满电。充电器转到涓流充电，涓流充电不会损电池，可以长时间充。当刚去下电池，电压为 5v，一开始使用电池，电压迅速降到 4.2v 的工作电压，一直到电池接近用完，电压才开始继续下降。Li+电池恒流充电，它包括输入导线段、输出导线段及电路容置腔；输入导线段的一端设有用于连接直流电源输出端的输入插口；输出导线段的一端设河南机电高等专科学校毕业设计论文3有用于与充电电池电气连接的输出插口；输入导线段及输出导线段的另一端穿入所述电路容置腔中，它们的外侧分别与所述电路容置腔的壳体固接；电路容置腔内装设有恒流源电路，该恒流源电路
7、的输入端与输入导线段的另一端连接，其输出端与输出导线段的另一端连接。为其所使用的 Li+电池进行恒流充电。（1） 方案一 恒流充电法恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图 2-1 所示。控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚。（2） 方案二 恒压充电法充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电，如图 2-2 所示。由于充电初期蓄电池
8、电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。（3） 方案三 变电流间歇充电法 这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，如图 2-3 所示。其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产
9、生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。图 2-1 恒流充电曲线图 2-2 恒压充电曲线河南机电高等专科学校毕业设计论文4图 2-3 变电流间歇充电曲线（4） 方案四 变电压间歇充电法 在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法，如图 2-4所示。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。图 2-4 变电压间歇充电曲线（5） 方案五 变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法脉冲充电法充电电路的控制一般有两种：1）脉冲电流的幅
10、值可变，而 PWM（驱动充放电开关管）信号的频率是固定的。2）脉冲电流幅值固定不变，PWM 信号的频率可调。变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法曲线如图 2-5 所示采用了一种脉冲电流幅值和 PWM河南机电高等专科学校毕业设计论文5信号的频率均固定，PWM 占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进更多的电量，提高蓄电池的充电接受能力。所以选择方案五。图 2-5 波浪式间歇正负零脉冲快速充电2.2 本设计工作原理图 2-6 工作原理流程图智能充电器系统工作原理如图 2-6 所示。主要包括电源变换电路、PWM 控制器、电流电感储能电路、充电电路、电池组、放电电路、采样电
11、路、上位机等，形成了一个闭环系统。电源变换电路主要获得正负电源的特殊方法，单电源供电回路。本设计提出一种具有关闭周期调节功能的 PWM 控制器该关闭周期调节功能的达成需保持充电电流为一固定常数且须调节 PWM 控制器的锯齿信号产生器的放电电流，其调节方式是递减该放电电流以延长切换周期。由电压回授回路所采样电路电源变换电路PWM 控制器电流电感储能电路单片机控制核心LCD 显示充电电路放电电路 上位机电池组河南机电高等专科学校毕业设计论文6导引出的回授电压是作为一个指针，放电电流即是以此指针调节成回授电压的函数，另外，一临界电压是定义在轻负载情况下的位准，回授电压与临界电压的差异会被转换成电流，
12、即在被放大信号后转换成该放电电流。一限制器会箝制最大放电电流以决定在正常负载与最大负载下的切换周期。一旦回授电压递减至接近临界电压时，放电电流会递减而切换周期会持续延长，而当回授电压低于临界电压时，最小放电电流会决定最大切换周期。电感储能电路是利用电感线圈将电网中的能量以电磁能的形式存储起来,在需要时将电磁能返送回电网或作其他用途的电路。充电电路是可以对单节锂离子可充电电池进行恒流/恒压。充电的充电器电路，该器件内部包括功率晶体管,应用时不需要外部的电流。检测电阻和阻流二极管（阻止电流逆向流动，方法是只让电流以一个方向流动，而当有电流尝试以反方向流动时便会将电路断开） 。锂离子电池无一例外地都
13、加有过充放电保护电路。另外，当对一组锂离子电池充放电时，考虑到各个单体电池的不一致性，可采取均衡措施来确保安全性和稳定性。即本设计采用了电池组。采样电路中利用 CPU 的 A/D 转换器，可以同时读入多路数据，而且没有使用特殊元器件，成本相对较低。目前，国内电池化成检测设备上位机软件操作复杂、缺少智能分选功能。针对上述问题，本论文采用 C 语言设计并实现了基于自主设计的电池检测设备上位机软件，并对电池分选方法进行了研究。河南机电高等专科学校毕业设计论文7第第 3 3 章章 智能充电器的硬件设置智能充电器的硬件设置本设计包含几大部分：1. 电源电路它通过改变开关功率管的通断状态，来调节输出电压的
14、高低，实现稳压目的。2. 延时与报警电路为了防止单片机工作时使电路中的器件损坏。3. 充放电与维护电路由软件控制检测电池内阻，并判断其在电池的哪个阶段。4. 数据采样与转换电路，数据采样是利用 ADC0809 模数转换芯片，对所需的四个点 IN_0、IN_1、IN_2、IN_3 的电压值采样，对采样值分别经过26、27、28 和 1 端口输入 ADC0809 进行 A/D 转换。5. 温度传感电路为电池充电时要注意冬夏的温度差异，按环境温度调节充电的充电电压，使蓄电池不被损坏，并且能充满电。所以，我们专门设计了一个数字温度传感器电路。6. 显示电路，为了解决端口冲突，加入 74HC573 锁存
15、器。另外的读写控制、使能端及数据、命令选择端也要单独分配单片机 I/O 端口控制。7. 上位机通信模块，该电路主要用于单片机与外部通信，输出电池的充电及放电参数，与外部电路通讯，在屏幕上显示出电池的充电与其放电过程曲线图。上述所有的电路设计都使用 Protel se99。3.1 电源电路本设计中，脉宽调制器（PWM）UC3842 是开关电源的核心。它能产生频率固定而占空比可调的控制电压,通过改变开关功率管的通断状态，来调节输出电压的高低，实现稳压目的。例如由于某种原因 V0升高时，就改变控制电压占空比，使斩波后的电压平均值下降，导致 V0下降，使 V0趋于稳定，反之亦然。UC3842 的工作温
16、度是 0+70，最高输人电压为 30V，最大输出电流为 1A，能驱动双极型功率管或 VMOS 管。（1）UC3842 的结构河南机电高等专科学校毕业设计论文8UC3842 采用 DIP8 封装，管脚排列如图 3-1 所示。各脚功能如下：脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的 2.5V 基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；脚为电流检测输入端， 当检测电压超过 1V 时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8/(RTCT)；脚为公共地端；脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为 50ns 驱动能力为1A ；脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；脚为 5V 基准电压输出端，有 50mA 的负载能力。图 3-1 UC3842 管脚排列（2）主要参数的确定由 UC3842 构成的开关电源属于单端反激变换器式。其工作频率尽管可达到 500KHZ，但受制作工
