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1、基于单片机的新型智能充电器的设计学生姓名：朱亚会 学号：20095042089 单 位：物理电子工程学院 专业：电子信息工程指导老师：冀晓群 摘要：本文介绍一种基于单片机的通用智能充电器的设计。讲述了蓄电池的分类及充放电原理和各种方法，及其单片机控制蓄电池的方案，由控制电路的设计得到单片机电路图。新型智能充电器可以实时采集电池的电压、电流，对充电过程进行智能控制。关键词：智能充电器；单片机电路；智能控制New Intelligent Charger Design Based on SCMAbstract：This paper introduces a kind of new intellige
2、nt charger based on chip design. Its about the battery classification and charge-discharge principle and method, and the single chip microcomputer controlled battery solution, Its composed of a control circuit designed by single chip circuit diagram. New intelligent charger can acquire the battery v
3、oltage, current information at the actual time and control the charging process intelligently.Key Words：Intelligent charger; MCU; Intelligent control引言中国是全球铅酸蓄电池的产销大国，铅酸蓄电池已有200多年的历史， 是一种应用广泛的动力电源。具有原材料易得、价格低廉、可靠性好等优点，目前约有95的市场占有率。铅酸蓄电池作为稳定电源和主要的直流电源，需求广泛，用量巨大，与我们的社会生活息息相关由于铅酸蓄电池维护简单、价格低廉、供电可靠、使用寿命长
4、，广泛作为汽车、飞机、轮船等机动车辆或发电机组的启动电源，也在各类需要不间断供电的电子设备和便携式仪器仪表中用作一些电器及控制回路的工作电源。随着经济的发展，大容量蓄电池的应用迅速增加，人们希望能快捷、安全地对蓄电池进行充电，而现有市场销售的充电器充电电流多为20A。为了满足人们对大功率充电器的需求，设计了一款基于LPC933充电电流50A、充电功率740W、功能完善、可扩充的智能充电器。铅酸蓄电池的制造成本低、容量大、价格低廉，使用十分广泛。由于其固有的特性，若使用不当，寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。因此，设计一种全新的智能型铅
5、酸蓄电池充电器是十分必要的1. 概述电瓶，也叫蓄电池，蓄电池是电池的一种，它的工作原理就是把化学能转化为电能。 通常，人们所说的电瓶是指铅酸蓄电池。即一种主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。1.1 常用的蓄电池分类及特点普通蓄电池：普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液。它的主要优点是电压稳定，价格便宜。缺点是比能低，使用寿命短和日常维护频繁。干荷蓄电池：它的全称是干式荷电铅酸蓄电池，它的主要特点是负极板有较高的储电能力，在完全干燥状态下，能在两年内保存所得到的电量，使用时，只需加入电解液，等过2030分钟就可使用。免维护蓄电池：免维护蓄电池由于自身结构上的
6、优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。市场上的免维护蓄电池也有两种：第一种在购买时一次性加电解液以后使用中不需要维护（添加补充液）；另一种是电池本身出厂时就已经加好电解液并封死，用户根本就不能加补充液。1.2 蓄电池的工作原理它用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用2228的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分
7、别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，叫做二次电池。它的电压是2V，通常把三个铅蓄电池串联起来使用，电压是6V。汽车上用的是6个铅蓄电池串联成12V的电池组。普通铅蓄电池在使用一段时间后要补充硫酸，使电解质保持含有2228的稀硫酸。1.3 蓄电池的主要用途铅酸蓄电池产品主要有下列几种，其用途分布如下： 起动型蓄电池：主要用于汽车、摩托车、拖拉机、柴油机等起动和照明； 固定型蓄电池：主要用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源； 牵引型蓄电池：主要用于各种蓄电池车、叉车、铲车等动力电源； 铁路用蓄电池：主要用于铁路
8、内燃机车、电力机车、客车起动、照明之动力； 储能用蓄电池：主要用于风力、太阳能等发电用电能储存；2. 蓄电池充电理论基础上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了智能充电方法的研究方向。初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力
9、加大，电池温度上升 ，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。2.1 极化现象欧姆极化：充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。 随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。浓度极化：电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从
10、电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。电化学极化：这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。2.2 充电方法2.2.1 常规充电法常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是“安培小时规则”：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。一般来说，常规充电有以下3种。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
11、充电电流强度不变的充电方法。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，因此，常选用阶段充电法。阶段充电法：此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压；三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制 。恒压充电法：这种充电
12、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。例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。2.2.2快速充电技术为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。快速充电技术都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线。脉冲式充电法：这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指
13、数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产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。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了吸气量，提高了蓄电池的充电电流接受率 。 Reflex快速充电法：这种技术主要面对的充电对象是镍镉电池。由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池的记忆效应，因此，大大降低了蓄电池的快速充电的时间。Refle
14、x充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲，反向瞬间放电脉冲，停充维持3个阶段。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。其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电。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。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
15、法。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。在每个恒电压充电阶段，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法有两种：脉冲电流的幅值可变，而PWM（驱动充放电开关管）信号的频率是固定的；脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。采用了一种不同于这两者的控制模式，脉冲电流幅值和PWM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。2.3 脉冲快速充电法的理论基础理论和实践证明，蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程
16、。一般地说，充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降，不可能自动按恒流或恒压充电。充电过程中影响充电的因素很多，诸如电解液的浓度、极板活性物的浓度、环境温度等的不同，都会使充电产生很大的差异。随着放电状态、使用和保存期的不同，即使是相同型号、相同容量的同类蓄电池的充电也大不一样。1972年，美国科学家马斯在第二届世界电动汽车年会上提出了著名的马斯三定律，即（1）对于任何给定的放电电流，蓄电池充电时的电流接受比A与电池放出的容量的平方根成反比，即 式中：K1为放电电流常数，视放电电流的大小而定；C为蓄电池放出的容量。（2）对于任何给定的放电量，蓄电池充电电流接受比a与放电电流Id的对数成正比，即a=K2logkId 式中：K2为放
