1、本本科畢業(yè)論文（設(shè)計）科畢業(yè)論文（設(shè)計） 論文（設(shè)計）題目：論文（設(shè)計）題目：蓄電池智能均充系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)學(xué) 院：院：_機(jī)械工程學(xué)院 專專 業(yè)：業(yè)： 班班 級：級：_ 學(xué)學(xué) 號：號：_ _ 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： _ 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師：_ _ _ _ 2011 年 5 月 5 日 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 誠信責(zé)任書誠信責(zé)任書 本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計） ，是在導(dǎo)師的指導(dǎo) 下獨(dú)立進(jìn)行研究所完成。畢業(yè)論文（設(shè)計）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或 未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等，均已明確注明出處。 特此聲明。 論文（設(shè)計）作者簽名： 日 期： 目 錄 摘要.IV 關(guān)

2、鍵詞.IV 第一章 緒論 .1 1.1、蓄電池的介紹.1 1.1.1、蓄電池的現(xiàn)狀與前景 .1 1.1.2、鉛酸蓄電池的工作原理 .1 1.1.3、蓄電池的充電理論基礎(chǔ) .2 1.1.4、充電方法的研究 .3 1.2、課題的應(yīng)用背景.4 1.3、課題的研究意義.5 第二章 串聯(lián)蓄電池組均衡法 .6 2.1、引言.6 2.2、蓄電池的不一致性.6 2.3、蓄電池組中各蓄電池容量不一致的影響.6 2.4、各種均衡充電的方法.7 2.4.1、電池單體電壓均衡法 .7 2.4.2、電容切換均衡法 .8 2.4.3、多繞組變壓器均衡法 .8 第三章 總體設(shè)計 .9 3.1、系統(tǒng)的設(shè)計要求.9 3.1.1

3、、系統(tǒng)的基本功能 .9 3.1.2、系統(tǒng)的理想技術(shù)指標(biāo) .9 3.2、充電方法的選擇.9 3.3、系統(tǒng)總體框圖.10 第四章 各電路（元件）的設(shè)計 .11 4.1、單片機(jī)的選擇.11 4.2、整流電路的設(shè)計.11 4.3、濾波器的選擇.12 4.3.1、電容濾波器 .12 4.3.2、電感電容濾波器 .12 4.3.3、 形濾波器.12 4.3.4、濾波器的選定 .13 4.4、開關(guān)管的選擇.13 4.5、放電電路的設(shè)計.13 4.6、采樣電路.14 4.6.1、蓄電池端電壓的采樣電路 .14 4.6.2、蓄電池溫度采樣 .16 4.7、蓄電池電壓均衡電路.17 4.8、A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇

4、.18 4.9、顯示電路.20 4.10、D/A 轉(zhuǎn)換器的選擇 .21 4.11、時鐘電路.22 4.12、復(fù)位電路.23 4.13、報警電路.23 第五章 軟件部分設(shè)計 .24 5.1、系統(tǒng)程序流程.24 5.2、顯示子程序的設(shè)計.25 5.3、模/數(shù)轉(zhuǎn)換子程序.28 5.4、數(shù)/模轉(zhuǎn)換子程序.29 第六章 設(shè)計總結(jié) .30 參考文獻(xiàn) .31 致謝 .32 基于單片機(jī)的蓄電池智能均充系統(tǒng) 摘摘 要要 隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展,蓄電池正廣泛運(yùn)用于交通運(yùn)輸、電力、通信等領(lǐng)域的各 種設(shè)備中。它已經(jīng)成為這些設(shè)備的最為重要的部件，其直接影響到設(shè)備的壽命和可靠 性。 本文介紹了蓄電池的工作原理及充電的特性

5、。由于充電方法的選擇對蓄電池的性 能和壽命影響較大，因此本文還涉及到目前該領(lǐng)域中的充電方法。通過綜合考慮各個 方面，我們選擇了分階段脈沖充/放電的充電方法。而實現(xiàn)脈沖充/放電的方法有很多， 這里主要利用了場效管作為開關(guān)管使用。通過 8051 單片機(jī)發(fā)出電壓控制信號，來控制 開關(guān)管的導(dǎo)通與截止。另外，本設(shè)計中還提出了電壓均衡的實現(xiàn)方法，從而保證了蓄 電池組串充時各節(jié)電池的充電狀態(tài)基本上一致。而這里的一個亮點(diǎn)就是，該系統(tǒng)能根 據(jù)蓄電池組的周圍環(huán)境溫度變化而自動地調(diào)整其充電電壓，使它們處于最佳的充電電 壓上。本課題的研制，對蓄電池的大規(guī)模應(yīng)用具有積極的促進(jìn)作用，具有較強(qiáng)的實際 意義與應(yīng)用價值。 關(guān)鍵

6、詞：關(guān)鍵詞：蓄電池 單片機(jī) 充/放電 Based on the SCM are fully intelligent battery system Abstract With rapid development of the electronic technology, batteries are widely used for transport, electric power, telecommunications and other fields of equipment. It becomes the key partial of these equipments, it directl

7、y affected the equipment life and the reliability. This paper introduces the principle of battery and charger features. As the charging method of choice for the performance and battery life of greater impact, this paper also relates to the current field of charging method. Comprehensive consideratio

8、n of all aspects, we have chosen a phased pulse charge / discharge charging method. And there are many ways of realizing a pulse charge / discharge charging, this is mainly used to market effectively manage as a switch to use. Through 8051SCM issued voltage control signals, it could control the swit

9、ch conduction or deadline. In addition, the design has also raised the voltage to achieve a balanced approach, thus ensuring the battery charge state when the battery charging series is basically consistent. And the one bright spot here is that the system according to the battery temperature of the

10、surrounding environment changes automatically adjust their charging voltage, at their best on the charge voltage. The research of this subject will play an active role, and produce significance and value on large-scale application of battery. Keywords : battery; SCM; charge / discharge 第一章第一章 緒論緒論 1

11、.1、蓄電池的介紹 1.1.1、蓄電池的現(xiàn)狀與前景 在蓄電池問世一百余年的時間里，由于蓄電池作為一種能源變換器可以方便的存 儲與提供電能，且具有可逆性好，電壓特性平穩(wěn)，使用壽命長，適用范圍廣，原材料 豐富且可再生，使用及造價低廉等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，是社會生產(chǎn)經(jīng)營 活動中不可或缺的重要產(chǎn)品，在大力提倡環(huán)保節(jié)能、使用綠色能源的今天，蓄電池將 具有更加廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。 蓄電池按其采用原料分，目前主要應(yīng)用的多為鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄 電池及鋰離子電池。其中鉛酸蓄電池由于具有能夠儲存大量的電能、提供電流范圍寬 （從幾安培到幾百安培的電流）、價格低的特點(diǎn)，主要應(yīng)用在工農(nóng)生產(chǎn)中；而鋰

12、離子 電池由于具有體積小、重量輕、安全可靠的特點(diǎn)，則廣泛應(yīng)用于各類小型設(shè)備、通訊 設(shè)備與日常生活中。 雖然蓄電池產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，但就其充電方法上來講卻基本上仍然采用較為老 套的常規(guī)方法，已經(jīng)無法滿足蓄電池生產(chǎn)企業(yè)對其產(chǎn)品質(zhì)量檢測控制、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和 國防建設(shè)發(fā)展的需要，嚴(yán)重的影響了蓄電池產(chǎn)品的應(yīng)用質(zhì)量和使用壽命，制約與阻礙 了蓄電池產(chǎn)品的發(fā)展。 1.1.2、鉛酸蓄電池的工作原理 鉛酸蓄電池由正極板(二氧化鉛)、負(fù)極板(海棉狀鉛)以及電解液(硫酸)組成。充 電時，硫酸鉛通過氧化還原反應(yīng)分別恢復(fù)成二氧化鉛和鉛，電解液中的硫酸濃度增大。 放電時，正極板的二氧化鉛和負(fù)極板的鉛與電解液中的硫酸反應(yīng)，生成

13、硫酸鉛，電解 液中的濃度降低。 在充放電狀態(tài)下，鉛酸蓄電池的正、負(fù)極板上在進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn) 生正負(fù)離子形成電流，稱為成流反應(yīng)。 正極的成流反應(yīng)式： OHPbSOeHSOHPbO 2242 223 負(fù)極的成流反應(yīng)式： 44 2PbHSOPbSOeH 電池的總反應(yīng)式： OHPbSOSOHPbPbO 24422 222 反應(yīng)的中間過程可以表示為： ePbPb2 2 HPbSOHSOPb 44 2 式中左方向為放電反應(yīng)，右方向為充電反應(yīng)。 研究發(fā)現(xiàn):電池充電過程對電池壽命影響最大，放電過程的影響較少。也就是說， 絕大多數(shù)的蓄電池不是用壞的，而是“充壞”的。由此可見，一個好的充電器對蓄電 池的使用

14、壽命具有舉足輕重的作用。 1.1.3、蓄電池的充電理論基礎(chǔ) 上世紀(jì) 60 年代中期，美國科學(xué)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 1.1 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 1.1 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(chǎn) 生了極化現(xiàn)象。在密封式蓄電池充電過程中，內(nèi)部產(chǎn)生氧氣和氫氣，當(dāng)氧氣不能被及 時吸收時，便堆積在正極板(正極板產(chǎn)生氧氣)，使電池內(nèi)部壓

15、力加大，電池溫度上升， 同時縮小了正極板的面積，表現(xiàn)為內(nèi)阻上升，出現(xiàn)所謂的極化現(xiàn)象。 很顯然，充電過程和放電過程互為逆反應(yīng)?？赡孢^程就是熱力學(xué)的平衡過程，為 保障電池能夠始終維持在平衡狀態(tài)之下充電，必須盡量使通過電池的電流小一些。理 想條件是外加電壓等于電池本身的電動勢。但是，實踐表明，蓄電池充電時，外加電 壓必須增大到一定數(shù)值才行，而這個數(shù)值又因為電極材料，溶液濃度等各種因素的差 別而在不同程度上超過了蓄電池的平衡電動勢值。在化學(xué)反應(yīng)中，這種電動勢超過熱 力學(xué)平衡值的現(xiàn)象，就是極化現(xiàn)象。 1.1.4、充電方法的研究 （1）、常規(guī)充電方法 a、恒流充電法： 恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或

16、改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充 電電流強(qiáng)度不變的充電方法，如圖 1.2 所示。該控制方法簡單，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，使出氣過甚，因此，常選用階段充電法。 b、 階段充電法： 此方法包括二階段充電法和三階段充電法。 二階段充電法: 采用恒電流和恒電壓相結(jié)合的快速充電方法，如圖 1.3 所示。首 先，以恒電流充電至預(yù)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(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。 三階段充電法: 在充電開始和結(jié)束時采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當(dāng)電 流衰減到預(yù)定值時，由第二階段

17、轉(zhuǎn)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。 c、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(shù)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 1.4 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(jìn)行，電流將逐漸減少，因此，只需簡易控制系統(tǒng)。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。 （2）、快速充電方法 為了能夠最大限度地加快蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速度，縮短

18、蓄電池達(dá)到滿充狀態(tài)的時 間，同時，保證蓄電池正負(fù)極板的極化現(xiàn)象盡量地少或輕，提高蓄電池使用效率?？?速充電技術(shù)近年來得到了迅速發(fā)展。下面介紹目前的其中一種快速充電方法：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(shù)充電接受曲線的限制，這也是蓄電池充電理論的新發(fā)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(huán)，如圖 1.5 所示。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生 的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O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(nèi)壓，使下一輪的恒

19、流充電能夠更加順利地進(jìn)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(yīng)時間，減少了析氣量，提高 了蓄電池的充電電流接受率。 1.2、課題的應(yīng)用背景 蓄電池因其可循環(huán)再充電的特性，以及成本低廉、使用安全、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在 目前的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的需求正日益增大。相應(yīng)的，免維護(hù)蓄電池的快速充電技術(shù)也引 起了普遍地關(guān)注。 一方面，傳統(tǒng)的充電方法充電時間過長，遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的需要。資 料表明，使用傳統(tǒng)的恒壓或恒流充電方法一般需要大約 20 小時左右的時間才能充滿。 另一方面，充電技術(shù)不能適應(yīng)免維護(hù)蓄電池的特殊要求，會嚴(yán)重影響蓄電池的壽命。 國內(nèi)外多年來的實踐證明，免維護(hù)電池浮充電

20、壓偏差 5%，電池的浮充壽命將減少一半。 統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，國內(nèi)通信設(shè)備和 UPS 中的免維護(hù)電池很難達(dá)到規(guī)定的浮充壽命(1216 年)，大量的免維護(hù)電池在使用幾年后即報廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在其他方面，由 于充電方法不正確，免維護(hù)電池也很難達(dá)到規(guī)定的循環(huán)壽命。 1.3、課題的研究意義 蓄電池作為一種能源變換器，充電時將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能儲存起來，而放電時將 化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。充電是放電的逆反?yīng)，充電的反應(yīng)物就是放電的生成物，所以充/ 放電過程對于蓄電池來講是十分重要的。但在以往的蓄電池實際使用中，往往過分強(qiáng) 調(diào)蓄電池的放電能力與使用壽命，常常忽略了蓄電池充/放電過程對其產(chǎn)生的嚴(yán)重影響。 研究與實

21、踐表明，蓄電池組的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及單體電池的壽命。蓄電池組的循環(huán)壽命往 往達(dá)不到廠商標(biāo)稱值。很大部分原因是由于蓄電池組中電池單體不均衡。對電池組充 電時，目前普遍采用單一電源對串聯(lián)電池組進(jìn)行充電，此時流過各單體電池的電流大 小相同，然而由于電池的化學(xué)，運(yùn)行溫度與濕度存在一定差異，可能導(dǎo)致電池的特性 有所不同，單個電池的容量就不一致。 研究蓄電池組均衡充電是一個非常重要的課題，充電不均衡是影響蓄電池組壽命 的主要因素之一。蓄電池在循環(huán)使用的條件下，對充電條件的要求更為嚴(yán)格，同樣的 電池，在不同的充電條件下，會出現(xiàn)很大的差異，即所謂的電池的不一致性。蓄電池 的不一致性極大地降低了電池的使用水平，嚴(yán)重影

22、響了裝置的壽命，危及系統(tǒng)的安全。 因此，研究一種有效的充電均衡方法，彌補(bǔ)蓄電池在使用過程中電池的不一致性，最 大限度地發(fā)揮電池的效用，延長電池的使用壽命，增加系統(tǒng)的安全性，是十分必要的。 第二章 串聯(lián)蓄電池組均衡法 2.1、引言 由于單體蓄電池電壓和容量有限，因此大部分蓄電池系統(tǒng)使用的都是電池組，這 些蓄電池組由單體蓄電池串聯(lián)或并聯(lián)而成。在循環(huán)充放電過程中，由于各蓄電池化學(xué) 組分的差異，蓄電池運(yùn)行歷史的不同，蓄電池的不一致性會不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致在同一充 放電條件下蓄電池充電終止電壓不同。若讓電池系統(tǒng)在該情況下運(yùn)行而不加以管理， 蓄電池的使用壽命以及系統(tǒng)的可靠性均會受到影響。為了延長電池組的使用壽命

23、，必 須使所有的蓄電池單體均保持在同樣的放電深度，通過均衡充電的方法可加以解決。 2.2、蓄電池的不一致性 蓄電池的不一致性是指同一型號規(guī)格的電池的電壓、內(nèi)阻、容量等參數(shù)存在差異。 產(chǎn)生這種差別的主要原因有兩個方面:一是在制造過程中，由于工藝和材料均勻性問題， 使得同批次出廠的同型號電池的容量、內(nèi)阻等不完全一致;二是在電池裝車使用時，由 于電池組中各個蓄電池電解液密度、溫度和通風(fēng)條件等的差別，增加了蓄電池的不一 致性。在使用過程中，造成蓄電池的不一致性擴(kuò)大的原因有：蓄電池過充電、充電接 受能力的差異和過放電的影響。 2.3、蓄電池組中各蓄電池容量不一致的影響 如上所述，組成蓄電池組的各電池的內(nèi)

24、阻、容量等參數(shù)的不一致性，會使電池組 中容量低的蓄電池更容易過充電和過放電，從而使蓄電池組陷于電池極板硫化加劇， 容量差距更進(jìn)一步拉大的惡性循環(huán)中。這不僅縮短電池的使用壽命，而且還會因為蓄 電池極板硫化而內(nèi)阻增大和有效活性物質(zhì)減少，從而使蓄電池組充放電轉(zhuǎn)換效率、輸 出功率和裝置性能下降。 2.4、各種均衡充電的方法 串聯(lián)蓄電池組均衡是指對串聯(lián)蓄電池組中不同的電池(或電池組)采用差分電流。 串聯(lián)蓄電池組中每個蓄電池的電流通常是一樣的，因此必須給蓄電池組增加額外的元 件和電路來實現(xiàn)蓄電池均衡。 電池組在串聯(lián)充電過程中通過一定的裝置和控制規(guī)則使每個電池單體都能充到自 己的最大電量而又不過充。如果沒有

25、充電均衡，那么由于蓄電池單體狀況不一致，而 流過其中的電流卻是一樣的。這樣，若充電的控制規(guī)則以大容量電池的充電情況作為 判據(jù)，則小容量電池必定過充;相反，若以小容量電池的情況作為判據(jù)，則大容量電池 不能充滿。目前國內(nèi)外對于蓄電池的充電均衡方面做得比較成熟，有很多充電均衡的 資料和系統(tǒng)可供借鑒。大致而言，充電均衡電路可分為以下幾類: 2.4.1、電池單體電壓均衡法 如圖 2.1 所示為蓄電池單體電壓均衡法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在每個單體蓄電池上附加一 個均衡電路，它可以起到分流作用。其中，最簡單的方法就是在串聯(lián)電池組中的每個 單體蓄電池都并聯(lián)一個大電阻。電壓較高的蓄電池將會在并聯(lián)的電阻上消耗較多的能 量，

26、盡管這種方法簡單，而且便于實施，但這種方法是以消耗大量能量為代價。而且， 電阻的大小難以確定，太大均衡效果不明顯，太小功耗卻較大。 另外，還可以利用三極管和電阻進(jìn)行串聯(lián)來實現(xiàn) ICE，在這種模式下，當(dāng)某個蓄電 池首先達(dá)到滿充時，其均衡裝置能阻止其過充并將多余的能量轉(zhuǎn)化成熱能，同時可以 對沒有充好的蓄電池繼續(xù)充電。雖然這種方法也會消耗大量能量，但與純電阻實現(xiàn) ICE 相比較要優(yōu)越得多。 2.4.2、電容切換均衡法 如圖 2.2 所示為電容切換均衡法，這種方法是利用電容在蓄電池組間來回切換實 現(xiàn)電壓均衡充放電，通過單刀雙擲的雙向開關(guān)進(jìn)行切換。每個電容都與相鄰的兩個蓄 電池相連。均衡充電時，電容通過

27、其控制開關(guān)交替地與相鄰的兩個蓄電池相連，接受 電壓高的電池充電，并向電壓低的電池放電，直到兩電池電壓趨于一致。 這種方法不用消耗能量，效率明顯高于上種方法，因此實際應(yīng)用中較為常見。但 是這種方法由于引進(jìn)電容，所以均衡頻率受到一定限制。 2.4.3、多繞組變壓器均衡法 圖 2.3 所示為多繞組變壓器均衡法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。理論上，如果變壓器的副邊繞組匝 數(shù)相等時，它們就能提供相同的電壓對各單體蓄電池充電，由此達(dá)到電壓均衡的目的。 然而實際上，任何相互耦合的繞組之間的耦合系數(shù)都不可能為 1，因此在實際應(yīng)用中我 們必須考慮變壓器的漏感，還有副邊繞組之間的互感，在這種情況下，即使副邊繞組 的匝數(shù)完全相同，它們

28、也未必提供相同的充電電壓。所以，這種方法的重點(diǎn)是如何減 小繞組的漏感和互感的影響。 第三章 總體設(shè)計 3.1、系統(tǒng)的設(shè)計要求 3.1.1、系統(tǒng)的基本功能 1.充電過程可以在系統(tǒng)的控制下智能地快速地完成； 2.充電過程中，實時監(jiān)測并顯示電池的電壓和溫度； 3.電池充滿電后，自動轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。 3.1.2、系統(tǒng)的理想技術(shù)指標(biāo) 根據(jù)實際需要，設(shè)計的充電系統(tǒng)應(yīng)該滿足對相應(yīng)蓄電池進(jìn)行理想的快速充電。因 此對本系統(tǒng)的電源提出下面的理想技術(shù)指標(biāo)： 一、充電電源空載輸出電壓40V 蓄電池組由 8 節(jié)蓄電池構(gòu)成，每節(jié)電池的充電極限狀態(tài)或高阻抗電池的充電飽和 電壓為 5V，則 8 節(jié)電池的極限端電壓為 85V=4

29、0V，因此電源開路電壓必須在 40V 以 上。 二、電源的充電電流可在 04A 范圍內(nèi)調(diào)整 在充電系統(tǒng)的工作中，應(yīng)能夠根據(jù)使用者的需要來改變充電電流的大小。根據(jù)實 際情況，我們要求充電電源可以輸出的充電電流的大小可由程序控制，在 04A 范圍 內(nèi)調(diào)整。 3.2、充電方法的選擇 充電方法的選擇是非常重要的，不同的充電方法，其充電速度的差別可能很大， 導(dǎo)致的充電效果的差距也會很大。針對傳統(tǒng)充電方法充電緩慢，安全性能不好等缺點(diǎn)， 本系統(tǒng)選擇的快速充電方法，一方面要求能夠最大程度地加快蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速度， 縮短蓄電池達(dá)到滿充狀態(tài)的時間，提高充電速度:另一方面，又要保證蓄電池負(fù)極的吸 收能力足以及時地

30、吸收正極所產(chǎn)生的氧氣，以避免電池的極化現(xiàn)象。以這種標(biāo)準(zhǔn)為出 發(fā)點(diǎn)，選擇了分級電流脈沖快速充電法。在快速充電過程中，采用定電壓脈沖快速充 電法，將充電電流分為三級，如圖 3.1 所示。開始充電時采用大電流，隨著容量的增 加，電壓逐漸升高，電流等級開始降低，使充電電流的脈沖幅度和寬度隨蓄電池端電 壓的升高而分級減少。采用這種方法可以消除充電接近充滿時出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象及過充 電問題。 3.3、系統(tǒng)總體框圖 交流 220V 的電流，經(jīng)變壓器降壓成 66V 的交流電，再通過橋式整流和濾波器后， 轉(zhuǎn)換成較為平滑的直流量。而單片機(jī)通過發(fā)出脈沖控制信號，控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截 止，從而對蓄電池組進(jìn)行充/放電，如圖

31、 3.2 所示。圖中的電池端電壓采樣裝置和電池 組溫度檢測裝置，分別對蓄電池組中的每節(jié)電池的端電壓和電池組的周圍環(huán)境溫度進(jìn) 行實時檢測，通過放大電路放大后，將檢測的信號送 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入 到單片機(jī)上。單片機(jī)內(nèi)部經(jīng)過一系列運(yùn)算，求出由于溫度變化而引起的充電電壓變化 量 U，將該值經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成模擬量，輸入到減法運(yùn)算器上，使充電電壓適應(yīng)周 圍環(huán)境溫度的變化。這里還有一個均壓裝置，對串聯(lián)蓄電池組進(jìn)行電壓均衡操作，使 各節(jié)蓄電池的充電狀態(tài)盡量接近一致。 第四章 各電路（元件）的設(shè)計 4.1、單片機(jī)的選擇 目前常用的單片機(jī)主要有 MCS-48、51、96 系列。其中，MCS-

32、96 系列是 16 位單 片機(jī)。而 MCS-51 系列單片機(jī)是目前 8 位微機(jī)中性能價格比最佳，應(yīng)用較多的系列產(chǎn) 品。MCS-51 系列單片機(jī)包括 8051、8751、8031 三種產(chǎn)品。它們的功能相同，主要區(qū) 別在于： 8051 片內(nèi)有 4KB 的 ROM； 8751 片內(nèi)有 4KB 的 EPROM； 8031 片內(nèi)無 ROM 或 EPROM，使用時必須配置外部的程序存儲器 EPROM。 本系統(tǒng)的精度要求不高，8 位的單片機(jī)已經(jīng)足夠了，而且運(yùn)行程序不多，可以直接 選用有 ROM 的 8051 單片機(jī)，無需另外擴(kuò)展程序存儲器。它有 4KB 的 ROM 和 128B 的 RAM，其管腳圖見8所示

33、。 它有四個 8 位的并行 I/O 口，分別記作 P0、P1、P2、P3。其中 P0 是訪問外存儲器 的低位地址和數(shù)據(jù)總線。P2 口，在訪問外存儲器時，輸出高位地址字節(jié)。P3 口具有第 二功能，它實現(xiàn)第二功能時，必須在相應(yīng)的輸出鎖存器里寫入“1” 。這四個 I/O 口的 輸入低電平：-0.50.8V；輸入高電平：2.0VCC+0.5V；輸出低電平：0.45V；輸 出高電平：2.4V。 4.2、整流電路的設(shè)計 整流電路是將交流電壓變換為單向脈動電壓。為了有效地利用交流電源的正負(fù)極 性，本設(shè)計選擇了橋式整流電路。而其中的整流元件有晶體二極管、電子二極管或晶 閘管，這里選則最常用的晶體二極管作為整流

34、元件。 如圖 4.2 所示，它利用了晶體二極管的單向?qū)ㄐ?，在正電流時，晶體二極管 1 和 3 導(dǎo)通，而在負(fù)電流時，晶體二極管 2 和 4 導(dǎo)通，這樣就使輸出端輸出單向的電流。 4.3、濾波器的選擇 濾波器是減小整流電壓的脈動程度，以適合負(fù)載的需要。目前，常用的濾波器有 電容濾波器、電感電容濾波器、 形濾波器等。 4.3.1、電容濾波器（C 濾波器） 如圖 4.2 所示，它的電路簡單，輸出電壓較高，脈動也較??；但是外特性較差， 且有電流沖擊。因此，電容濾波器一般用于要求輸出電壓較高，負(fù)載電流較小并且變 化也較小的場合。 4.3.2、電感電容濾波器（LC 濾波器） 如圖 4.3 所示，電感電容濾

35、波器比 C 濾波器能濾掉更多的交流分量，可以得到甚 為平直的直流輸出電壓。 但是，由于電感線圈的電感較大（一般在幾亨到幾十亨的范 圍內(nèi)） ，其匝數(shù)較多，電阻也較大，因而其上也有一定的直流壓降，造成輸出電壓的下 降。具有 LC 濾波器的整流電路適用于電流較大、要求輸出電壓脈動很小的場合，用于 高頻時更為適合。 4.3.3、 形濾波器 如圖 4.4 所示， 形濾波器的濾波效果是三者中最好的，所以這種濾波電路主要 適用于負(fù)載電流較小而又要求輸出電壓脈動很小的場合。 4.3.4、濾波器的選定 由于蓄電池的充電電壓對其壽命和容量的影響較大，若充電電壓過大，則會造成 過充，嚴(yán)重地降低了蓄電池的實際壽命；反

36、之，若充電電壓過小，則使蓄電池充不足。 因此，要選用脈動很少的 形濾波器。在選擇器件時，選擇低頻電感，電感量為幾十 微亨。因為電感量太大，相應(yīng)的直流電阻大，負(fù)載電流流過電感時，電感上的壓降也 大，使負(fù)載兩端電壓降低；若電感量太小，濾波效果差。而濾波電容可用兩個容量相 同的鋁電解電容，由于變壓器次級電壓為 60V，負(fù)載電流較大，故兩個電容可選幾千 微法的電容。 4.4、開關(guān)管的選擇 考慮到功率器件的開關(guān)速度、價格成本和驅(qū)動電路的簡潔，本設(shè)計中選用 MOSFET 作為主功率開關(guān)管。 開關(guān)管所需承受的最高電壓 20V，考慮到電壓裕量可以選用額定電壓為 50V 左右 的開關(guān)管?？紤]到電感有 10%的電

37、流波動，則通過它的最大電流為 5A。 綜合考慮額定電壓和額定電流的選取，設(shè)計中開關(guān)管選用 VN05M10，其額定電壓 為 50V，額定電流在 25殼溫時為 10A。 如圖 4.5 所示，系統(tǒng)在對蓄電池進(jìn)行充電操作時，由 MOS 型場效應(yīng)管 VN05M10 構(gòu)成的功率單元通過 60V 直流母線供電，源極通過均流電阻與串聯(lián)蓄電池組構(gòu)成串聯(lián) 回路，通過改變柵極電壓控制 VN05M10 輸出電流的大小對充電電流進(jìn)行控制，實現(xiàn) 對串聯(lián)蓄電池組的可控充電。 4.5、放電電路的設(shè)計 為了實現(xiàn)蓄電池組的間歇性放電，可以利用單片機(jī)發(fā)出的電壓控制信號，來控制 場效應(yīng)開關(guān)管的狀態(tài)。同時，以防放電電流倒流，這里使用二

38、極管來限制電流的流向， 如圖 4.6 所示。 4.6、采樣電路 蓄電池充/放電系統(tǒng)主要的測量是充/放電電流與蓄電池端口的電壓，而這里我們 測量的是蓄電池的端電壓以及蓄電池組的溫度變化。對于電壓量的測量在測量領(lǐng)域來 講是較為常見的測量，但是由于本課題設(shè)計的蓄電池充/放電系統(tǒng)是針對多個蓄電池進(jìn) 行充/放電測量與控制的系統(tǒng)，其電壓的實際測量存在一些需要解決與克服的實際問題， 下面將對這些問題提出切合實際的解決辦法。 4.6.1、蓄電池端電壓的采樣電路 a、端電壓的采樣 對蓄電池組進(jìn)行測量要考慮的首要問題是每節(jié)蓄電池之間都有電位的聯(lián)系，由于 蓄電池組中的蓄電池數(shù)量較多，整組電壓很高，因此直接測量比較困

39、難。目前對蓄電 池組監(jiān)測的采集方式都是采用雙刀繼電器進(jìn)行切換，如圖 4.7 所示。 由圖 4.7 中可見，每一節(jié)蓄電池的兩端都與一只雙刀繼電器的兩對動合觸點(diǎn)相連 接。這樣，當(dāng)繼電器都不動作時，所有蓄電池均與測量回路斷開。當(dāng)需要測量某只蓄 電池時，所對應(yīng)的那只繼電器閉合，以使該蓄電池的負(fù)端接到測量電路的地端，蓄電 池的正端經(jīng)緩沖器進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換器。此時其他蓄電池與測量電路仍處于隔離狀態(tài)，因 而對測量沒有影響。用此方法雖可完成對蓄電池組的測量，但需要的繼電器太多，儀 器的體積大，功耗和成本及故障率也較高。 而本系統(tǒng)采用的是雙單刀單擲模擬開關(guān)來完成對被測量的蓄電池的切換。如圖 4.8 所示，通過

40、八路模擬開關(guān) DG845 分時依次驅(qū)動模擬開關(guān) AD7512DIKN，把每節(jié)蓄電池 電壓選送到采樣總線 V+與 V-上。例如：當(dāng)單片機(jī)的 P2.0P2.2 分別為 000 時， DG845 的 A0、A1 和 A2 為 000，則 S1 被選通。驅(qū)動第一個模擬開關(guān) AD7512DIKN 的 雙單刀，使其接到第一節(jié)蓄電池的兩端，這時蓄電池的端電壓通過 OUT1 和 OUT2 輸 出信號處理電路上。而此時其它蓄電池都與數(shù)據(jù)處理電路斷開連接，不會對所輸出的 電壓產(chǎn)生影響。 （DG845 的真值如表 4.1） b、數(shù)據(jù)處理電路 由圖 4.8 可知，OUT1 和 OUT2 輸出的電壓是蓄電池的端電壓。由

41、于蓄電池端電 壓在 25V 之間變化（當(dāng)其低于 2V 時，就會自動啟動均充器進(jìn)行充電；當(dāng)其高于 5V 時，就會觸發(fā)報警電路并停止充電。 ） ，其電壓值在 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍內(nèi)，故 無需電壓放大電路。但本設(shè)計中采用的蓄電池組串充，在某一節(jié)蓄電池的任何一端的 電位都可能高于 5V，而這里的采樣電壓是每一節(jié)蓄電池兩端的電位差，這個值才在 25V 之間。因此，設(shè)計中采用了一個減法運(yùn)算器，它是利用運(yùn)算放大器的減法運(yùn)算 功能，如圖 4.9 所示。 減法運(yùn)算器的輸出電壓 U= Uout1 (1+)-Uout2 32 3 RR R 1R Rf 1R Rf 為了式 U= Uout1- Uout2成立，

42、應(yīng)使 R1=Rf，則 R2+R3=2,而這里使 R2= R3=1k，R1= Rf=2 k。 表 4.1 DG458 的真值表 4.6.2、蓄電池溫度采樣 溫度對蓄電池的容量有一定的影響。當(dāng)環(huán)境溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度而升高時，將使蓄 電池水分散失，加大了電液濃度；其次，蓄電池溫度高會加速合金腐蝕速度，長期處 于這一環(huán)境中的蓄電池板柵可因之而穿孔損壞，易使活性物質(zhì)附著減弱而脫落。由此 看出，環(huán)境溫度的升高，雖使容量有所增加，但高溫又使蓄電池板柵腐蝕劇增，嚴(yán)重 地阻礙著電極反應(yīng)，降低了容量的增加。此外，蓄電池的充電電壓要隨環(huán)境溫度的變 化而作出相應(yīng)的調(diào)整。如果環(huán)境溫度超出標(biāo)準(zhǔn)溫度 25時，應(yīng)將充電電壓降低

43、，否則 必將引起蓄電池過充和過熱，從而使其使用壽命降低、甚至損壞。若溫度低時，由于 充電電壓增大，同樣會引起充電電流增大、板柵腐蝕加速、壽命提前終止等一系列的 問題。而在本系統(tǒng)中，對溫度進(jìn)行監(jiān)控，以此作為溫度補(bǔ)償?shù)囊粋€參數(shù)。 目前國內(nèi)常用的溫度傳感器是熱敏電阻，該溫度傳感器是非線性傳感器，在使用 過程中必須外加補(bǔ)償電路，電路復(fù)雜，體積較大。在課題中，我們選用新型的 LM35 系列集成溫度傳感器。LM35 系列是精密集成溫度傳感器。它是直接以攝氏度為測量標(biāo) 準(zhǔn)，不是以絕對溫度為標(biāo)準(zhǔn)。其線性比例系數(shù)為 10mV/。它的測量精度較高，在 25時的測量精度達(dá)到 0.5，非線性誤差典型值為士 1/4.這

44、個測量精度滿足系統(tǒng) 的要求。同時它還具有低輸出電阻的特性，當(dāng)負(fù)載電流為 1mA 時，輸出電阻僅為 0.1。其工作電流范圍從 400uAmA，工作溫度范圍在-55+150之間。 如圖 4.10 所示為溫度傳感器接線圖。我們設(shè)定的溫度測量范圍為 0100，則輸 出電壓 V1范圍為: V1=0+10mV/100=1V 為了使 A/D 轉(zhuǎn)換的輸入統(tǒng)一到 05V，我們使用了比例放大器，通過比例放大， 使輸出的 V2達(dá)到合適的范圍，從而滿足了系統(tǒng)的要求。 V2=(1+4/1)V1=5V1=5V 4.7、蓄電池電壓均衡電路 前面已經(jīng)提過，用電容與蓄電池并聯(lián)可使每一節(jié)電池的電壓趨于均衡。故這里在 此基礎(chǔ)上，運(yùn)

45、用模擬開關(guān) AD7512DIKN 來達(dá)到所要的目的，如圖 4.11 所示。 4.8、A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 本設(shè)計的采樣電壓最大為 5V，則一般的 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率為 mV 5 . 1910 2 1 5 3 8 而這里的采樣電壓精度在 50mV 左右(設(shè)計中，電池端電壓的采樣電壓精度取 0.1V；而 溫度采樣精度取 1，由于溫度傳感器的線性比例系數(shù)為 10mV/，故有 110mV/ =10mV，經(jīng)比例放大器放大后，精度為 510mV=50mV)，也就是說 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器就可 以滿足要求，故可采用較常用的 ADC0809 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其引腳圖見10，它是帶 有 8 位 A/

46、D 轉(zhuǎn)換器、8 路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的 CMOS 組件；是逐 次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。它由一個 8 路模擬開關(guān)、一個地址鎖 存與譯碼器、一個 A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通 8 個模擬 通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的 數(shù)據(jù)。 ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是 05V，若信號太小，必 須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需 在輸入前增加采

47、樣保持電路。 ADC0809 應(yīng)用說明如下 ： （1）ADC0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與 8051 單片機(jī)直接相連。 （2）初始化時，使 ST 和 OE 信號全為低電平。 （3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到 A，B，C 端口上。 （4）在 ST 端給出一個至少有 100ns 寬的正脈沖信號。 （5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù) EOC 信號來判斷。 （6）當(dāng) EOC 變?yōu)楦唠娖綍r，這時給 OE 為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。 其主要技術(shù)指標(biāo)和特性如下： 分辨率：8 位 轉(zhuǎn)換時間：取決于芯片時鐘頻率，轉(zhuǎn)換一次時間為 64 個時鐘周期，當(dāng) CLK=500KHz 時，轉(zhuǎn)換時間 T=128s，

48、最大允許值為 800KHz。 單一電源：+5V 模擬輸入電壓范圍：單極性 0+5V；雙極性5V，10V 具有可控三態(tài)輸出鎖存器 啟動轉(zhuǎn)換控制為脈沖式（正脈沖） ，上升沿使內(nèi)部所有寄存器清零，下降沿使 A/D 轉(zhuǎn)換開始 這里的采樣電壓和溫度共用一個 A/D 轉(zhuǎn)換器，因此它們要分時送入到 A/D 轉(zhuǎn)換 器里，不能同時進(jìn)行。對于外部環(huán)境來說，溫度變化是非常緩慢的，而采樣電壓在任 一節(jié)蓄電池的端電壓控制下，也是變化非常微小的，它們在 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換期間可以 認(rèn)為是不變的，故這里無需用采樣保持電路。只要在單片機(jī)的控制下，對 A/D 轉(zhuǎn)換器 中的 A、B 和 C 進(jìn)行選擇，即可實現(xiàn)分時采取電壓和溫度信

49、息。 4.9、顯示電路 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常使用 LED（發(fā)光二極管） 、CRT 顯示器和 LCD（液晶顯示 器）等作為顯示器件。其中 LED 和 LCD 成本低、配置靈活、與單片機(jī)接口方便，故 應(yīng)用廣泛。 數(shù)碼顯示器是單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品中常用的廉價輸出設(shè)備。它是由若干個發(fā)光二極管 組成的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點(diǎn)或一個筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極 管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。常用七段顯示器的結(jié)構(gòu)如圖 4.12 所示，其中（a）為 共陰極， （b）為共陽極，(c)為管腳配置。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯 示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。這種筆畫式的七段顯示器，能顯示的字符

50、數(shù)量較少，但控制簡單、使用方便。 實際使用的 LED 顯示器都是多位的。對多位 LED 顯示器，通常都是采用動態(tài)掃 描的方法進(jìn)行顯示，即逐個地循環(huán)地點(diǎn)亮各位顯示器。這樣雖然在任一時刻只有一位 顯示器被點(diǎn)亮，但是由于人眼具有視覺殘留效應(yīng)，看起來與全部顯示器持續(xù)點(diǎn)亮效果 完全一樣。 為了實現(xiàn) LED 顯示器的動態(tài)掃描，除了要給顯示器提供段（字形代碼）的輸入之 外，還要對顯示器加位的控制，這就是通常所說的段控和位控。因此多位 LED 顯示器 接口電路需要有二個輸出口，其中一個用于輸出 8 條段控線（有小數(shù)點(diǎn)顯示） ；另一個 用于輸出位控線，位控線的數(shù)目等于顯示器的位數(shù)，如圖 4.13 是使用 815

51、5 作四位 LED 顯示器的接口電路。其中 C 口為輸出口（位控口） ，以 PC0PC0輸出位控線。由 于位控線的驅(qū)動電流較大，8 段全亮?xí)r約 4060mA，因此 PC 口輸出加 74LS06 進(jìn)行反 相和提高驅(qū)動能力，然后再接各 LED 顯示器的位控端。A 口也為輸出口（段控口） ，以 輸出 8 位字形代碼（段控線） 。段控線的負(fù)載電流約為 8mA，為提高顯示亮度，通常加 74LS244 進(jìn)行段控輸出驅(qū)動。 4.10、D/A 轉(zhuǎn)換器的選擇 D/A 轉(zhuǎn)換是將數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成與此數(shù)值成正比的模擬量。對于蓄電池串充系統(tǒng)， 若溫度變化，而蓄電池的溫度系數(shù)為，則對于 8 節(jié)蓄電池來說，其總的充1mV

52、/4 電電壓變化為。當(dāng) 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器輸入的基準(zhǔn)電壓為-5V 時，mVmV321/48 它的分辨率為，即 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器mVmVVVV REF 325 .1910 2 1 5 2 1 3 88 0 （ 的已經(jīng)符合精度要求。故這里可以選用了 DAC0832 轉(zhuǎn)換器，引腳圖見10 。其主要 指標(biāo)如下： 分辨率：8 位 電流穩(wěn)定時間：1s 可單緩沖、雙緩沖或直接輸出 單電源供電 低功耗：200mW 此充電系統(tǒng)中的 D/A 轉(zhuǎn)換器是用來將外部環(huán)境溫度的變化反饋到充電電壓上，以 此達(dá)到智能控制充電電壓的變化，使蓄電池處于較好的充電電壓下進(jìn)行充電。 4.11、時鐘電路 時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時鐘信號。在 8051 單片機(jī)內(nèi)部有一個高增 益反相放大器，其輸入端為引腳 XTAL1，其輸出端為引腳 XTAL2。而在單片機(jī)的外部， XTAL1 和 XTAL2 之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振蕩 器，這就是單片機(jī)的時鐘電路。如圖 4.14 所示。 時鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進(jìn)行二分頻之后，才成為單片機(jī)的時鐘脈沖 信號。一般電容 C1 和 C2 取 30pF 左右。晶體的振蕩頻率范圍是 1.2MHz12MHz。晶 體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快。但反過來運(yùn)行速度 快對存儲器的速度要求就高，對印刷電路