电动自行车智能充电器的设计.docx

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电动自行车智能充电器的设计

中央广播电视大学

毕业设计（论文）

题目电动自行车智能充电器的设计

专业机械设计制造及其自动化

学生姓名袁全定

学号1542001253812

指导教师柴长富

2017年2月15日

学生毕业设计（论文）原创性声明

本人以信誉声明：

所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。

与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业设计（论文）作者（签字）：

年月日

摘要

随着环境污染和能源危机的加剧，世界各国开始大力推广电动自行车和电动汽车，电动自行车以其独特的优势得到了广泛的应用，但是电动自行车在其使用的过程中也逐渐暴露出了缺点，就是电动自行车配备的铅酸蓄电池使用寿命普遍较短。

研究发现：

电池充电过程对电池寿命影响最大，小电流充电过程的影响较少。

也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的！

由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命是多么的重要！

针对这个问题，本文设计了一种电动自行车智能充电器。

本设计以89C81单片机为核心，使用开关电源产生不同的电压和电流，通过程序控制外围电路，提供不同阶段的充电电流。

充电过程中，采样电路对蓄电池的电压、电流进行实时检测，然后通过A/D转换器把采样得到的模拟信号转换成数字信号输送给单片机，由单片机来确定蓄电池的充电模式，以达到最佳的充电效果。

关键词：

铅酸蓄电池智能充电开关电源

ABSTRACT

Alongwiththeenvironmentalpollutionandenergycrisisintensifies,thecountriesallovertheworldstartedtopromoteelectricbicycleandelectriccars,andelectricbicyclewithitsuniqueadvantageshasawiderangeofapplications,butelectricbicycleintheuseoftheprocessalsograduallyexposedshortcomings,whichisequippedwithelectricbicyclethelead-acidbatteryservicelifeisgenerallyshorter.Studyfoundthat:

thebatteryprocessonthebatterylifehasthemostinfluence,andthesmallcurrentchargingprocesshaslessinfluence.Thatis,mostofthestoragebatterywerenotusedbad,but"filledbad".Thisshows,howimportantisagoodchargerforthebatteryusinglife!

Accordingtothisproblem,thispaperintroducesadesignofelectricbicyclesmartcharger.

Thisdesignwith89C81microcontrollerascore,useofswitchpowersupplyproducedifferentvoltageandcurrent,throughtheprogramcontrolperipheralcircuit,providedifferentstagesofthechargingcurrent.Duringcharging,samplingcircuitforthebatteryvoltageandcurrentreal-timeelectricalmeasurement,andthenthroughtheA/Dconvertertotheanalogsignalsamplinggetconvertedintodigitalsignalsfeedtothemicrocontroller,bysingle-chipmicrocomputertodeterminethebatterychargingmode,toachievethebestofchargingeffect.

Keywords:

Lead-acidbattery；Intelligentcharging；Switchpowersupply

1绪论

1.1电动自行车蓄电池的使用现状和发展趋势

为了解决能源和环境污染问题，世界各国正在大力开发电动车辆，其中电动自行车已有多种产品投放市场，电动自行车由于它的独特优点，受到使用者的青睐，正在迅速发展。

电池是电动自行车的“心脏”，是决定电动自行车性能的重要零件之一。

国内外主要有一下几种蓄电池。

（1）镍氢电池

镍氢电池是大容量的蓄电设备的主要类型，但其潜力有限。

相对于铅酸电池、镉镍电池来讲，镍氢电池具有充电快速、使用寿命长、安全性好等优点，所以被广泛用于动力电池，如著名的丰田Pruis电动汽车使用的就是镍氢动力电池。

但镍氢电池的能量密度低、“记忆效应”等缺陷严重遏制了应用，且价格比较昂贵，有待进一步发展。

（2）锂离子电池

锂离子电池应用前景好，将逐渐取代铅酸电池和镍氢电池。

锂电池具有体积小、能量密度和功率密度高、电压高、无污染性等优点，锂电池的能量密度是镍氢电池的近2倍。

但锂电池存在过放能力较差和易燃易爆等问题，有待电池管理系统技术的进步来逐步得到解决。

致命的缺点的价格异常昂贵，成本难以接受。

（3）镍镉蓄电池

镍镉的特点是轻便、抗震、寿命长、价格便宜。

缺点是，镉金属对于环境有污染，电池容量小，寿命短，所以镍镉电池是最低档的电池。

有记忆效应。

每次充电都须先放电，而后充电，主要用于小型电子设备。

（4）铅酸蓄电池

尽管铅酸电池比能量低，自放电率高（存放时电压和性能下降），循环寿命低，铅的重量大，而且铅作为重金属在生产和回收过程中可能产生环境污染。

但铅酸蓄电池时应用历史最长、技术最成熟、成本最低廉的蓄电池，已实现大规模商业化和工业化应用，是目前电力系统用得最多的储能设备。

（5）燃料电池

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。

燃料和控制分别送进燃料电池，点就奇妙地生产出来。

他从外表看有正负极和电解质等，想一个蓄电池，但实质上他不能“触电”而是一个“发电厂”。

上述可供电动自行车选用作为动力源的各种蓄电池，其性能对比如表1-1所示：

表1-1：

蓄电池性能对比

铅酸蓄电池锂电池镍镉蓄电池镍氢蓄电池燃料电池

能量密度★●▲▲～●●

动力▲～●●▲～●▲～●●

循环寿命◆～★▲●●？

可靠性▲？

▲▲？

安全性▲◆▲▲？

资源●◆～★●★～▲◆～▲

成本▲◆◆～★◆～★◆

●：

优秀▲：

良好★：

可接受◆：

有许多问题待解决

通过表1-1蓄电池的性能比较可以看到，虽然它们各有优缺点，但铅酸蓄电池的综合性能显然要比其他动力用蓄电池略高一筹。

因此根据电动自行车对动力源的性能要求，在电动自行车上使用铅酸蓄电池，前景是乐观的。

随着铅酸蓄电池制造技术的日渐成熟和使用上的大力推广，铅酸蓄电池的发展前景是广阔的，但就目前的技术水平来讲，作为动力源用的铅酸蓄电池还未达到标准化生产。

铅酸蓄电池要想实现标准化生产，至少需要满足以下几个条件：

（1）比能量大于50w.h/kg；

（2）寿命在5h率条件下达1200～1500次循环；

（3）充电后每次可行驶160km以上；

（4）有足够的功率供电动自行车在5s内从零加速到10km/h。

要想达到这一标准，目前面临的困难主要是，铅酸蓄电池的能量、功率与循环寿命等指标间的相互冲突。

虽然提高蓄电池活性物质的利用率、改进蓄电池组极板和单体电池之间的连接、加大蓄电池的放电深度等方法可以有效的提高铅酸蓄电池的比能量和比功率，但这些方法也会导致不良的后果，像易造成蓄电池内部极板上活性物质的脱落、骨芯的腐蚀等，这将损害铅酸蓄电池的使用寿命。

由此可见，提高铅酸蓄电池的质量，延长其使用寿命是未来铅酸蓄电池发展的必然趋势。

1.2目前主要的充电技术

目前铅酸蓄电池的充电模式，主要包括常规的充电模式和快速充电模式。

对铅酸蓄电池来说，不管采用哪种充电模式对其进行充电，在充电过程中都遵守“硫酸盐化”理论，即都会对蓄电池的寿命和性能产生一定的影响，由此可见，充电模式的选择对蓄电池寿命和使用性能的维护有着密切的关系。

1.2.1常规充电

在以往的蓄电池充电模式中，所采用的大都是常规充电模式，常规充电模式主要包括以下几种充电方法：

（1）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1.1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）恒压充电法

恒压充电法的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1.2所示。

由于充电初期蓄电池电动势较低，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。

因此，恒压充电一般应用在电池组电压较低的场合。

1.2.2快速充电法

如上所述，铅酸蓄电池的各种常规充电方法，不管是从对蓄电池的电气性能影响还是对蓄电池寿命的影响来讲，都不是最理想的充电方法。

随着蓄电池技术和电子技术的快速发展，常规充电方法充电时间普遍长，充电效率低，出气量大，蓄电池的周转利用率低，充电管理复杂等缺点日益暴露出来。

为了最大限度的缩短蓄电池达到满充的时间，人们发明了蓄电池的快速充电法。

快速充电技术主要包括以下几种充电方法

（1）脉冲充电法

脉冲充电法是一种新型的充电模式，也是目前应用最广泛的快速充电技术。

是指在充电过程中，采用脉冲电流对蓄电池进行充电，中间会有短暂的停充，可以有效地去除极化现象。

（2）ReflexTM快速充电技术

ReflexTM快速充电技术是脉冲充电技术的再发展，它主要针对的对象是镍镉等具有记忆效应的蓄电池。

但对铅酸蓄电池充电技术的研究和充电器的设计，也具有一定的借鉴作用。

（3）变电流间隙充电法

变电流间歇充电法是在恒流充电和脉冲充电基础上建立起来的，也是恒流充电和脉冲充电的结合。

在对铅酸蓄电池进行充电的初期，若采用变电流间歇充电，可以实现用大电流对铅酸蓄电池进行充电，这样使蓄电池可以在较短的时间内充入较多的电量。

对铅酸蓄电池充电的后期，若采用一定的电压值对铅酸蓄电池进行充电，可以将蓄电池的电量恢复至放电前的满充状态。

在充电过程中通过间歇的停充，可以使蓄电池内部的活性物质重新进行化学反应，使极化现象得以消除，并能使蓄电池内部的温度降下来，使充电过程更顺利的进行，从而可以有效提高蓄电池的充电效率。

1.3本课题目的及意义

电动汽车是目前世界上唯一能达到零排放的机动车。

随着环境污染和能源危机的加剧，世界各国开始大力推广电动自行车和电动汽车，电动自行车以其独特的优势得到了广泛的应用，但是电动自行车在其使用的过程中也逐渐暴露出了缺点，就是电动自行车配备的铅酸蓄电池使用寿命普遍短。

“铅酸蓄电池”本是现今为止世界上广泛使用的一种无机化学电源，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，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，同时也是社会生产经营活动中不可缺少的产品。

但是，若使用不当，会导致其寿命大大的缩短。

影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。

研究发现：

电池充电过程对电池寿命影响最大，小电流充电过程的影响较少。

也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的！

由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有无以言重的作用！

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。

除此之外，充电即将结束时，人们往往忘记将充电器拔下，继续充电，时间太长久，电池发热量很大，从而造成电池极化，影响电池寿命，很可能导致电池无法再次使用，冲的鼓包，还有流水等现象。

本课题针对电动自行车铅酸蓄电池的上述问题，研究如何建立一个良好的智能化程度较高的铅酸蓄电池充电系统，设计一种智能化程度较高的充电器，尽量充电时冲的适合，使铅酸蓄电池被冲坏的程度降到最低。

2总体方案设计

2.1充电器的充电原理

2.1.1蓄电池充电理论基础

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。

一般地说，充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降，不可能完全按恒流或恒压充电。

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。

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，如图2.1所示。

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，从而奠定了快速充电方法的研究方向。

图2.1最佳充电曲线

由图2.1可以看出：

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是可逆的。

其放电及充电的化学反应式如下：

PbO2＋Pb＋2H2SO4→2PbSO4＋2H2O  

（1）

很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。

可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。

理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。

但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。

在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。

一般来说，产生极化现象有3个方面的原因。

1）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。

2）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的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。

3）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。

例如：

电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。

放电时，立即有电子释放给外电路。

电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢Me－eMe＋，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。

这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子Me＋转入溶液，加速Me－eMe＋反应进行。

总有一个时刻，达到新的动态平衡。

但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。

也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。

同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。

这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。

2.1.2充电器的工作原理

根据马斯理论，为了满足铅酸蓄电池最佳充电曲线，本文给充电过程分为四个阶段：

涓流充电—恒流充电—恒压充电—浮充电。

如图2.2所示：

U．I

恒压浮充U

恒流

涓流

I

t/min

图2.2铅酸蓄电池个阶段充电电压、电流曲线

根据充电前蓄电池残余电量的不同，每次充电的时间将有所不同。

（1）涓流充电

若蓄电池在充电初期已处于深度放电状态，为避免对蓄电池充电电流过大，造成热失控，单片机通过采样电路监测电池的电压，对蓄电池实行稳定小电流涓流充电。

在涓流充电阶段，电池电压开始上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阀值时则转入恒流充电阶段。

（2）恒流充电

该阶段为大电流恒流充电，电池电压上升较快，当电压上升至恒压充电阀值时，则转入恒压充电阶段。

（3）恒压充电

该阶段为恒压充电，它可使电池容量快速恢复。

这时充电电流逐渐减小，当电流下降至某一固定值时，自动转入浮充电。

（4）浮充电

该阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，此标志着充电过程结束。

2.2系统设计

根据电动自行车的传统充电方法，以及新兴的快速充电方法，以单片机为核心控制部件，设计一款基于单片机控制的智能型充电器。

通过采样电路可以实时的对铅酸蓄电池进行信息采集，并对采集到的数据进行分析处理，确定铅酸蓄电池可接受的最佳充电模式。

采用分阶段的充电方法，使其尽可能的沿着铅酸蓄电池可接受的最佳充电率进行充电，不仅可以有效的提高充电效率，而且可以有效的延长铅酸蓄电池的循环寿命。

其原理图如图2.3所示：

图2.3智能充电器的设计原理图

充电系统通过采样电路对蓄电池的电压、电流等状态信息进行检测，并将检测到的信号经A/D转换器转换后传送给单片机，单片机根据所采集到的蓄电池的状态信号分析蓄电池的状态，从而根据程序控制充电电路的输出电压或输出电流。

充电过程中系统对蓄电池的电压和电流进行实时交替采样，在单片机的控制下采用分阶段的充电方法，尽可能的沿着蓄电池的最佳接受充电曲线进行充电，提高充电效率。

3电动自行车智能充电器的硬件设计

由于条件的实验室的环境等问题，电动自行车的铅酸蓄电池没能拿来研究。

不过本设计采用了和电动自行车的铅酸蓄电池有相同充放电曲线和一些其他使用规律的实验用铅酸蓄电池。

本设计采用的是12V4.5AH的铅酸蓄电池，完全放电时端电压为10.8V。

充电时电压可以超过12v，最高可以到16.2V，停止充电时，很快降到13.8V。

本设计最终实现了对12V铅酸蓄电池的智能充电，改变一些电路的参数，也够实现对电动自行车铅酸蓄电池的智能充电。

3.1智能充电器原理图

见附录1。

3.2降压、整流及滤波

图3.1降压、整流及滤波电路

电路如3.1所示，220V交流电经变压器将为24V交流电，再经过桥式电路BR1整流为脉动直流，再经C1滤波得到30V左右的直流电。

3.3稳压电路

图3.2稳压电路

电路如图3.2所示，经整流滤波之后的直流电，通过三端可调稳压器LM317稳压之后输出20.2V直流电。

LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。

稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.25（1+R2/R1）。

其输出电压变化范围是Vo=1.25V—37V（高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo=1.25V—45V），最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。

3.4基准电压

图3.3基准电压电路

本文根据TL431的恒压原理，做了一个5V和一个2.5V的基准电压。

用于单片机和AD0809的电源，以及比较运放U3：

A的正端。

TL431A,B集成电路是三端可编程并联稳压二极管。

这些单片集成电路电压基准如同低温度系数齐纳管一样运行，通过2个外部电阻可从Vref编程至36伏。

这些器件显示出宽工作电流范围，在典型动态阻抗0.2252时为1.0毫安至100毫安。

这些基准的特性使他们能在数字电压表、电源和运放电路等许多应用中代替齐纳一极管。

2.5伏参考使从5.0伏逻辑电源可力一便地获得稳定参考电压。

由于TL431，A、B工作方式为并联稳压器，所以可以用作正压或负压参考。

3.5开关电源

图3.4开关电源电路

开关电源电路如图3.4所示，由单片机U1、比较运放U3:

A、三极管Q2以及LC滤波电路组成。

其中单片机P1.4引脚提供一个脉冲方波，经比较运放之后，决定三极管开或关，即决定是否将三极管集电极的电压发送给发射极。

这样，发射极就得到一个脉冲的方波，最大值约等于集电极电压（集电极电压是由稳压电路提供），最小值约等于0V。

通过单片机程序改变脉冲方波的占空比来实现输出电压的调节。

输出电压平均值为：

V0=Ton×（V1-Vce）+Toff×V2。

（其中V1为三极管Q2集电极电压,V2为三极管关闭时发射极的电压），然后经过LC滤波器滤波之后，脉冲电压被调节为稳定直流电压，更有利于蓄电池的充电。

3.6采样电路及A/D转换

图3.5采样电路

采样电路如图3.5所示，采样电路采用ADC0809采集蓄电池两端的电压。

蓄电池的负极接了一个2欧左右的采样电阻，因此，采集到的负极的电压U1就是作用到采样电阻上面的电压。

由欧姆定律：

I=U/R知，采样电流I1=U1/2。

由于蓄电池的正极电压过大，不能直接用ADC0809转换，所以设计了两个电阻串联分压。

检测如图R17上面的电压U0，然后在根据串联分压：

蓄电池正极电压U2=U0×（R16+R17）/R17。

因此蓄电池的端电压：

U=U2-U1，充电电流为：

I=I1=U1/2。

3.7显示电路

图3.6显示电路

如图3.6所示，数码管断码显示电路由单片机程序控制数码管输出，数码管显示铅酸蓄电池的端电压。

3.8报警电路

图3.7报警电路

如图3.7所示，报警由单片机控制蜂鸣器完成，当单片机判断达到报警的条件时，给P1.4一个低电平，蜂鸣器通电，报警。

4电动自行车智能充电器的软件设计

用软件实现的智能控制主要包括以下几个方面：

能实时接收采样电路检测到的蓄电池的电压和电流，并对采集到的信号进行处理，转而控制充电系统的充电电压和充电电流。

4.1充电系统主程序设计

本设计采用的核心控制部件是STC89C51RC,主程序采用C语言进行设计。

C语言作为一种组合语言，以其可移植性好、适用范围大等优点得到了广泛的应用。

它具有非常强大的功能，不仅可以单独使用，也可以和其他语言结合使用，语言简洁紧凑，运算符和数据结构丰富，