智能充电器的设计

  智能充电器的设计 智能充电器的设计 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。 二、常用的蓄电池分类及特点 1)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(即 每公斤蓄电池存储的电能)、使用寿命短和日常维护频繁。 2)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 20-30 分钟就可使用。 3)免维护蓄电池:免维护蓄电池由于自身结构上的优势,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。 三、电瓶的工作原理 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 22~28%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 22~28%的稀硫酸。 四、电瓶的主要用途 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; 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 铁路用蓄电池:主要用于铁路内燃机车、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; 由于铅酸蓄电池维护简单、价格低廉、供电可靠、使用寿命长,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酸蓄电池充电器是十分必要 的。 本文介绍一种基于单片机的通用智能充电器的设计。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,计算电池已充的电量和剩余 的充电时间;还可以通过串口和上位机进行通讯并给用户显示必要的信息,有虚 拟仪表的作用;另外,它也可以改变参数,适应各种不同电池的充电。这里列举几 种不同的电池充电试验,来说明智能充电器的实用价值。 1.1 本课题的研究背景、发展及意义 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,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。因此,为了适应市场的需求,我们需要设计一种铅蓄电池智 能充电器。 1.2 本课题的基本内容 智能电瓶充电器的设计所涉及的基本内容大概有: 第一,有关铅蓄电池的电化学原理和充放电原理。 第二,关于充电器对铅蓄电池充电的原理及其电路设计。 第三,涓电流对电池充电的原理及其特点。 第四,充电器对充电过程的检测及其自动转换。 第五,充电器在充电过程中对电池的保护功能。 第六,电路设计及其元件的选择调试等。 第二章 基本理论介绍 2.1 铅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 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,从而奠定了智能充电方法的研究方向。 由图 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。 蓄电池是可逆的。其放电及充电的化学反应式如下 (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, 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。 a)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。 b)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。 c)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 M+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。 2.2 充电方法的研究 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。 a) 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 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,因此,常选用阶段充电法。 b)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,如图 3 所 示。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 。 c)恒压充电法 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。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。快速充电技术近年来得到了迅速发展。 下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。这些方法都是围绕着最 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。 a) 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,如图 5 所示。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,减少了析气量,提高了蓄电池的充电电流接受率 。 b) Reflex 快速充电法 这种技术是美国的一项专利技术,它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。铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测 方法与镍镉电池有很大的不同,但它们之间可以相互借鉴。 如图 6 所示,Reflex 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。 c) 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 7 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。 d) 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 8 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。 比较图 7 和图 8,可以看出:图 8 更加符合最佳充电的充电曲线。在 每个恒电压充电阶段,由于是恒压充电,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。 e) 变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法 综合脉冲充电法、Reflex 快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间 歇充电法的优点,变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法得到发展应 用。脉冲充电法充电电路的控制一般有两种: ⅰ 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; ⅱ 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。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 a)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 (1) 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。 由于蓄电池的初始接受电流 Io=AC,所以 I0=AC=K1(根号 C) (2) b)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 (3) 式中:K2 为放电量常数,视放电量的多少而定; k 为计算常数。 c)蓄电池在以不同的放电率放电后,其最终的允许充电电流 It(接 受能力)是各个放电率下的允许充电电流的总和,即: It=I1+I2+I3+I4+... (4) 式中:I1、I2、I3、I4...为各个放电率下的允许充电电流。 综合马斯三定律,可以推出,蓄电池的总电流接受比可表示为 α =It/Ct (5) 式中:Ct=C1+C2+C3+C4+...为各次放电量的总和,即蓄电池放出 的全部电量。 马斯三定律说明,在充电过程中,当充电电流接近蓄电池固有的微量 析气充电曲线时,适时地对电池进行反向大电流瞬间放电,以消除电池的极化 现象,可以提高蓄电池的充电接受能力,如图 1 所示。也就是说通过反向大电 流放电,可以使蓄电池的可接受电流曲线不断右移,同时其陡度不断增大,即 α 值增大,从而大大提高充电速度,缩短充电时间。 2.4 充电方法设计 基于上述理论,并考虑到铅酸蓄电池自身的一些特性,本文介绍的快 速充电装置所采用的充电方法将整个充电过程分为了预充电、脉冲快速充电、 补足充电、浮充电 4 个阶段,如图 9 所示。根据蓄电池充电前的残余电量,进 入不同的充电阶段。 2.4.1 预充电 对长期不用的电池、新电池或在充电初期已处于深度放电状态的蓄电 池充电时,一开始就采用快速充电会影响电池的寿命。为了避免这一问题要先 对蓄电池实行稳定小电流充电,使电池电压上升,当电池电压上升到能接受大 电流充电的阈值时再进行大电流快速充电。 2.4.2 脉冲快速充电 在快速充电过程中,采用分级定电流脉冲快速充电法,将充电电流分 成三级,如图 10 所示。开始充电时采用大电流,随着电池容量的增加,电压逐 渐升高,电流等级开始降低,使充电电流的脉冲幅度和宽度随蓄电池端电压的 升高而分级减小。采用这种方法可以消除充电接近充满时易出现的振荡现象及 过充电问题。 在脉冲快速充电过程中,电池电压上升较快,当电压上升至补足充电 电压阈值时,转入补足充电阶段。 2.4.3 补足充电 快速充电终止后,电池并不一定充足电,为了保证电池充入 100%的 电量,对电池还要进行补足充电。此阶段充电采用恒压充电,可使电池容量快 速恢复。此时充电电流逐渐减小,当电流下降至某一阈值时,转入浮充阶段。 2.4.4 浮充电 此阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量,只要电池接在充电 器上并且充电器接通电源,充电器就会给电池不断补充电荷,这样可使电池总 处于充足电状态。此时也标志着充电过程已结束。 第三章 设计方案论证 3.1 控制方式 3.1.1 单片机的控制方式 根据铅蓄电池脉冲魁岸素充电理论,可利用单片机的输出脉冲控制半 桥式变换器的两个开关管 V1、V2 的通断。单片机通过各种检测电路在充电过程 中对铅蓄电池进行检测并做出相应的控制处理。 铅蓄电池的充电温度可以通过温度传感器测量,将测出的电压量送至 单片机的输入口,充电电压有两个分压电阻检测。单片机通过检测的蓄电池的 充电温度、充电电流、充电电压等,再经软件处理计算后控制主电路处于不同 的充电状态:预充电、脉冲快速充电、补足充电和浮充电。 总体控制方案如 11 图所示。 图 11 单片机总体控制方案 3.1.2 脉冲调制控制器 SG2535 的控制方式 通过对电压、温度的检测控制脉冲调制控制器 SG2535 的输出脉冲宽 度,以实现不同阶段的充电、暂停和终止充电。本方案由脉冲调制控制器 SG2535 输出的脉冲控制开关管 V1、V2 的栅极,以达到控制充电状态的目的。 3.2 方案设计 基于铅蓄电池的充电理论,充电器主电路采用半桥变换器高频开关稳 压电源。而控制电路通过单片机控制。电网点先经过各种保护环节,在通过 EMI 滤波器除去共模信号。桥式整流后,通过两电容分压,分压后与两开关管 V1、V2 相联。组成半桥式功率变换器,将正弦交流电压变换成约高于充电电压 的脉冲电压。在经过半桥滤波和 LC 滤波电路使电压达到一较稳定值。 控制电路由单片机 AT89S51 组成,电源由电网交流电经过变压器变 压、全桥整流、稳压管稳压后提供。单片机通过检测温度传感器的电压信号, 以软件的方式控制输出脉冲,从而控制开关管的通断。另外,通过检测充电电 压和电流值,控制单片机输出脉冲宽度,以进入不同的充电阶段。 第四章 硬件电路设计 4.1 充电器主电路设计 4.1.1 整流电路设计 a) 桥式整流 由于单相半波整流只利用了电源电压的半个周期,同时整流电压的脉 动较大。为了克服这些缺点,这里采用全波整流电路--单相桥式整流电路。单 相桥式整流电路由 4 个整流二极管接成电桥的形式构成,如图 12 所示。 图 12 桥式整流电路 由电路图可知,无论电压 U2 是在正半周还是负半周,负载上都有相同 方式的电流流过。因此,在负载得到的是单相脉动电压和电流。忽略二极管导 通时的正向压降,则单相桥式整流电路的波形图如下。 图 13 桥式整流电路的输出波形 单相半波整流电压的平均值为: 二极管截止时承受的最高反向电压为 U 的最大值,即 UDRM =U2M =1.414U =1.414×220V =308V 因此,所选用的整流二极管的最高工作电压为 1000V。 b) 电容滤波电路 电容滤波电路是在整流电路的直流输出侧与负载并联电容器,利用电 容的端电压在电路状态改变时不能突变的原理,使输出电压趋于平滑。电容滤 波电路如下所示。 图 14 电容滤波电路 本电路的输出电压在负载变化时波动大,说明它的带负载能力差,只 适合于负载较轻且变化不大的场合。电路简单,输出电压高,只是输出电压不 稳定。 电容滤波是的输出电压平均值为: 全波: U3 = (1.2~1.4)U1 = (1.2~1.4)×220V = 264V (取 1.2) 4.1.2 半桥逆变电路 半桥逆变电路由两个导电臂构成,每个导电臂由一个全控器件和一个 反并联二极管组成。电路图如下所示。直流侧接有两个相互串联切足够大的电 容器 C1 和 C2,满足 C1=C2。 图 15 半桥逆变器电路 在一个周期内,开关管 V1、V2 的基极信号各有半周正偏、半周反偏, 且互补。设在 t2 时刻以前 V1 导通,V2 截止,则 U4=±1/2U3。 t2 时刻 V1 截止,同时给 V2 发出导通信号,由于感性负载中的电流 i 不能立即改变方向,于是 D2 导通续流。U4=-1/2U3。 t3 时刻 i0 降至零,D2 截止,V2 导通,i0 开始反向增大。此时仍然有 U4=-1/2U3。 t4 时刻 V2 截止,同时给 V1 发出导通信号,由于感性负载中的电流 i0 不能立即改变方向,于是 D1 先导通续流。此时仍然有 U4=+1/2U3。 t5 时刻 i0 降至零, V1 导通。U4=+1/2U3。 由上分析可知,输出电压 U4 周期为 TS 矩形波,其幅值为 1/2U3。当 V1 或 V2 导通时,负载电流和电压同方向,直流侧向负载提供能量。而当 D1 或 D2 导通时,负载电流和电压反方向,负载中电感的能量向直流侧反馈,即负载 将起吸收的无功能量反馈回直流侧,反馈的能量暂时存储在直流侧的电容中。 该电容起缓冲这种无功能量的作用。半桥逆变电路输出电压波形如图所示。

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