基于单片机的智能电池充电器的设计毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的智能电池充电器的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

路时 （电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子 ， 两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。 铅酸蓄电池放电过程的电化反应 铅酸蓄电池放电 时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流 I。 同时在电池内部进行化学反应。 负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子（ Pb2+）与电解液中的硫酸根离子（ SO42）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（ PbSO4）。 正极板的铅离子（ Pb4+）得到来自负极的两个电子（ 2e）后，变成二价铅离子（ Pb2+），与电解液中的硫酸根离子（ SO42）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（ PbSO4）。 正极板水解出的氧离子（ O2）与电解液中的氢离子（ H）反应，生成稳定物质水。 电解液中存在的 硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。 放电时 H2SO4浓度不断下降，正负极上的硫酸铅（ PbSO4）增加，电池内阻增大（硫酸铅不导电），电解液浓度下降，电池电动势降低。 铅酸蓄电池充电过程的电化反应 充电时，应在外接一直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。 在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（ Pb2+）和硫酸根负离子（ SO42），由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二价铅离子（ Pb2+）不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子（ Pb4+），并与水继续反应，最终在正极极板上生成二氧化铅（ PbO2）。 在负极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（ Pb2+）和硫酸根负离子（ SO42），由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的 二价铅离子（ Pb2+）被中和为铅（ Pb），并以绒状铅附着在负极板上。 电解液中，正极不断产生游离的氢离子和硫酸根离子（ SO42），负极不断产生硫酸根离子（ SO42） ，在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动，形成电流。 充电后期，在外电流的作用下，溶液中还会发生水的电解反应。 铅酸蓄电池充放电后电解液的变化 从上面可以看出，铅酸蓄电池放电时，电解液中的硫酸不断减少，水逐渐增多，溶液比重下降。 铅酸蓄电池充电时，电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上升。 实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度 [5]。 蓄电池的充电工作特性 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 21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。 由图 21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。 tii= I0et0 图 21 最佳充电曲线 (1) 常规充电 技术 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。 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 22 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，常用 于 阶段充电法 中。 0t充 充 充 充充 充 充 充u , i 图 22 恒流充电曲线 ② 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 23 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。 u , it0充 充 充 充充 充 充 充 图 23 二阶段法曲线 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。 ③ 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 24 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。 u , i0t充 充 充 充充 充 充 充 图 24 恒压充电法曲线 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) 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 [2]。 ① 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 25 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。 ti0T 图 25 脉冲式充电曲线 ② REFLEXTM 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 26 所示， REFLEXTM 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 [2][14][15][16]。 ti0t0t1t2TI1 I2 图 26 REFLEXTM 快速充电法 ③ 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。 ④ 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。 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 ③ 和 ④ 两种方法 ，可以看出： ④ 方法 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。 ⑤ 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、 REFLEXTM 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： 其一为 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 ；其二为 脉冲电流幅值固定不变， PWM 信号的频率可调。 ⑤ 方法 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][5][12]。 充电终止条件控制方法 蓄电池在充足 电后，电池的温度和内压都会快速的上升，同时电池的端电压开始下降 出现电压负增量，如果此时继续进行快速大电流充电，对蓄电池的损害是显然的。 因此，为了保证电池能充电又不过充电，必须采用一定的方法来控制充电的停充问题。 现阶段采用的控制方法很多，通常使用的有定时控制，电压控制，温度控制及最小终止电流等方法进行充电终止控制。 在铅酸蓄电池充电器中，通常采用电压控制，最长充电时间（定时控制），蓄电池温度等控制，本文采用电压控制 ，温度控制 和电流控制相结合的方法。 电压控制 在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。 常用的电压控制法有：最高电压控制，电压负增量控制，电压二次导数控制。 （ 1） 最高电压控制 从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。 充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止充电。 这种控制方法的缺点是：电池充电的最高电压随环境温度，充电速率而变 化 ，因此，最高检测电压必须采用一定的温度补偿，并且还必须根据充电速率加以适当修正，若最高检测电压不能随温度变化而自动调整，则低温时，电池充不足电，高温时，电池充足电后仍会继续大电流过 充。 这样，可能降低电池寿命，也可能损坏电池。 另外，蓄电池组中各单体电池的最高充电电压也会有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池已充足电。 （ 2） 电压负增量控制 由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压有关，而且不受环境温度，充电 速率等因素的影响，因此，可以比较准确地判断电池已充足电。 采用这种检测法的快速充电器，可以对电池数不同的电池组充电。 负增量检测法的缺点是：电池电压出现负增量后，电池已经过充电，因此电池温度较高。 此外，镍氢电池充足电后，电池电压要经过较长时间才出现负增量，过充电 较严重。 因此，这种控制 方法主要应用于镍铬电池。 为了避免环境温度过高时损坏电池，最好与其他控制方式配合使用。 （ 3） 电压二次导数控制 这种控制方法是通过检测电池电压的二次导数来实现控制的，实验证明，当电池在充足电时，电压的二次导数将达到某一个确定的值，此时结束充电即可。 这种方法适用于恒流充电模式。 定时控制 通常用在恒流充电模式中。 例如，对于 10Ah的蓄电池，采用 ，电池 5h可充足；采用 ，电池 ，因此根据电池的容量和充电电流，可以很容易地确定所需要的充电时间。 充电过程中，达到预 定的充电时间后，定时器发出信号，使充电器迅速停止充电或者充电电流迅速降低到浮充电电流。 这样可以避免电池长时间大电流过充电。 这种控制方法比较简单，但是由于电池的起始充电状态不完全相同，有的电池充不足，有的电池过充电，然而充电时间是固定的，所以不能根据电池充电前的状态来自动调整。 因此，只有充电速率小于 效果。 温度控制 为了避免损坏电池，电池温度过低时不能立即开始快速充电过程，电池充足电后，充入的电量都消耗在电池中，电池的温度很快上升，电池温度上升 到规定数值后，必须立即停止充电过程。 电池的温度可以通过与电池在一起的温度传感器件来检测，当电池温度超过规定值时（一般为 50℃ ），充电器能自动转入浮充电模式。 当环境温度较低时，规定的最高温度值相对过高（ 50℃ ），这样容易造成过充电，容易损坏电池。 为避免损坏电池，又常采用温升控制法，即当温升达到一定值时，充电器便自动转入浮充电模式。 上述各种控制方法各有优缺点。 为了保证在任何情况下，均能准确可靠地控 制电池的充电状态，目前快速充电器中通常采用包括时间控制，电压控制和温度控制的综合控制法。 智能充电器的充 电过程 对于铅酸蓄电池来讲，常用的充电方式有恒流限压和恒压限流两种充电方式，然而，单独采用其中的一种充电方式，没有动态跟踪电池的实际状态和可接受充电电流大小的技术，对铅酸蓄电池的充电效果不是很理想。 根据铅酸蓄电池的使用阶段及蓄电池的特性，为了进一步延长蓄电池的使用寿命， 在 长。