课程设计说明书汽车蓄电池电压监视器设计副本Word文档格式.docx

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第十八周撰写论文。

目录

摘要3

第一章：

绪论3

1.1课题研究背景3

1.2课题研究的意义4

1.3课题研究的内容4

第二章：

蓄电池5

2.1蓄电池的应用5

2.3常用的蓄电池分类及特点5

第三章蓄电池的检测方法与管理思路8

第四章汽车蓄电池电压监视器设计8

4.1NE555详细介绍和引脚图8

4.2汽车蓄电池电压监视器电路工作原理12

结论14

设计体会与建议14

主要参考书15

摘要

现在的汽车，无论是汽油车还是柴油车，其发动机都是通过蓄电池作电源用启动机来带动发动机转动，使之达到可靠启动的最低转速，从而使得发动机点火、工作。

所不同的是：

对汽油机来说，使它可靠地启动要有3个条件，第l是汽缸中吸八可靠着火的混合气体第2是在压缩冲程终了时，混合气体要具有一定的温度和压力，使第1次爆发燃烧后，发动机能继续工作；

第3是点火装置舷发出可靠的火花。

而柴油机是靠压缩点火．对汽油机来说，如果转蘧过低，活塞与缸壁漏气多、热量损失过多、且进气流速过低，汽油雾化不良，将会导致汽缸内混合气体不易着火，因此发动机也就不易发动起来．根据汽化条件，在周围介质温度为O～6'

C时，汽油机的最小启动转速一般不低于5~／'

mir,。

对柴油机来说，虽靠压缩点火，但也取决于压缩2中程终了时的空气温度。

这也与周围介质温度、汽缸壁的温度和压缩时间的长短有关，而这些也直接与曲轴转速盼大小有关。

若转速低，则压缩时间长,散热、漏气就严重，就会使压缩行程终了时的空气温度和压力降低，使燃料不易着火，发动机便不能发动，一般柴油机的最小启动转建比汽袖机要高，通常为100~200r／min．因此，蓄电池作为汽车启动机的电源，其电压和容量必须满足启动机将发动机拖动到一定的启动转速的要求。

又因启动机的启动电流很大（通常汽油机为200600A．荣油机为l000A），当蓄电池亏电较多或内部损坏时，就很难使启动机将发动机拖动到所需的启动转速，或根本不可能使启动机运行。

现在国内许多车上装置了手动的或电磁式的蓄电池电源总开关。

汽车在停车时，断开此总开关，可避免蓄电池自放电。

但是，汽车行驶时．驾驶员对蓄电,池的实际情况并不知道，只能在启动时．从启动机的有力与无力或是接通车灯，观察灯光的明亮情况，来判断蓄电池的好坏。

因此，在车上有必要增设一种汽车在行驶过程中以及在停车后，都可以监视蓄电池是否完好的装置，这样就可以随时随地监视蓄电池及汽车。

关键词：

蓄电池;

高压;

电流；

自放电；

监视；

第一章：

绪论

1.1课题研究背景

目前，蓄电池不仅作为电源在铁路，电力，传统汽车等行业发挥着重要的作用。

而且也已经开始作为动力电源或动力辅助电源应用于电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）领域。

由于单只电池的额定电压较低，不能满足实际需要，因此实际应用过程中往往将多只电池串联使用。

如果某一只蓄电池出现故障不能及时被发现，会造成整组蓄电池的性能下降，甚至很快损坏。

因此对没一只电池的监测是非常必要的。

本论文提出一种检测电路，可以同时测量蓄电池电压和温度，上位机可以根据测量结果判断蓄电池的性能的好坏，完成实时监测功能。

而且利用多只检测模块可以方便地组成分布式测量系统。

1.2课题研究的意义

新材料电池领域其实有许多技术路线，但本质上都和半导体技术中控制材料导电性的原理相通。

目前，最普及的新材料电池方向是锂的过渡金属氧化物材料。

在这一方向上，又存在诸如钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂。

上述三种中，钴酸锂的成本较高，资源贫乏，毒性大；

镍酸锂的制备困难，热稳定性差；

锰酸锂的容量较低，循环稳定性较差。

由于钴酸锂的改性材料的产业化比较容易，目前已经用在手机、笔记本电脑等移动设备上，但如用到电动车甚至更大型的储能方面，其成本、安全性和环保性都差很远。

因此，要想往电动车甚至更大型设备的储能蓄电池上前进，必须有新材料的技术突破。

就是在这个时候，磷酸亚铁锂出现了。

1997年就有美国、加拿大等国的科学家提出了磷酸亚铁锂电池的方向，但如何提高这种材料的导电率和能量密度一直是其产业化道路上的难题

2003年非典期间，北京有色金属研究院超导研究部的研究员段镇忠一个人在实验室里做着实验，难得的清静让他的实验效率明显提高。

有“超导”研究背景的他，利用量子力学第一性原理计算出磷酸亚铁锂的结构性质，并引入氧空位改变材料原子之间的宽度（类似芯片工业做的事情）。

这些应用基本原理完成的实验，却意义重大。

段镇忠制备的磷酸亚铁锂的导电率明显提高，实验室电容量达到每克160毫安时，文献上推算的理论值也不过是170。

而后来业界流行走加拿大人申请专利的碳包裹路线，虽然也可制备出导电率较高的磷酸亚铁锂，但由此带来一系列新问题会使制备工艺复杂化，而段镇忠引入氧空位的方法则便于简化工业化生产的流程，也就能保证产出的材料质量更稳定，同时规避了国外专利保护的风险。

　　至此，中国在动力车电池乃至大型储能蓄电池方面的研究和产业化，达到了世界领先地位，和加拿大Phostech、美国Valence和A123公司等电池巨头可以说基本处在并驾齐驱的位置。

与光伏产业的多晶硅材料提纯一样，由于中国具备物理学以及基础材料科学方面的技术优势，并且有巨大的市场前景作为对企业家的激励，以磷酸亚铁锂材料电池为核心的新能源产业，势必会像光伏产业一样，在研发和市场的双重驱动力下迅速崛起！

1.3课题研究的内容

迫于环境污染和石油资源短缺的压力，为实施可持续发展战略，混合动力汽车已成为21世纪汽车工业的发展方向。

国内外专家的共识是：

混合动力电动汽车不只是电动汽车的一个过渡阶段，而是汽车工业即将面临的一场新的革命。

由于混合动力电动汽车的行驶工况十分复杂，对蓄电池的寿命影响很大，而镍氢蓄电池的使用寿命有限。

因此，对混合动力电动汽车的动力电池组进行能量管理，是十分必要的。

但是电池能量管理系统成本昂贵，电路复杂，而且电池在充放电过程中的化学变化也很复杂，要精确计算和预测电池的荷电状态和剩余能量及寿命是很困难的，到目前为止，这一技术仍在研究发展中。

本文在蓄电池试验的基础上，分析和研究Ni-MH蓄电池充放电特性及其影响因素，建立了电池内阻、电动势模型，提出了安时—能量守恒—开路电压算法（Ah—COE—OCU法）预测蓄电池的剩余能量和荷电状态计算方法，并进行温度、循环使用寿命、自放电等补偿，从而建立了蓄电池的充放电模型。

根据国外各种形式混合动力汽车蓄电池的应用分析，选择了蓄电池的比功率和容量；

并进行发动机实验，利用样条插值方法构造了发动机的转矩模型，根据混合动力的控制策略，结合长安羚羊混合动力汽车进行仿真计算，以确定混合动力汽车蓄电池电压。

在蓄电池充放电试验研究、理论分析和参数选择的基础上，进行放电模型的验证，得到了与实际相符的结果；

同时，对蓄电池快速充电方法进行比较，应用脉冲分阶段恒流快速充电方法进行蓄电池快速充电控制仿真计算，得到了满意的结果。

进行了混合动力汽车Ni-MH电池管理系统的研究和设计。

该系统不仅能够准确监测电池组中各单块电池的工作性能如充放电电流、电压、温度等，具有早期故障诊断和报警功能，防止电池的过充电和过放电，而且能够提供直观的电池组剩余能量值和荷电状态。

蓄电池

2.1蓄电池的应用

随着中国经济的发展，燃油汽车拥有量剧增，汽车尾气排放成为城市大气污染的主要来源之一，为此中国政府将环境保护作为实施可持续发展战略的重要内容，国家于1996年启动汽车重大科技产业化工程项目，包括概念车的研制，电动车关键部件攻关（电池、电池管理等）。

作为电动车动力电池的研究种类很多，有铅酸电池、镉镍电池、氢镍电池、钠-氯化镍电池、锂离子电池、燃料电池等。

根据中国电动车发展计划，期望将公交车、出租车作为电动车使用的首要地位，因此需要发展价格低廉的电动车电池，1991年国家将电动车铅酸电池的研究开发列为重点项目，目前存在的最大问题是电池均匀一致性差。

2.3常用的蓄电池分类及特点

2.3.1蓄电池的种类

目前，我们常用的蓄电池主要分为三类,分别为普通蓄电池、干荷蓄电池和免维护蓄电池三种。

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。

2.3.2蓄电池的结构

一般的蓄电池铅酸蓄电池是由正负极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等组成，其放电的化学反应是依靠正极板活性物质（二氧化铅和铅）和负极板活性物质（海绵状纯铅）在电解液（稀硫酸溶液）的作用下进行，其中极板的栅架，传统蓄电池用铅锑合金制造，免维护蓄电池是用铅钙合金制造，前者用锑，后者用钙，这是两者的根本区别点。

不同的材料就会产生不同的现象：

传统蓄电池在使用过程中会发生减液现象，这是因为栅架上的锑会污染负极板上的海绵状纯铅，减弱了完全充电后蓄电池内的反电动势，造成水的过度分解，大量氧气和氢气分别从正负极板上逸出，使电解液减少。

用钙代替锑，就可以改变完全充电后的蓄电池的反电动势，减少过充电流，液体气化速度减低，从而减低了电解液的损失。

　　由于免维护蓄电池采用铅钙合金栅架，充电时产生的水分解量少，水份蒸发量低，加上外壳采用密封结构，释放出来的硫酸气体也很少，所以它与传统蓄电池相比，具有不需添加任何液体，对接线桩头、电线腐蚀少，抗过充电能力强，起动电流大，电量储存时间长等优点。

免维护蓄电池因其在正常充电电压下，电解液仅产生少量的气体，极板有很强的抗过充电能力，而且具有内阻小、低温起动性能好、比常规蓄电池使用寿命长等特点，因而在整个使用期间不需添加蒸馏水，在充电系正常情况下，不需从拆下进行补充充电。

但在保养时应对其电解液的比重进行检查。

　　大多数免维护蓄电池在盖上设有一个孔形液体（温度补偿型）比重计，它会根据电解液比重的变化而改变颜色。

可以指示蓄电池的存放电状态和电解液液位的高度。

当比重计的指示眼呈绿色时，表明充电已足，蓄电池正常；

当指示眼绿点很少或为黑色，表明蓄电池需要充电；

当指示眼显示淡黄色，表明蓄电池内部有故障，需要修理或进行更换。

　　免维护蓄电池也可以进行补充充电，充电方式与普通蓄电池的充电方法基本一样。

充电时每单格电压应限制在2．3-2．4V间。

注意使用常规充电方法充电会消耗较多的水，充电时充电电流应稍小些（5A以下）。

不能进行快速充电，否则，蓄电池可能会发生爆炸，导致伤人。

当免维护蓄电池的比重计，显示为淡黄色或红色时，说明该蓄电池已接近报废，即使再充电，使用寿命也不长。

此时的充电只能做为救急的权宜之计。

有条件时，对免维护蓄电池可用具有电流-电压特性的充电设备进行充电。

该设备即可保证充足电，又可避免过充电而消耗较多的水。

一般这类免维护电池从出厂到使用可以存放10个月，其电压与电容保持不变，质量差的在出厂后的3个月左右电压和电容就会下降。

在购买时选离生产日期有3个月的，当场就可以检查电池的电压和电容是否达到说明书上的要求，若电压和电容都有下降的情况则说明它里面的材质不好，那么电池的质量肯定也不行，有可能是加水电池经过经销商充电后伪装而成的。

2.3.3蓄电池的正确使用和维护

免维护蓄电池也可以进行补充充电，充电方式与普通蓄电池的充电方法基本一样。

　　有条件时，对免维护蓄电池可用具有电流-电压特性的充电设备进行充电。

　　蓄电池的正确使用和维护主要有以下7点:

1、检查蓄电池在支架上的固定螺栓是否拧紧,安装不牢靠会因行车震动而引起壳体损坏。

另外不要将金属物放在蓄电池上以防短路。

2、时常查看极柱和接线头连接得是否可靠。

为防止接线柱氧化可以涂抹凡士林等保护剂。

3、不可用直接打火（短路试验）的方法检查蓄电池的电量这样会对蓄电池造成损害。

4、普通铅酸蓄电池要注意定期添加蒸馏水。

干荷蓄电池在使用之前最好适当充电。

至于可加水的免维护蓄电池并不是不能维护适当查看必要时补充蒸馏水有助于延长使用寿命。

5、蓄电池盖上的气孔应通畅。

蓄电池在充电时会产生大量气泡若通气孔被堵塞使气体不能逸出当压力增大到一定的程度后就会造成蓄电池壳体炸裂。

6、在蓄电池极柱和盖的周围常会有黄白色的糊状物,这是因为硫酸腐蚀了根柱、线卡、固定架等造成的。

这些物质的电阻很大，要及时清除。

7、当需要用两块蓄电池串联使用时蓄电池的容量最好相等。

否则会影响蓄电池的使用寿命。

第三章蓄电池的检测方法与管理思路

车辆以蓄电池为动力驱动时蓄电池组的状态会因车辆行驶状态（启动,平道匀速,加速,爬坡,停车等）的变化而变化,这就决定了即使同一节电池,它的电压也会随负载的变化而变化,因此在依据电池伏安特性通过电池的端电压来判断电池的好坏前,如果要求判断更确切的话,尚须进行多次采集蓄电池组的工作电流及车速等参数,判断蓄电池的好坏的电压标准按这两行驶时测得的蓄电池平均放电水平的伏安特性考虑.这样判断虽说不是最精确,但足以起到维护电池的功效.另外必须考虑的是蓄电池的电压采集电路所使用的耦合器件受温度的影响,入不修正,恐有误差。

因此系统中设有专门的随温度变化的补偿电路,这样就可以大致消除温度的影响。

第四章汽车蓄电池电压监视器设计

本例介绍的蓄电池电压监视器，以NE555时基集成电路为主要元器件制作而成，它在蓄电池不足时，能发出红光报警信号。

4.1NE555详细介绍和引脚图

NE555（TimerIC）大约在1971年由SigneticsCorporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的TimerIC，在往后的30年来非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，尽管近年來CMOS技术版本的TimerIC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前都可直接的代用。

　　NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；

而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉波讯号。

4.1.1NE555的特点

　　1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。

其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。

　　2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。

　　3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。

4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。

4.1.2NE555引脚位配置说明

NE555接脚图

NE555的结构图

Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。

　　Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。

触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。

　　Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。

周期的结束输出回到O伏左右的低电位。

于高电位时的最大输出电流大约200mA。

　　Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。

它通常被接到正电源或忽略不用。

　　Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。

当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。

　　Pin6（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。

当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。

　　Pin7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

　　Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。

供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。

4.1.3NE555的参数功能特性：

　　•供应电压4.5-18V

　　•供应电流3-6mA

　　•输出电流225mA（max）

　　•上升/下降时间100ns

4.1.4NE555的相关应用:

NE555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（MonostableMutlivibrator）及无稳态多谐振荡器（AstableMultivibrator）。

NE555时基电路封形式有两种，一是DIP双列直插8脚封装，另一种是SOP-8小型（SMD）封装形式。

其他HA17555、LM555、CA555分属不同的公司生产的产品。

内部结构和工作原理都相同。

NE555属于CMOS工艺制造，下面我们将对其进行介绍。

图1是NE555的外形封装图，图2是它的内部功能原理框图，图3是它的内部等效电路。

NE555的内部中心电路是三极管Q15和Q17加正反馈组成的RS触发器。

输入控制端有直接复位Reset端，通过比较器A1，复位控制端的TH、比较器A2置位控制的T。

输出端为F，另外还有集电极开路的放电管DIS。

它们控制的优先权是R、T、TH。

图1

图2

图3

4.2汽车蓄电池电压监视器电路工作原理

本例介绍的蓄电池电压监视器，以555时基集成电路为主要元器件制作而成，它在蓄电池不足时，能发出红光报警信号。

4.2.1电路工作原理

　　核蓄电池电压监视器电路由电阻器Rl-R3、电位器RP、电容器C、发光二极管VL、稳压二极管VS和时基集成电路lC组成，在蓄电池GB的端电压高于10·

2V时，IC的3脚输出低电平，VL不亮;

当蓄电池GB的端电压降至10·

2V以下时，IC的3脚输出高电平，VL点亮，指示蓄电池电压不足，应及时充电。

4.2.2实验目的

1.电路由NE555时基集成电路为主要元器件制作而成

2.它在蓄电池不足时，能发出红光报警信号。

（蓄电池两端电压为10.2V时熄灭，低于10V时点亮即可）

4.2.3实验仪器及设备

元器件

大小

图中标示

备注

电阻

22KΩ

R1

选用1/4W金属膜电阻器或碳膜电阻器

2.2KΩ

R2

100Ω

R3

可变电阻

47KΩ

RP

选用小型多圈电位器或可变电阻器

电容

0.01μF

C

选用独石电容器或涤纶电容器

二极管

VS

选用1/2W、6V的硅稳压二极管

发光二极管

VL

选用φ5mm的红色高亮度发光二极管

集成电路

IC

选用NE555型时基集成电路

4.2.4设计总电路图

4.2.5设计步骤

1）.根据电路图连接电路；

2）.调节RP的阻值，使VL在蓄电池GB的端电压为10·

2V时熄灭，低于10V时点亮；

3）.测试不同种类的蓄电池，采集相关数据。

4.2.6实验结果

调试完RP的阻值后，当蓄电池GB的端电压为10·

2V时熄灭，低于10V时点亮。

结论

所研究开发的电动车辆蓄电池组监管系统在上车实际使用过程中效果一直良好，完全起到对电车蓄电池组的科学管理作用，所以我们想该产品的这种科学有效地管理电池的思想对于混合动力车辆，燃料电池电动汽车的高压直流电池组的管理也有着非常好的参考价值。

对USP电源的蓄电池管理也同样有极高的借鉴作用。

设计体会与建议

作为一名自动化专业的大二学生，我觉得做模拟电路的课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。

在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。

我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？

如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？

我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。

这次模拟电路的课程设计我们历时两个星期，经过这两个星期的实践和体验下来，我们又怎么会去在乎那个成绩先后问题呢，因为对我来说学到的不仅是那些知识，更多的是团队和合作。

现在想来，也许学校安排的课程设计有着它更深层的意义吧，它不仅仅让我们综合那些理论知识来运用到设计和创新，还让我们知道了一个团队凝聚在一起时所能发挥出的巨大潜能!

通过这次对汽车蓄电池电压监视器的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于汽车蓄电池电压监视器设计理念。

从看电路图找元器件到能实际连电路，让我学会了许多。

实验初期，由于对整个电路还不能从整体把握，只能从课本上的零碎知识点出发，结合查阅到的资料提出解决方案。

在对芯片的选择上存在很多疑难问题，通过各种尝试之后方才将问题很好的解决。

在本次课程设计实验，我们不断地发现问题、解决问题，对于电路的设计和要求有了自己新的想法，并在加以尝试之后进行思考创新，从不同角度去分析与解决问题。

其实对于电路的设计，知识点基本上全是书上的，但到底怎样将它们融合在一起，这是一个关键。

设计过程，