铅酸蓄电池充电装置的设计方案.docx

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铅酸蓄电池充电装置的设计方案

铅酸蓄电池充电装置的设计方案

1概述

1.1课题研究的背景

电池是一种化学电源，是通过能量转换而获得电能的设备。

也被称为可再充电电池或蓄电池被激活的充电电池的放电后的活性物质继续使用的二次电池。

当对电池充电时，电能转变为化学能，实现向负荷供电，伴随吸热过程。

应用过程中的可充电电池，充电器是使用的设备，是其成功的关键，可充电电池一问世，充电器设计就是一个关键问题，因为直接影响充电电池的两个重要方面：

充电电池的使用容量及循环寿命。

因此，直到二十世纪中叶，充电器的技术都没有取得大的进展，常用的恒流或恒压充电方法，效果比较差。

这种情况一直持续，直到六十年代MASCC博士基于最低出气率曲线原理，发现可接受的电池充电电流的大小随时间而减少这一规律，证实恒流或恒压充电是不是最合适的方法。

根据MASCC的曲线，提出了两阶段，三阶段的多段充电方式。

所谓的两阶段的第一阶段以恒定电流或恒定电压对电池进行充电，当电池电压达到一定的水平，然后涓流充电；所谓的三阶段充电先以恒定电流充电，直到电池电压达到一定值时，转入第二阶段，即恒定电压充电阶段，当电流降到某种程度时，进入第三阶段涓流充电。

经过几十年的发展，铅酸蓄电池充电技术已较为成熟。

由于使用这种电池的性能接近镍镉电池，而且不需要维护，国内铅酸电池使用量逐渐增加。

充电器在近几年的进步已经取得明显进步的标志就是世界上最的半导体制造商纷纷推出自己的充电芯片，其中一些还带有中央处理器。

本文也将应用单片机PIC16C54，设计一款智能型铅酸蓄电池充电器。

1.2课题研究的意义

由于铅酸电池有许多因素影响电池的寿命和容量，为了提高效率，消除偏振，缩短充电时间，在分析铅酸电池的充电特性的基础上，集合涓流充电和恒定电流，恒定电压充电，PIC16C54微控制器，脉宽调制技术的优点，根据电压、电流反馈自动调节充电脉冲宽度，设计一个可以在系统控制下进行三阶段充电的铅酸蓄电池智能充电器。

该充电器根据设计的充电方法对12V、4AH蓄电池充电。

该充电器的一些技术指标有：

a）基本输入：

单相220VAC±5%，50HZ±2%；b）充电参数：

快充时充电电流为4A，慢充时充电电压为14.7V，涓充时充电电压为14.1V；c）环境温度：

-10℃到50℃：

空气相对湿度不超过85%。

2充电方案的选择及系统的整体结构

2.1课题的总体设计方案

该设计采用逐个功能模块分析再组合的方法来实现方案。

分别对充电控制电路，开关电源PWM控制电路，开关电源主回路中的滤波电路、开关管的驱动电路以及辅助电源电路和显示电路进行了分析设计。

然后对每一部分的具体电路的特点进行组合。

软件方面阐述了软件实现的功能，说明了PIC系统的指令，绘制了程序流程图，分析和解释了程序。

2.2充电方法的选择

铅酸蓄电池充电方法的选择是至关重要的，不同的充电方法差别很大，充电效果有很大的差距，对电池性能的影响也不相同。

选择最合适的充电方法，你应该考虑使用充电电池的频率，放点的放大倍率以及其他因素。

下面是对不同充电方法的简要概述：

2.2.1恒流充电

充电器的交流电源电压通常是波动的，充电需要的是直流恒流电源。

当使用恒定电流充电时，电池可以具有高充电效率，可以很容易地根据充电时间来决定是否充电中止，并且还可以改变的电池的数目。

恒流电源充电电路如图2.1所示。

图2.1恒流电源充电电路

2.2.2恒压充电

在该充电模式中，充电电路随电池两端的电压波动而变化，初始充电电流比较大，到最后阶段，充电电流变小。

充电电流中的最大充电电流应设置为最高充电电压，以便将电池过度充电。

此外，在用恒压方式充电时，充电电压在充电末期达到峰值后会有所下降。

电池充电电流会加大，会导致电池温度上升。

当电池温度上升时，电压下降将导致热失控的电池，电池的性能损坏，因此，不建议使用恒压充电。

如图2.2所示：

图2.2恒压充电电路

2.2.3浮充方式

在浮充模式下，电池以小电流（C/30号C/20）充电，以保持电池在完全充电的状态。

浮充法适用于电池作为应急电源或备用电源的电气设备。

常规浮充方式充电电路如图2.3所示。

图2.3浮充方式充电电路

2.2.4涓充方式

电池与负载并联，同时电池与直流电源（充电器）相连。

一般情况下，作为负载的工作电源，直流电源以涓流充电模式对电池进行充电，只有当负载变大，在直流电源的端电压低于电池端电压或直流电源停止供电时，电池对负载放电。

在这种方式下，充电电流由使用模式决定。

它通常使用在紧急电源、备用电源或电子表等不允许断电的场合。

如图2.4所示是简单的涓充方式示意图。

图2.4涓流方式的简单示意图

2.2.5分阶段充电方式

在分阶段充电方式中，在电池充电的初始阶段充电电流较大。

当电池电压达到控制点时，电池转为以涓流方式充电。

分阶段充电模式是最好的电池充电模式，但缺点是，所述充电电路的复杂性和更高的成本。

另外，需增设控制点的电池电压的监测电图。

如图2.5所示：

图2.5分阶段充电的简单示意图

铅酸蓄电池往往采用恒压充电或恒流充电。

恒压充电的初始充电电流过大，影响电池寿命铅酸电池，甚至可能导致极板弯曲，损坏电池。

因此，大量的铅酸蓄电池充电电路以恒流充电方式充电，恒流充电电路始终是一个恒定的充电电流给电池充电，直到电池充满后关断电路，或进入浮充形式。

相比而言，恒流充电对蓄电池的寿命是有好处的。

而且恒流充电具有较大的电流充放电，使充放电的速度大大加快。

但是，如果恒定电流充电，充电电流，以保持原始值，大部分电流消耗在分解水上，使冒气非常强大，电解液沸腾十分激烈，不仅消耗能量，而且容易使极板活性脱落，对极板极其不利。

因此，对于铅酸蓄电池分阶段充电方法是一个更好的办法，因为在充电过程中的，充电电流逐渐下降。

使用这种方法中，充电结束的电解质沸腾现象减弱，能量损失少，而且保护极板，以防止过度充电和水解带来的功率损耗。

分析几种充电方式，综合快充和慢充铅酸电池充电器设计的优势。

使用微控制器控制的充电器，充电过程分为快速充电，慢速充电，涓流充电三个阶段，充电更好。

2.3系统的整体结构

铅酸蓄电池

图2.6系统的整体结构

充电系统的结构框图如图2.6所示。

整个充电装置由单片机控制系统，斩波电路，辅助电源电路，电流电压反馈电路，隔离驱动电路和电源变换电路组成。

单片机控制系统由PIC16C54及其外围电路组成，单片机接收到电压电流检测电路反馈的信号后，控制斩波电路的导通，使电压或电流稳定。

斩波电路由晶体管组成，主要作用是可以实现占空比的调节从而达到电流电压稳定的效果。

辅助电源电路是将整流的电压降压，滤波，为单片机提供工作电压。

电流电压检测电路是检测蓄电池两端的充电电压或充电电流是否稳定的设定值。

电源变换电路由滤波电路和整流电路组成，将市网电处理。

驱动隔离电路的主要作用是有基极驱动电路驱动变压器输出。

2.4本章小结

本章着重对比各种充电方案，综合各种充电方案的优点，确定了充电器的设计方案，以单片机为控制核心的恒流—恒压—恒流三阶段充电方式。

搭建了系统的总体框图，接下来就总体框图来进行各部分的硬件设计。

3充电器硬件部分的设计

3.1充电器的充电过程及工作原理

3.1.1充电过程分析

图3.1所示为该充电器的充电电流、电压曲线。

图3.1充电器的充电电流、电压曲线

可以看出，在图3.1中：

快充阶段（0至t1），充电器以恒定电流1C充电，由单片机控制快速充电时间，避免充电过量，慢充阶段（t1至t2），单片机输出PWM控制信号来控制斩波器开关通断，以一个恒定的电压，对电池进行充电时，充电电流呈指数下降，当电池电压上升到规定值时，慢充结束；进入涓流充电阶段（t2至t3），单片机输出的PWM控制信号，使充电器以约0.09C的充电电流充电，在此状态下，很长一段时间，可以对电池进行充电，从而延长电池寿命。

3.1.2充电器的工作原理

根据框图中所示的系统结构中，铅酸蓄电池的充电装置的原理图，主要包括开关稳压器的，斩波器开关，控制器和辅助电源四个部分，并设有过电流保护，过电压保护和过温保护。

交流电流输入整流电路和辅助电源，辅助电源给单片机提供工作电压，再输入半桥式转换器，然后通过使用TL494设计的电压控制和电流监测，使用单片机控制半桥变换器斩波开关实现对蓄电池充电的智能控制，单片机还可以控制灯运行和停止，可以看到现在处于那个阶段的充电状态。

在此示意图中，必须先设定值，然后由微控制器控制的每个阶段的充电。

具体的原理图如图3.2所示：

图3.2铅酸蓄电池充电器原理图

3.2充电控制电路的设计

根据本系统的特点，硬件电路采用单片机控制系统来实现。

3.2.1单片机的选择

PIC16C54单片机的介绍：

PIC16C54属CMOS单片机，是一个低价位高性能8位单片机，具有体积小，功耗低，性能强，体密性高，价格低等特点。

仅使用了33条精简指令集、单字节单周期指令，每条指令的执行时间最快可达到200ns。

易于记忆和使用的指令系统可大大减少产品的开发时间。

它有两个双向I/O口线，其中A口用来检测四种工作方式的按键情况，作为输入，B口中除RB0作为输入，用来检测电流强度控制键的按键情况外，其余都用作输出，RB1用于输出脉冲信号，该信号刺激隔离器，耦合到刺激电极上输出，它的振荡源有四种，晶体振荡（XT），低功耗振荡（LP），高速振荡（HP）及RC振荡。

多种时钟振荡电路低功耗睡眠省电模式和WDT（看门狗）代码保护功能，这些功能有更大的优势。

RB2--RB7是用来控制六档电流强度指示灯的开启和关闭；PIC16C54系列单片机可广泛应用于电机控制、汽车电路、家用电器等领域。

PIC16C54单片机主要性能：

RISC精简指令集，指令仅有33条，指令长度为12位

绝大部分均为单机器周期指令。

工作速度高，最快可达200ns（20MHz时钟时）

数据长度为8位

片内程序存储器容量为512-2kbyte

片内静态数据存储器（SRAM）为25-73byte

硬件组成7个专用寄存器

两级硬件堆栈

有直接、间接、相对和位寻址功能

12-20条I/O引脚，每条引脚均可设置为输入和输出态

多种时钟振荡电路及WDT定时器电路

宽工作电压范围和低功耗模式：

工作电压为2.5V-6.0V，典型工作电流为2mA，睡眠状态仅为3uA。

PIC16C54单片机引脚图：

图3.3PIC16C54单片机引脚图

PIC16C54单片机的引脚功能为：

RA0-RA3I/O输入和输出端口A，与内部的F5对应，为一个4位I/O端口，可进行位控。

RB0-RB7I/O输入和输出端口B，与内部的F6对应，为一个8位I/O端口，可进行位控。

RTCC实时时钟/计数器输入计数在这个端口输入信号的上升沿或下降沿，边缘可通过软件选择。

MCLR主复位端，当MCLR为低电平时对单片机复位。

OSC1振荡信号输入端。

此端口用于外部振荡信号的输入，使用RC振荡，当它连接到RC电路，使用石英晶体的一端连接到一个石英振荡电路。

OSC2振荡信号输出端。

石英晶体谐振器或陶瓷谐振器通过一个串联电阻R连接到晶体振荡器的一端，往往RC振荡器作为的CLKOUT输出（CLKOUT的1/4fosc）的。

VDD电源电压。

一般为5V，其范围在2.5-6.25V之间。

Vss地端。

3.2.2控制电路的设计

电路包含控制主芯片PIC16C54、振荡电路、复位电路。

振荡电路是由晶体振

图3.4控制电路的电路图

荡器及电容构成；复位电路是由二极管、电阻及极性电容构成。

快速充电阶段，IC3的6脚输出高电平，通过一个电阻器R32的连接Q7的基极，斩波器开关导通时，通过电流监测电路，以恒定电流对电池进行