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p08电气二班王小帅0802110201
毕业论文
题目智能充电器及显示设计
姓名王小帅学号0802110201
系(院)电子系班级P08电气二班
指导教师王正德职称讲师
2011年5月20日
目录
摘要II
ABSTRACTIII
第一章绪论1
1.1课题背景1
1.2课题意义2
第二章相关技术和理论3
2.1电池的分类及其特点3
2.1.1镍镉电池3
2.1.2镍氢电池4
2.1.3锂电池5
2.1.4密封铅酸电池6
第三章硬件设计7
3.1充电方法设计7
3.2控制方法设计8
3.3电路分析8
3.3.1主电路的分析8
3.3.2控制电路的分析9
第四章软件设计11
4.1初始化11
4.2预处理11
4.3快速充电12
结束语13
参考文献14
致谢15
摘要
摘要可充电电池具有较高的性能价格比、放电电流大、寿命长等特点,广泛应用于各种通信设备、仪器仪表、电气测量装置中。
但是不同类型的电池如镍镉电池(Nicd)、镍氢电池(NiMH)和锂离子电池具有不同的充电特性和过程。
不同的电池应采用不同的充电控制技术。
常用的控制技术有:
电压负增量控制、时间控制、温度控制、最高电压控制技术等。
现在国内外智能充电器充电电池基本有3种类型,不同类型的电池如镍镉电池(Nicd)、镍氢电池(NiMH)和锂离子电池具有不同的充电特性和过程。
不同的电池应采用不同的充电控制技术,常用的控制技术有:
电压负增量控制、时间控制、温度控制、最高电压控制技术等。
其中,电压负增量控制是目前公认的较先进的控制方法之一。
充电时,当测量到电池电压负增量时就可以确定该电池已经充满,从而将充电转变为涓流充电。
时间控制预定充电时间,当充电时间达到后,使充电器停止充电或转为涓流充电,这种方法较安全。
温度控制法是当电池达到充满状态时,电池温度上升较快,测量电池温度或温度的变化,从而确定是否对电池停止充电。
最高电压控制则是根据充电电池的最高允许电压来判断充电状态,这种方法灵活性较好。
关键词:
智能充电器;1602液晶显示器;镍镉电池;镍氢电池
ABSTRACT
Rechargeablebatterieshavehigherpricethanthecurrentperformance,discharge,longlongevityandcharacteristics,widelyusedincommunicationsequipment,instruments,electricalapparatustomeasure.however,differenttypesofbatteries,suchascadmiumbattery(nickelnicd),(nimh)lithiumbatteryandionbatteryhasadifferentchargingcharacteristicsandtheprocess.Differentcellmustadoptadifferentchargingcontroltechnique.frequentlyhaveanegativecontroltechnology:
incrementalcontrol,controlandcontroloftemperatureandhighvoltagecontroltechnology,etc.nowdomesticintelligencechargertochargethebatterytherearebasicallythreetypes,differenttypesofbatteries,suchascadmiumbattery(nickelnicd),(nimh)lithiumbatteryandionbatteryhasadifferentchargingcharacteristicsandtheprocess。
Differentcellmustadoptadifferentchargingcontroltechnologyandcontroltechnologyhas:
voltagenegativeincrementalcontrol,controlandcontroloftemperatureandhighvoltagecontroltechnology,etc.,negativeincrementalcontrolofvoltagesisnowrecognizedasthemoresophisticatedmethodsofcontrol.thecharging,whenthevoltagetothecellistheincremental'llbeabletoestablishthebatteryhasfull,therebychargingintostreamsflowrecharging.Timetotime,whenthecontrolofthechargingofchargingtime,madechargertochargeortodropbythecharging,thismethodissafer.thetemperatureisreachedwhenthebatteryofstate,arapidriseintemperature,thetemperaturemeasuringcellorchangesintemperatureanddeterminewhetherthecellstopstocharging.thecontrolofvoltagesisrechargingbatteriesaccordingtothejudgeallowedthevoltageon,thisflexibilityisgood.
Keywords:
smartdevices;lcddisplaywas;nickelcadmium;cellbattery
第1章绪论
1.1课题背景
如今,随着越来越多的手持式电器的出现,对高性能,小尺寸,重量轻的电池充电器的需求也越来越大。
电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速,安全的充电.因此需要对充电过程进行更精确的监控,以缩短充电时间,达到最大的电池容量,并防止电池损坏。
与此同时,对充电电池的性能和工作寿命的要求也不断的提高。
从20世纪60年代的商用镍镉和密封铅酸电池到近几年的镍氢和锂离子技术,可充电电池容量和性能得到了飞速的发展,目前各种电器使用的充电电池主要有镍镉电池(Nicd),镍氢电池(NiMH),锂电池(Lilon)和密封铅酸电池(SLA)四种类型。
电池充电是通过逆向化学反应将能量存储到化学系统里实现的。
由于使用的化学物质的不同,电池有自己的特性。
设计充电器时要仔细了解这些特性以防过度充电而损坏电。
目前,市场上卖的最多的是旅行充电器,但是严格从充电电路上分析,只有很少部分充电器才能真正意义上被称为智能充电器,随着越来越多的手持式电器的出现面,对高性能,小尺寸,轻重量的电池充电器的需求也越来越大。
电池技术的持续进步也要求更复杂的充电算法以实现快速,安全的充电,因此,需要对充电过程进行更精确的监控(例如对充,放电电流,充电电压,温度等的监控),以缩短充电时间,达到最大的电池容量,并防止电池损坏。
因此,智能型充电电路通常包括了:
恒流/恒压控制环路,电池电压监测电路,电池温度监测电路,外部显示电路(LED或LCD)显示等基本单元。
图1系统结构框图
1.2课题意义
随着社会的发展,对污染的重视,越来越多的电用设备的出现,充电电池的发展可以说是开出了一条光明的高速大道,而充电器的更新换代也会越来越快,各种各样的有利于电池寿命的充电器也越来越多,智能充电器的出现将会把电池的使用效率提高到最大化,将因充电给电池带来的伤害降低到最低。
这样越来越多的高智能充电器不可避免的进入了一个更新换代的高潮期,让人们能够在充电器的更新换代中找到最合适的充电器
第二章相关技术和理论
2.1电池的分类及其特点
充电电池主要有镍镉电池,镍氢电池,锂电池和密封铅酸电池四种类型。
2.1.1镍镉电池
镍镉电池是最早应用于手机、超科等设备的电池种类,它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单,一般使用以下反应放电:
Cd+2NiO(OH)+2H2O=2Ni(OH)2+Cd(OH)2充电时反应相反。
镍镉电池最致命的缺点是,在充放电过程中如果处理不当,会出现严重的“记忆效应”,使得服务寿命大大缩短。
镍镉电池可重复500次以上的充放电,经济耐用。
其内部抵制力小,既内阻很小,可快速充电,又可为负载提供大电流,而且放电时电压变化很小,是一种非常理想的直流供电电池。
与其它类型的电池比较,镍镉电池可耐过充电或过放电。
提高电池性能及延长电池使用寿命的关键在于避免记忆效应和过度放电。
镍镉电池有记忆效应,即镍镉电在几次低容量下的充放电工作之后。
如果要进行一次较大容量的充放电,电池将无法正常工作,这种情况即为记忆效应。
记忆效应使得放电终止电压被设定的较高的录像机、摄像机上,随着工作电压的降低,电池容量表面上也随着降低,但放电电压的降低可能是一至二次完全放电而造成的暂时现象。
记忆效应使得电池的性能不能得到充分发挥,也给拍摄带来极大的不便。
充电示意图
图2
镍镉电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成,石墨不参加化学反应,其主要作用是增强导电性。
负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成,氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性,防止结块,并增加极板的容量。
活性物质分别包在穿孔钢带中,加压成型后即成为电池的正负极板。
极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。
电解液通常用氢氧化钾溶液。
与其它电池相比,NiCd电池的自放电率(即电池不使用时失去电荷的速率超科电池)适中。
NiCd电池在使用过程中,如果放电不完全就又充电,下次再放电时,就不能放出全部电量
2.1.2镍氢电池
镍氢电池是有氢离子和金属镍合成,电量储备比镍镉电池多30%,比镍镉电池更轻,使用寿命也更长,并且对环境无污染。
镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多,性能比锂电池要差。
镍氢电池中的“金属”部分实际上是金属氢化物。
许多种类的金属互化物都已被运用在镍氢电池的制造上,它们主要分为两大类。
最常见的是AB5一类,A是稀土元素的混合物(或者)再加上钛(Ti);B则是镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn),(或者)还有铝(Al)。
而一些高容量电池的“含多种成分”的电极则主要由AB2构成,这里的A则是钛(Ti)或者钒(V),B则是锆(Zr)或镍(Ni),再加上一些铬(Cr)、钴(Co)、铁(Fe)和(或)锰(Mn)。
所有这些化合物扮演的都是相同的角色:
可逆地形成金属氢化物。
电池充电时,氢氧化钾(KOH)电解液中的氢离子(H+)会被释放出来,由这些化合物将它吸收,避免形成氢气(H2),以保持电池内部的压力和体积。
当电池放电时,这些氢离子便会经由相反的过程而回到原来的地方。
当快速充电时,可以透过充电器内的微电脑去避免电池过充的情况产生。
现今的镍氢电池含有一种催化剂,可以及时的解除因为过充所造成的危险。
当充电程序开始后,电池的温度会上升的很明显,有些急速充电器(低于1小时)内含风扇来避免电池过热。
在电池的使用过程中,也必须小心。
对于串联在一起的几颗电池,要避免电池完全耗尽电能,进而发生“反向充电”。
这会对电池产生不可挽回的损害。
镍氢电池具有较高的自放电效应,约为每个月30%或更多。
这要比镍镉电池每月20%的自放电速率高。
对于镍氢电池的长期保养来说,使用低频脉冲-大电流的的充电方式要比使用涓流。
镍氢电池
铅酸电池阀控式免维护铅酸电池的基本结构如图1所示。
它由正负极板、隔板、电解液、安全阀、气塞、外壳等部分组成。
正极板上的活性物质是二氧化铅(PbO2),负极板上的活性物质为海绵状纯铅(Pb)。
电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定比例配制而成。
电池槽中装入一定密度的电解液后,由于电化学反应,正、负极板间会产生约为2.1V的电动势。
新铅酸电池初次使用时,必须先充满电。
如采用0.1C充电速率充电,大约需要55~75小时。
蓄电池正常使用放完电后,应立即充电。
通常采用的方法有:
(1)分级定流充电法;
(2)低压恒压充电法(带负载充电);(3)快速充电法。
2.1.3锂电池
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
Li+MnO2=LiMnO2该反应为氧化还原反应,放电。
由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高,所以锂电池生产要在特殊的环境条件下进行。
但是由于锂电池的很多优点,锂电池被广泛的应用在电子仪表、数码和家电产品上。
但是,锂电池多数是二次电池,也有一次性电池。
少数的二次电池的寿命和安全性比较差。
所以,锂电池长期没有得到应用。
现在锂电池已经成为了主流。
锂电池主要有:
锂--二氧化锰电池(CR)、锂--亚硫酰氯电池,其他锂电池还有锂--硫化亚铁电池、锂--二氧化硫电池等。
锂--二氧化锰电池(CR)
以金属锂为负极,以经过热处理的二氧化锰为正极,隔离膜采用PP或PE膜,圆柱型电池与锂离子电池隔膜一样,电解液为高氯酸锂的有机溶液,圆柱式或扣式。
电池需要在湿度≤1%的干燥环境下生产。
特点:
低自放电率,年自放电可≤1%,全密封(金属焊接,lazerseal)电池可满足10年寿命,半密封电池一般是5年,如果工作控制不好的话,还达不到这个寿命。
锂--亚硫酰氯电池
以金属锂为负极,正极和电解液为亚硫酰氯(氯化亚砜),圆柱式电池,装配完成即有电,电压3.6V,是工作电压最平稳的电池种类之一,也是目前单位体积(质量)容量最高的电池。
适合在不能经常维护的电子仪器设备上使用,提供细微的电流。
电池的保护电路
由两个场效应管和专用保护集成块S--8232组成,过充电控制管FET2和过放电控制管FET1串联于电路,由保护IC监视电池电压并进行控制,当电池电压上升至4.2V时,过充电保护管FET2截止,停止充电。
为防止误动作,一般在外电路加有延时电容。
当电池处于放电状态下,电池电压降至2.55V时,过放电控制管FET1截止,停止向负载供电。
过电流保护是在当负载上有较大电流流过时,控制FET1使其截止,停止向负载放电,目的是为了保护电池和场效应管。
过电流检测是利用场效应管的导通电阻作为检测电阻,监视它的电压降,当电压降超过设定值时就停止放电。
在电路中一般还加有延时电路,以区分浪涌电流和短路电流。
归结起来,对锂电池在使用中的充放电问题最重要的提示是:
1、按照标准的时间和程序充电,即使是前三次也要如此进行;
2、当出现机器电量过低提示时,应该尽量及时开始充电;
3、锂电池的激活并不需要特别的方法,在机器正常使用中锂电池会自然激活。
如果你执意要用流传的“前三次12小时长充电激活”方法,实际上也不会有效果。
因此,所有追求12小时超长充电和把锂电池用到自动关机的做法,都是错误的。
如果你以前是按照错误的说法做的,请你及时改正,也许为时还不晚。
2.1.4密封铅酸电池
铅酸电池(VRLA),是一种电极主要由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液的蓄电池。
铅酸电池荷电状态下,正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅;放电状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅。
根据铅酸蓄电池结构与用途区别,粗略将电池分为四大类:
1、起动用铅酸蓄电池;2、动力用铅酸蓄电池;3、固定型阀控密封式铅酸蓄电池;4、其它类,包括小型阀控密封式铅酸蓄电池,矿灯用铅酸蓄电池等。
充电是将外部直流电源连在蓄电池上进行充电,使电能转化成化学能储存起来。
放电是电能从电池中释放出来去驱动外部设备。
当VRLA蓄电池充电将达到顶点时,充电电流只被用来分解电解液中的水,此时,电池正极产生氧气,负极产生氢气,气体会从蓄电池中溢出,造成电解液减少,需不定时加水。
另一方面,充电末期或过充条件下,充电能量被用来分解水,正极产生的氧气与负极的海绵状铅反应,使负极的一部分处于未充满状态,拟制负极氢气的产生。
注意事项
(1)确保在电池和设备之间和周围进行充分的绝缘措施。
不充分的绝缘措施可能引起电击、短路发热、冒烟或燃烧。
(2)充电应用充电器,直接连在直流电源可能会引起电池泄漏、发热或燃烧。
(3)由于自放电,电池容量会缓慢减少。
在储存长时间后使用前,请重新对电池充电。
第三章硬件设计
本次的设计当中针对的是上文提到过的铅酸蓄电池,现在正在热销当中的电动自行车就是用的铅酸蓄电池。
3.1充电方法设计
对于铅酸蓄电池,若采用恒压充电方法进行充电,则在充电开始充电电流很大,会引起高温,且恒压充电不能调整充电电流的大小,不宜于蓄电池的初期充电。
若采用恒流充电,充电时间太长,且易引起过充,过充电由于剧烈的放出气泡,会在极板内部造成压力,加剧活性物质的脱落,使极板过早损坏,不宜于蓄电池后期充电。
鉴于此,充电器采用先恒流后恒压的充电方式,如图1所示。
充电初期,充电电流较大,电流值限制在0.1c~0.2c(c指的是蓄电池容量,此处容量为24V/12A·h),取1.8A,对蓄电池进行恒流充电确保蓄电池充电时安全快速。
当蓄电池容量达到80%左右,电压达到13.8V惮体(单体电压12V)即27.6V时,充电器保持该电压对蓄电池进行恒压充电,充电电流减小,直到接近C/50即0.24A左右,认为充电结束,通过一定的方法控制蓄电池停充,这样可以尽可能地使蓄电池充得更足。
3.2控制方法设计
鉴于充电过程分恒流和恒压两个阶段,采用平均电流模式PWM控制方法,如图2所示。
此控制方法是利用电压外环和电流内环的双环负反馈控制,对输出电压和输出电流分别进行跟踪采样,与基准值进行比较,将误差放大后送人PWM控制器,控制变换器开关管的占空比,从而调整输出电压或输出电流的大小,使其稳定。
当s打向2时,通过闭环控制,将使输出电流稳定,而当s打向1时,通过闭环控制,将使输出电压稳定,s的动作将随充电的进行自动控制切换。
另外,通过对闭环控制网络进行增益和相位补偿设计,以提高控制的稳定性,降低输出的稳定误差,改善响应特性,提高抗干扰能力。
3.3电路分析
充电器总电路原理图如图3所示,具体电路如图4所示。
从图3中可以看出,总电路分主电路、控制电路和辅助电路等三大部分,其中辅助电路包括输入电源、辅助电源、保护电路、显示电路和充满自停电路。
下面分别给予详细分析。
3.3.1主电路的分析
主电路采用Buck型DC/DC变换器,主要由MOSFET管s1和肖特基二极管D两个组合开关管以及。
L1、C2组成的滤波器构成,它是一种降压斩波电路,开关频率为100kHz,在输入电压基本不变的情况下,通过控制MOSFET开关管导通时间的占空比D,可以在0~Ud之间控制输出电压和相应的输出电流。
连续工作模式下的输出电压和输入电压之间满足以下关系,即V0=DVd
(1)这样的可控电压和电流很适合对蓄电池的充电,而且通过脉冲宽度调制(PwM)方法,可以较容易地将输出端的谐波含量滤除,得到更接近直流的输出电压和电流。
3.3.2控制电路的分析
如前所述,该充电器的控制主要分恒流充电和恒压充电控制,采用平均电流模式PWM控制方法。
平均电流模式控制方法有其显著的优点:
(1)具有高增益的电流放大器,平均电流能精确地跟踪电流设定值和电压设定值;
(2)噪声抑制能力强;
(3)无需斜波补偿。
电路中,该控制方法主要由芯片UC3886完成。
该芯片是一种平均电流控制型DC/DC变换器PWM控制器,具有低失调、高频带电流和电压放大器,可满足高性能系统的要求;具有低失调电流取样放大器,可使用低阻值取样电阻R1,以降低功耗,并允许用户设置电阻(如R16~R19)选择增益;工作频率有外部电阻R15和电容C8设定,这里设定工作频率为100kHz;另外,它具有最大1.5A峰值推拉电流输出,因此,本电路无需另设驱动电路,直接由GATE端输出驱动MOSFET管工作。
电路恒流充电期间,采样电感L1电流,输入芯片的脚14和脚15,经过差分形式的取样放大器放大,由脚16输出,与脚3提供的电流给定值比较,所得误差经由R20,R21,C9和内部电流放大器组成的PI调节器运算,再通过内部PWM比较器比较产生PWM开关信号,去控制MOSFET开关管工作。
通过这样的电流单闭环控制,控制电感上的平均电流保持恒定值为1.8A,以实现恒流充电。
电路恒压充电期间,分压电阻巧采样输出电压,与脚4提供的电压给定值比较,所得误差经由R22,R23,C10和内部电压放大器组成的PI调节器运算,作为电流误差放大器的给定,再与电感电流采样值进行比较、PI运算,最后通过PWM比较器比较产生PWM开关信号,去控制MOSFET开关管工作。
通过这样的电流内环、电压外环组成的双闭环控制,控制输出电压平均值保持恒定值为41.4V,以实现恒压充电。
上述的PI调节器的参数(对应电阻和电容的取值)均根据系统的稳定性和动态特性的要求,通过闭环系统补偿网络的设计来选择。
恒流和恒压充电的切换控制电路主要由迟滞比较器U4B和芯片CD4053B构成。
CD4053B芯片是三路单刀双掷双向模拟开关,在脚6为低电平的前提下,当脚A为低电平时,ax/ay脚与ax脚连接,反之,ax/ay脚与ay脚连接,脚B、C的控制类似,这里将脚A、B、C共接,实现三路开关同步控制。
当恒流充电进行到蓄电池端压上升到41.4V时,需要将恒流充电切换到恒压充电,为了避免来回频繁切换,利用了迟滞比较器的特性,将其高阈值电压Vth与41.4V电压对应。
分压(R26R27)采样蓄电池端电压,输入迟滞比较器U4b,当蓄电池端电压未达到41.4V时,U4b输出高电平给脚A、B、C,使电压外环断开,只有电流内环起作用,实现恒流充电,而当蓄电池端电压达到41.4V时,U4b输出低电平给脚A、B、C,使电压外环连接,双环均起作用,实现恒流充电到恒压充电的切换。
3-3
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