PAGE本科畢業(yè)設(shè)計（論文）院（系）：專業(yè)：班級：學(xué)生：學(xué)號：指導(dǎo)教師：2012年06月PAGEIV數(shù)字化快速充電系統(tǒng)設(shè)計摘要隨著智能電池在國內(nèi)的日益普及,與之配套的智能充電器也已經(jīng)成為國內(nèi)電源行業(yè)研究的新熱點,其技術(shù)生命力和應(yīng)用前景將非常廣闊.目前,市場上充電器大都采用固定模式對電池進(jìn)行充電,缺乏自適應(yīng)能力,不能實時控制充電狀態(tài),經(jīng)常出現(xiàn)電池充電過度、充電不足或電池過熱等諸多問題,大大縮短了電池的使用壽命。本文在調(diào)查國內(nèi)外快速充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從智能充電器的市場需求開始，對數(shù)字化電池從理論上做了充分的分析，并設(shè)計出一種能給多種規(guī)格、型號電池進(jìn)行充電的數(shù)字化快速充電系統(tǒng)。主要設(shè)計工作包括：設(shè)計了開關(guān)電源，實現(xiàn)了220V市電轉(zhuǎn)換為25V恒壓輸出；設(shè)計了充電電路，實現(xiàn)DC-DC變換；設(shè)計了單片機(jī)控制電路，實現(xiàn)了充電電壓電流的的檢測、充電過程的控制、狀態(tài)的監(jiān)測、顯示等功能，實現(xiàn)對鋰離子、鎳鎘、鎳氫電池的快速充電。關(guān)鍵詞：快速充電；開關(guān)電源；控制電路DesignofdigitalrapidchargingsystemAbstractWiththegrowingpopularityofsmartbatteryinthecountry,accompanyingsmartchargerhasbecomethenewhotspotinthedomesticpowerindustry,itsvitalityandprospectswillbeverybroad.Atpresent,mostofthefixedmodethebatterychargeronthemarketcharging,thelackofadaptivecapacity,chargestatuscannotbereal-timecontrol,oftenbatteryovercharging,chargingorbatteryoverheating,greatlyreducingbatterylife.Fastchargingbasisofthestatusoftechnicaldevelopmentinthesurveyathomeandabroadmarketdemandfromthesmartcharger,digitalbatterydoafullanalysisofthetheory,anddesignagiveavarietyofspecifications,modelsofbatterychargethedigitizationfastchargingsystem.Themaindesignworkinclude:designofaswitchingpowersupply,220Velectricityconvertedto25Vconstantvoltageoutput;chargingcircuitisdesignedtoachievetheDC-DCconverter;designedasingle-chipcontrolcircuit,thechargingvoltageandcurrentdetection,thechargingprocesscontrol,statusmonitoring,displayandotherfunctions,toachievefastcharginglithium-ion,nickel-cadmium,nickelmetalhydridebatteries.Keywords:fastcharge;switchingpowersupply;controlcircuit目錄中文TOC\o"1-3"\h\u759摘要 I29373英文摘要 II167611緒論 1284311.1題目背景 1320281.2研究意義 186991.3國內(nèi)外發(fā)展情況 2194521.4課題主要研究內(nèi)容 2130682數(shù)字化快速充電器理論分析 44682.1電池的充電特性分析 4122942.2充電模式 588302.2.1恒流充電 5117422.2.2恒壓充電 655292.2.3快速充電技術(shù)的優(yōu)缺點分析 7272052.2.4充電控制技術(shù) 731622.3開關(guān)電源的基本原理 9150413數(shù)字化快速充電系統(tǒng)硬件設(shè)計 11211913.1總體設(shè)計方案 11157293.2單片機(jī)XC164CM介紹 12204673.3開關(guān)電源電路設(shè)計 1384153.3.1AC/DC轉(zhuǎn)換電路 13217473.3.2DC/DC變換器電路的設(shè)計 14173073.4充電電路的設(shè)計 1863093.5充電控制電路的設(shè)計 19126573.6單片機(jī)及其外圍電路的供電電路的設(shè)計 20282873.6.15V供電電路 20295533.6.22.5V供電電路 21309723.7電壓和電流檢測電路的設(shè)計 2143923.7.1電壓檢測電路 21236593.7.2電流檢測電路 22216933.8顯示電路和鍵盤輸入電路的設(shè)計 22238443.9報警電路的設(shè)計 23124914實驗結(jié)果及分析 25277585總結(jié) 2624110致謝 27417參考文獻(xiàn) 2814625畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 2918758畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明 3024667附錄 3116960附錄A實驗原理圖 3128177附錄B印制電路板 321緒論PAGE11緒論1.1題目背景電源技術(shù)是一切設(shè)備的基礎(chǔ)技術(shù)，其水平的高低，直接影響整體性能，形象地講，電源猶如心臟，是電設(shè)備的供電系統(tǒng)，維持著全系統(tǒng)的正常運行，標(biāo)志電源特性的參數(shù)有功率、電壓、頻率、噪聲及帶載時參數(shù)的變化等等，在同一參數(shù)的要求下，又有體積、重量、效率和可靠性能指標(biāo)。因此，一個優(yōu)秀的電源系統(tǒng)，必須既滿足特性參數(shù)要求，又要滿足特定指標(biāo)的要求。智能供電系統(tǒng)是一種典型的AC-DC供/充電系統(tǒng)，它不但要把交流220V市電轉(zhuǎn)換成需要的低壓直流電，輸入給無線通信機(jī)，還能給通信機(jī)內(nèi)的蓄電池（包括鋰離子、鎳鎘、鎳氫等種類）充電，以備移動時給通信機(jī)供電。目前，這種通信系統(tǒng)主要配備給陸軍連隊、消防大隊、森警巡邏隊等，以及應(yīng)用與武警執(zhí)勤、野外偵探等無法交流供電的工作環(huán)境中。目前，配備給通信機(jī)的電源系統(tǒng)，由于大都屬于70年代開發(fā)的產(chǎn)品，技術(shù)上存在的問題如下：故障率高，而且維修困難，經(jīng)常影響作訓(xùn)的正常進(jìn)行；由于有些電池性能比較差，充電器缺乏自適應(yīng)性，經(jīng)常出現(xiàn)因“過沖”而損壞電池或因“充不滿”而影響作訓(xùn)的非常情況；體積大，笨重，而且效率低，不適應(yīng)現(xiàn)代化裝備要求；不具備對新一代“數(shù)字化電池”的充電功能，針對如上缺點，使用部門多年來一直尋求一種高性能新型電源系統(tǒng)，以便滿足國防建設(shè)和特殊行業(yè)的要求。1.2研究意義如今，隨著越來越多的手提式電器的出現(xiàn)，對高性能，小尺寸，重量輕的電池充電器的需求也越來越大，電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步也要求更復(fù)雜的充電算法以實現(xiàn)快速安全的充電。因此需要對充電過程進(jìn)行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時間，達(dá)到最大的電池容量，并防止電池?fù)p壞。與此同時，對充電電池的性能和工作壽命的要求也在不斷提高。從二十世紀(jì)六十年代的商用鎳鎘和密封鉛酸電池到近幾年的鎳氫和鋰離子技術(shù)，可充電電池容量得到了飛速發(fā)展。電池充電是通過逆向化學(xué)反應(yīng)將能量存儲到化學(xué)系統(tǒng)里實現(xiàn)的,由于使用的化學(xué)物質(zhì)的不同,電池有自己的特性.設(shè)計充電器時要仔細(xì)了解這些特性以防止過度充電而損壞電池。目前所裝備的充電器大都采用固定模式對電池進(jìn)行充電，缺乏自適應(yīng)能力，不能實時控制充電狀態(tài)。經(jīng)常出現(xiàn)電池充電過度，充電不足或電池過熱等諸多問題，縮短了電池的使用壽命，影響了電池設(shè)備的工作。為了解決目前存在的諸多問題，同時適應(yīng)未來電子PAGE3裝備的數(shù)字化，信息化，研究出一種可給多種電池自適應(yīng)充電的數(shù)字化快速充電設(shè)備，已解決目前存在的問題。近年來，電設(shè)備越來越廣泛的應(yīng)用與各個領(lǐng)域，而且越來越復(fù)雜，對供電系統(tǒng)的要求也越來越高。除了系統(tǒng)的可靠性、效率、體積和重量等要求之外，一些新的要求在不斷提出，例如EMC（電磁兼容）的要求，智能化程度和自適應(yīng)等，一個新型的充電器，不但具有傳統(tǒng)充電器的功能，還能識別被充電電池的類別，然后根據(jù)電池的參數(shù)，以及環(huán)境溫度等自適應(yīng)地生成充電曲線，使得被充電電池在最短時間內(nèi)，以最佳的方式完成充電工作。在充電過程中，要不斷地檢測被充電電池的電壓、電流和溫度的變化情況及時調(diào)整充電曲線。1.3國內(nèi)外發(fā)展情況為了適應(yīng)電設(shè)備科技發(fā)展的需要，近年來，在充電電源的研究方面主要呈現(xiàn)如下幾個特點：（1）集成化、高密度化：它包括了兩層含義，一是構(gòu)成MOSFET大功率器件的元件微型化、密集化；二是指MOSFET集成在單片IC中，從而使系統(tǒng)控制、驅(qū)動、保護(hù)、檢測和末級功率放大集成為一體。（2）高頻化：提高主功率變換器件的開關(guān)速度，可明顯減少磁性變壓器材料和大電解電容體積、重量等。這也使得開關(guān)器件的研制從改進(jìn)電壓、電流的兩維體系發(fā)展到提高頻率的三維體系。高頻化的實現(xiàn)建立在高開關(guān)速度功率器件的基礎(chǔ)上，電力電子技術(shù)的發(fā)展為其創(chuàng)造了條件。（3）智能化：主要體現(xiàn)在對被充電電池的自適應(yīng)性和對環(huán)境的自適應(yīng)性方面。智能化具體表現(xiàn)為能識別被充電電池的類型，能檢測到當(dāng)前狀態(tài)，并能根據(jù)被充電電池的這些信息自動生成最佳充電曲線，保證在最短時間內(nèi)，高效地將電池充滿。由于自動生成最佳充電曲線與制造廠提供的曲線一致，也保證了電池在充電過程中一直處于理想狀態(tài)，從而延長了電池的使用壽命。為了適應(yīng)這些特點，世界各國都在研究數(shù)字化快速充電技術(shù)。目前已經(jīng)研制出了幾十種各類電池快速充電集成電路，譬如，針對鎳鎘/鎳氫電池充電的TEA1100/TEA1101和MAX2003等控制芯片，針對鋰離子電池充電的FAN7563、FAN7564、LM3420和BQ2054等控制芯片；主要用于鎳鎘/鎳氫、鋰離子等電池的充電的bq2000系列控制芯片；還有鉛酸電池充電控制器UC3906、UC3909和bq2031等。利用這些控制芯片很容易設(shè)計成數(shù)字化快速充電器。這些控制芯片針對不同類型的電池，具有明顯的特色。通過最佳組合，可以設(shè)計成多種用途的數(shù)字化快速充電器。但是，由于這些芯片功能單一，無法滿足本文涉及項目的特殊需要。1.4課題主要研究內(nèi)容根據(jù)鋰離子、鎳鎘、鎳氫電池的充電特性，完成快速充電系統(tǒng)設(shè)計。掌握快速充電理論和充電電源原理及應(yīng)用。具體為：掌握充電電源的工作原理,種類，發(fā)展過程及當(dāng)前的發(fā)展水平；掌握快速充電理論及Ni-H，鋰離子電池充電要求；充分對要制作的系統(tǒng)進(jìn)行論證，充分掌握要害，并進(jìn)行最佳設(shè)計；技術(shù)指標(biāo)：輸入電壓范圍：20-28V直流；適用電池范圍：適用于當(dāng)前便攜裝備的鋰離子，鎳鎘，鎳氫可充電電池，標(biāo)稱充電值：3.6V，7.2V，12V，14.4V。充電時間可在30min內(nèi)使被充電池所充電量不小于標(biāo)定值得50%（限1AH電池）；充電電池容量：規(guī)定在0.6-2.0AH以內(nèi)。輸出電壓：5V,12V;額定電流：2A+0.2A（2A-0.2A）；輸出紋波:=<1%VPP；負(fù)載調(diào)整率=<1%。2數(shù)字化快速充電器理論分析PAGE42數(shù)字化快速充電器理論分析2.1電池的充電特性分析目前主要的蓄電池有很多種，如:鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池等。這四種蓄電池具有相同的功能就是都可以為最終產(chǎn)品提供可補充的電能，但不同的電池具有不同的特性。由于本次設(shè)計中主要涉及的充電電池的主要充電參數(shù)為額定電壓：3.6V、7.2V、14.4V、12V的鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池。而鎘鎳、鎳氫和鋰離子三種電池的充電特性并不完全相同，下面分別敘述這三種電池的充電特性。為了本文敘述方便的需要，如果沒有特別注明，以下給出的均為12V電池的參數(shù)。（其他電壓的電池參數(shù)與其基本成倍數(shù)變化關(guān)系，充電電流根據(jù)容量與其成比例關(guān)系）。單節(jié)鎳鎘電池正常工作時電壓為1.5V，充電時其最高電壓可達(dá)1.8V，放完電時，電壓可降至1.2V以下。由于要求是給12V電池充電，所以12V電池的特性為：正常工作時電壓為12V，充電時其最高電壓可達(dá)14.4V，放完電時電壓降至9.6V以下。由于鎳鎘電池有記憶應(yīng)因此在充電之前要先將其放電到10V以下，再進(jìn)行充電。充電時主要采用一定電流充電，其典型的充電曲線見圖2.1。圖2.1鎳鎘電池的充電特性圖2.2鎳氫電池的充電特性從圖2.1可以看出，在充電的起始狀態(tài)，電池的端電壓上升很快，直至A點。A點后，電壓緩慢上升至B點，然后電池電壓又快速上升至最高點C。從C點處開始電池電壓會隨著繼續(xù)充電而下降，出現(xiàn)負(fù)增量-ΔV。此時電池已充足電，電池溫度急劇上升，內(nèi)部壓力也繼續(xù)上升，應(yīng)及時停止快速充電，進(jìn)入浮充維護(hù)充電狀態(tài)，對電池進(jìn)行維護(hù)，以防止電池自放電。若此刻還繼續(xù)快速充電會損壞電池，甚至出現(xiàn)危險。PAGE10鎳氫電池與鎳鎘電池的特性基本一致如圖2.2，只是鎳氫電池具有很弱的記憶效應(yīng)，在充電之前無需放電，只需對其直接充電。充電曲線與鎳鎘電池充電曲線相似，只是充電電壓到最高點后，電池端電壓變化較小，此時出現(xiàn)零增量0ΔV。此刻同樣應(yīng)對電池進(jìn)入浮充維護(hù)狀態(tài)。為了敘述方便，以后若無特別說明，負(fù)增量（-ΔV）和零增量（0ΔV）統(tǒng)稱為ΔV。單節(jié)鋰電池正常工作電壓為3.6V，充足電時電壓可達(dá)4.2V，放完電時電壓可降至2.7V。鋰電池的充電與鎳鎘、鎳氫不同，其典型的充電曲線如圖2.3所示。由圖2.3可見，鋰電池先經(jīng)過恒流充電，待電壓上升至最高電壓A點后，再轉(zhuǎn)至恒壓充電，此時電池端電壓保持不變。恒壓充電時，電池的充電電流會降低，待電流降至B點即此時電流為恒流充電時電流的1/10時，認(rèn)為電池已充滿電，轉(zhuǎn)至浮充維護(hù)充電。因此，鋰電池充電時要經(jīng)過恒流恒壓兩個充電過程。圖2.3鋰電池充電曲線2.2充電模式目前，鉛酸蓄電池引用的充電模式通常包括恒流充電、恒壓充電和快速充電模式。下面將三種充電模式進(jìn)行比較。2.2.1恒流充電恒流充電的特點即以恒定的電流對蓄電池充電。優(yōu)缺點分析：a.優(yōu)點：恒流充電電流可調(diào)，故可以適應(yīng)不同技術(shù)狀態(tài)的蓄電池，如新蓄電池、正常使用蓄電池和有不同故障的蓄電池，因而目前得到了廣泛采用；恒流充電當(dāng)蓄電池基本充好后還能以很小的電流對蓄電池繼續(xù)充電，使極板內(nèi)部較多的活性物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)，從而使蓄電池充電比較徹底，保證了蓄電池的容量。b.缺點：充電過程中需要較多人工干預(yù)，如蓄電池端電壓的測試、溫度測量、電流調(diào)節(jié)等；恒流充電當(dāng)蓄電池基本充好后還能以很小的電流對蓄電池繼續(xù)充電，使極板內(nèi)部較多的活性物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)，從而使蓄電池充電比較徹底，保證了蓄電池的容量。蓄電池充電接受特性如圖2.4所示。恒流充電一般分為兩階段進(jìn)行，與蓄電池充電接受特性相差較大，因而在實際操作中一般存在初期電流偏小，后期電流太大的缺陷。初期電流偏小影響充電速度。所以恒流充電一般時間很長,以DG-250型蓄電池為例,平時補充充電時間竟達(dá)12h以上。后期電流偏大使得極化現(xiàn)象嚴(yán)重加劇。所以恒流充電無論從速度上還是從效果上都不完善。使蓄電池產(chǎn)生劇烈的溫升及冒氣，這會導(dǎo)致極板上活性物質(zhì)脫落、極板彎曲，損傷蓄電池壽命。同時極化現(xiàn)象使活性物質(zhì)不能真正有效地參加化學(xué)反應(yīng),白白浪費大量電能。圖2.4蓄電池充電接受特性2.2.2恒壓充電充電過程中充電電壓始終保持不變。恒壓充電特性如圖2.5所示。圖2.5恒壓充電特性優(yōu)缺點分析:a.優(yōu)點：恒壓充電電流隨蓄電池電動勢的升高而逐漸減小，若充電電壓設(shè)定為終止電壓，還可實現(xiàn)自動停充。因此恒壓充電操作簡單，不需人工干預(yù)，省去了許多麻煩。恒壓充電在充電過程初期由于蓄電池電動勢較低，充電電流較大，因而充電速度較快，一般在3～4h即可使蓄電池充到80%～90%。恒壓充電性能比較接近蓄電池充電接受特性，因此恒壓充電如果操作適當(dāng)可以取得較好充電效果。b.缺點：恒壓充電電流不能自由調(diào)節(jié)，因此不適應(yīng)對各種不同技術(shù)狀態(tài)的蓄電池進(jìn)行充電；由于沒有去極化措施,因而特別在充電電壓設(shè)定較高時充電過程中有較嚴(yán)重的極化現(xiàn)象。因此也有嚴(yán)重的負(fù)面效果，如出氣、溫升、極板活性物質(zhì)脫落等，從而延長充電時間、折損電瓶壽命、浪費電能；恒壓充電充電過程后期充電電流過小，極板深處的活性物質(zhì)不能充分恢復(fù)，因而不能保證蓄電池徹底充足。因此長此以往電瓶容量及壽命都會遭受損失。2.2.3快速充電技術(shù)的優(yōu)缺點分析a.優(yōu)點：(1)快速充電速度快。以補充充電為例，快速充電一般需0.5～1.5h，是常規(guī)補充充電的1/8～1/20。(2)快速充電充電效果好。快速充電由于在充電過程中采取去極化措施，使蓄電池始終比較接近初始充電狀態(tài)，因而蓄電池只有微量出氣，有效地避免了因劇烈出氣而造成的活性物質(zhì)脫落，故蓄電池壽命顯著提高；以3-Q-98型蓄電池進(jìn)行壽命試驗，壽命循環(huán)可達(dá)340次(標(biāo)準(zhǔn)為220～280次)；同時快速充電由于充電電流大，極板上的活性物質(zhì)可以進(jìn)行比常規(guī)充電更充分的電化學(xué)反應(yīng),因而蓄電池的容量顯著增加；例如6-Q-54型蓄電池，初充電后容量可達(dá)62.1A.h(10h放電率)。(3)節(jié)約大量電能。快速充電由于有去極化措施，充入蓄電池的電能絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，同時充電時間短，電能的損耗也少，因此快速充電可節(jié)約大量電能。例如，對6-Q-54型蓄電池初充電，采用常規(guī)充電耗電量為7kW·h，而采用快速充電時僅耗電3.5kW·h，約可節(jié)省50%的電能。(4)進(jìn)行激活試驗。快速充電由于充電電流較大，可對某些硫化了的蓄電池進(jìn)行激活試驗。b.缺點：(1)快速充電與常規(guī)充電相比溫升較高。(2)快速充電制度很多。如定電流、定周期脈沖充電、放電去極化法，定電流、定電壓脈沖充電、放電去極化法，小電流寬脈沖放電去極化法，大電流和小電流結(jié)合去極化法等等。雖然都有去極化措施，充電過程中仍有極化現(xiàn)象存在，很多快速充電設(shè)備就是因極化使蓄電池電動勢升高而關(guān)機(jī)的。(3)快速充電壽命長。由于充電電流較大,在實際操作中可能因電流過大反而造成溫升高、出氣量大、活性物質(zhì)脫落等較嚴(yán)重的負(fù)面效果，因而一般的快速充電比常規(guī)充電實際達(dá)到的壽命循環(huán)(460次)約低30%。這也是目前大多數(shù)蓄電池生產(chǎn)廠家普遍不支持快速充電的主要原因。2.2.4充電控制技術(shù)充電控制技術(shù)是智能充電器系統(tǒng)中軟件設(shè)計的核心部分。根據(jù)充電電池的原理，將鎳鎘和鎳氫電池的電壓曲線分為三段，具體見圖2.1，2.2。由于鎳鎘和鎳氫電池的最佳充電過程無法用單一量實現(xiàn)，在這三段應(yīng)分別采用不同的控制方式。具體為：進(jìn)入B—C段之前，電池電量已基本用完，此時采用恒定的小電流充電。進(jìn)入B—C段時，若采用恒流充電，電流過大會損壞電池，電流過小使充電時間過長，所以這一段采用模糊控制方法，根據(jù)電壓變化情況控制充電電流，使電池電壓按理想充電模式變化，以達(dá)到最佳充電效果。當(dāng)進(jìn)入ΔV階段時，說明電池充電已滿，若此時停止充電，電池會自放電。為防止自放電現(xiàn)象發(fā)生，采用浮充維護(hù)充電方式，用1/20C—1/50C（C為電池的額定容量）的電流進(jìn)行涓流充電。鋰電池充電方法與鎳鎘和鎳氫電池相差較大，它是采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電方式，具體見圖2.3。在恒流充電狀態(tài)下，不斷檢測電池端電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到飽和電壓時，恒流充電狀態(tài)終止，自動進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)；恒壓充電時，保持充電電壓不變，由于電池內(nèi)阻不斷變大，導(dǎo)致充電電流不斷下降，當(dāng)充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10時，終止恒壓充電，進(jìn)入浮充維護(hù)充電階段。根據(jù)部隊以往的反饋情況得知，鋰電池在使用中，沒有出現(xiàn)明顯的鎳鎘和鎳氫電池的使用壽命短的情況，這說明鋰電池傳統(tǒng)的充電方法可行。所以本設(shè)計沒有考慮鋰電池的快速充電，而是采用傳統(tǒng)的恒流恒壓充電方式。電池在充滿電后，如果不及時停止充電，電池的溫度將迅速上升。溫度的升高將加速蓄電池板柵腐蝕速度及電解液的分解，從而縮短電池壽命、容量下降。為了保證電池充足電又不過充電，可以采用定時控制、電壓控制、溫度控制和綜合控制等多種終止充電的方法。下面對這些方法分別做具體介紹。a.定時控制該方法適用于恒流充電。采用恒流充電法時，根據(jù)電池的容量和充電電流，可以很容易的確定所需的充電時間。充電的過程中，達(dá)到預(yù)定的充電時間后，定時器發(fā)出信號，使充電器迅速停止充電或者將充電電流迅速將至浮充維護(hù)充電電流，這樣可以避免電池長時間大電流過充電。這種控制方法較簡單，但有其缺點：充電前，電池的容量無法準(zhǔn)確知道，而且電池和一些元器件的發(fā)熱使充電電能有一定的損失，實際的充電時間很難確定。而該方法充電時間是固定的，不能根據(jù)電池充電前的狀態(tài)而自動調(diào)整，結(jié)果使有的電池可能充不足電，有的電池可能過充電，因此，只有充電速率小于0.3C時，才采用這種方法。b.電池電壓控制在電壓控制法中，最容易檢測的是電池的最高電壓。常用的電壓控制法有：(1)最高電壓（VMAX）從充電特性曲線可以看出，電池電壓達(dá)到最大值時，電池即充足電。充電過程中，當(dāng)電池電壓達(dá)到規(guī)定值后，應(yīng)立即停止快速充電。這種控制方法的缺點是：電池充足電的最高電壓隨環(huán)境溫度、充電速率而變，而且電池組中各單體電池的最高充電壓也有差別，因此采用這種方法不可能非常準(zhǔn)確地判斷電池已足充電。(2)電壓負(fù)增量（－ΔV）由于電池電壓的負(fù)增量與電池組的絕對電壓無關(guān)，而且不受環(huán)境溫度和充電速率等因素影響，因此可以比較準(zhǔn)確地判斷電池已充足電。這種控制方法的缺點是：從多次快速充電實驗中發(fā)現(xiàn)，電池充足電之前，也有可能出現(xiàn)局部電壓下降的情況，使電池在未充足電時，由于檢測到了負(fù)增量而停止快充;鎳氫電池充足電后，電池電壓要經(jīng)過較長時間，才出現(xiàn)負(fù)增量，此時過充電較嚴(yán)重，此時電池的溫度較高，對電池有所損害。因此，這種控制方法主要適用于鎘鎳電池。(3)電壓零增量（0ΔV）鎳氫電池充電器中，為了避免等待出現(xiàn)電壓負(fù)增量的時間過久而損壞電池，通常采用0ΔV控制法。這種方法的缺點是：未充足電以前，電池電壓在某一段時間內(nèi)可能變化很小，若此時誤認(rèn)為0ΔV出現(xiàn)而停止充電，會造成誤操作。為此，目前大多數(shù)鎳氫電池快速充電器都采用高靈敏－0ΔV檢測，當(dāng)電池電壓略有降低時，立即停止快速充電。c.綜合控制法以上各種控制方法各有其優(yōu)缺點，由于存在電池個體的差異和個別的特殊電池，若只采用一種方法，則會很難保證電池較好的充電。為了保證在任何情況下均能可靠的檢測電池的充足電狀態(tài)，可采用具有定時控制、電流控制和電池電壓控制功能的綜合控制法。2.3開關(guān)電源的基本原理開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源主要應(yīng)用領(lǐng)域有計算機(jī)、通信辦公設(shè)備、控制設(shè)備等產(chǎn)品以及電視機(jī)、攝像機(jī)、電子游戲機(jī)等消費類產(chǎn)品。與傳統(tǒng)采用工頻變換技術(shù)的相控電源相比，采用大功率開關(guān)管的高頻整流電源，在技術(shù)上是一次飛躍，它不但可以方便地得到不同的電壓等級，更重要的是甩掉了體積大、笨重的工頻變壓器及濾波電感電容。由于采用高頻功率變換，使電源裝置顯著減小了體積和重量，而有可能和設(shè)備的主機(jī)體積相協(xié)調(diào)，并且使電性能得到進(jìn)一步提高。因此，開關(guān)電源取代線性電源和相控電源是必然的發(fā)展趨勢。人們在開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開發(fā)相關(guān)電力電子器件，邊開發(fā)開關(guān)變頻技術(shù)，兩者相互促進(jìn)推動著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，也有AC/ACDC/AC如逆變器DC/DC變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設(shè)計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。現(xiàn)代開關(guān)電源有兩種：一種是直流開關(guān)電源；另一種是交流開關(guān)電源。在此主要介紹直流開關(guān)電源，其功能是將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電源（粗電），如市電電源或蓄電池電源，轉(zhuǎn)換成滿足設(shè)備要求的質(zhì)量較高的直流電壓（精電）。直流開關(guān)電源的核心是DC/DC轉(zhuǎn)換器。因此直流開關(guān)電源的分類是依賴DC/DC轉(zhuǎn)換器分類的。直流DC/DC轉(zhuǎn)換器按輸人與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類：一類是有隔離的稱為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器；另一類是沒有隔離的稱為非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的個數(shù)來分類。單管的DC/DC轉(zhuǎn)換器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）兩種。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器有雙管正激式（DoubelTransistorForwardConverter），雙管反激式（DoubleTransistrF1ybackConverter）、推挽式（Push-PullConverter）和半橋式（Ha1f-BridgeConverter）四種。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器就是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器（Full-BridgeConverter）。非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，按有源功率器件的個數(shù)，可以分為單管、雙管和四管三類。單管DC/DC轉(zhuǎn)換器共有六種，即降壓式（Buck）DC/DC轉(zhuǎn)換器，升壓式（Boost）DC/DC轉(zhuǎn)換器、升壓降壓式（BuckBoost）DC/DC轉(zhuǎn)換器、CukDC/DC轉(zhuǎn)換器、ZetaDC/DC轉(zhuǎn)換器和SEPICDC/DC轉(zhuǎn)換器。在這六種單管DC/DC轉(zhuǎn)換器中，Buck和Boost式DC/DC轉(zhuǎn)換器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC轉(zhuǎn)換器是從中派生出來的。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器有雙管串接的升壓式（Buck-Boost）DC/DC轉(zhuǎn)換器。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器常用的是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器（Full-BridgeConverter）。由于本次設(shè)計主要應(yīng)用了降壓DC/DC變換器。因此，對基本降壓變換電路Buck電路做簡要介紹。Buck電路如圖2.6所示：降壓斬波器，入出極性相同。由于穩(wěn)態(tài)時，電感充放電伏秒積相等，因此(2.1)(2.2)(2.3)(2.4)即，輸入輸出電壓關(guān)系為：(占空比)。在開關(guān)管S通時，輸入電源通過L平波和C濾波后向負(fù)載端提供電流；當(dāng)S關(guān)斷后，L通過二極管續(xù)流，保持負(fù)載電流連續(xù)。輸出電壓因為占空比作用，不會超過輸入電源電壓。圖2.6Buck電路拓補結(jié)構(gòu)3數(shù)字化快速充電系統(tǒng)硬件設(shè)計PAGE113數(shù)字化快速充電系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1總體設(shè)計方案根據(jù)本次設(shè)計的要求，設(shè)計的數(shù)字化快速充電器必須能對鎳鎘，鎳氫及鋰離子電池組充電。并能夠?qū)Τ潆娺^程進(jìn)行實時監(jiān)測，針對不同電池的不同充電狀態(tài)做出及時調(diào)整，使之符合與其相應(yīng)的充電曲線。對此，本次設(shè)計的主要設(shè)計電路包括電源電路、充電電路和充電控制電路。其主要功能是實施對電池組的快速充電，并實時監(jiān)測電池電流，電池端電壓及充電持續(xù)時間等參數(shù)。通過這些信息，判斷出電池的實時充電狀態(tài)，并對充電電流作出及時調(diào)整，從而實時而正確地控制充電過程。當(dāng)檢測到電池已充滿時，會提示用戶并且充電器自動進(jìn)入浮沖維護(hù)狀態(tài)。充電過程中，充電器設(shè)置有定時，電流保護(hù)和故障檢測功能，如有異常將使充電器停止充電而保護(hù)電池。利用模糊控制理論對充電過程進(jìn)行優(yōu)化控制，使充電嚴(yán)格地按照具體電池理想的充電曲線進(jìn)行，實現(xiàn)對多種電壓等級和不同類型電池的智能充電。系統(tǒng)的總體框圖如圖3.1所示。電壓電流檢測電路圖3.1充電系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖充電電池鍵盤顯示XC164CM單片機(jī)控制電路PWM保護(hù)電路充電電路25V開關(guān)電源220V電壓電流檢測電路圖3.1充電系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖充電電池鍵盤顯示XC164CM單片機(jī)控制電路PWM保護(hù)電路充電電路25V開關(guān)電源220VPAGE25220V交流電壓首先送入反激式開關(guān)電源進(jìn)行AC/DC變換，使其直流輸出電壓為25V，再經(jīng)過DC/DC變化轉(zhuǎn)化為供電電壓和充電電壓。此充電電壓不能直接對電池進(jìn)行充電，必須經(jīng)過充電電路，采用BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對AC/DC變換電路所得的25V的直流輸入電壓進(jìn)行二次斬波,得到合適的充電電流、電壓給電池充電。整個充電過程由充電控制電路控制，充電控制電路保證整個充電過程的順利進(jìn)行，該電路通過充電電池接口和檢測單元得到電池工作狀態(tài)，同時，該電路還實時監(jiān)測電路各部分工作是否正常，并提供保護(hù)功能。另外，鍵盤輸入單元用于設(shè)定輸出電壓等參數(shù)，顯示單元顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障類型等信息。所以，本系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備對電壓、電流、溫度的檢測和保護(hù)電路，并且這些電路在對傳統(tǒng)電池組充電時也是必不可少的。3.2單片機(jī)XC164CM介紹XC164CM是英飛凌16位單片CMOS微控制器系列的增強型產(chǎn)品。XC164CM將功能和性能擴(kuò)展的C166SV2內(nèi)核、功能強大的片上外設(shè)子系統(tǒng)和片上存儲器單元完美結(jié)合，并且有效降低了系統(tǒng)功耗。XC164具有5級指令執(zhí)行流水線和2級預(yù)取指流水線，工作頻率40MIPS，可以單周期執(zhí)行16*16bit運算，能夠滿足各種復(fù)雜的充電控制策略的運算要求。它的I/O口較多，內(nèi)部資源豐富，主要有：64K的FLASH程序存儲器，6K的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器；16級優(yōu)先權(quán)的中斷系統(tǒng)，硬件中斷陷阱；14通道10位的A/D轉(zhuǎn)換器；2個比較/捕獲單元，可方便的產(chǎn)生PWM波；可編程看門狗定時器。另外XC164CM還具備JTAG接口，便于調(diào)試程序。CPU內(nèi)核由一組經(jīng)過優(yōu)化的功能單元組成，包括指令讀取/處理流水線、16位算術(shù)邏輯單元（ALU）、40位乘累加單元（MAC）、地址和數(shù)據(jù)單元（ADU）、取指單元（IFU）、寄存器文件（RF），以及專用特殊功能寄存器（SFR）。XC164CM中的大多數(shù)指令為單周期指令，從而提高了CPU性能，同時與C166指令保持兼容。此外，XC164CM出色的DSP性能、對不同存儲器和外設(shè)的并行訪問等特性提高了系統(tǒng)的整體性能。XC164CM的內(nèi)核架構(gòu)將RISC和CISC處理器的優(yōu)點完美結(jié)合。其計算和控制功能由于MAC單元的DSP功能而變得更加完善。XC164CM將高性能CPU與一系列功能強大的外設(shè)單元集成起來，有效的聯(lián)接成一個單片機(jī)系統(tǒng)。片上存儲器模塊帶有專用總線和控制單元，用于存儲代碼和數(shù)據(jù)。這些特性促成了XC164CM微控制器的高性能，使得XC164CM不僅可滿足當(dāng)前的應(yīng)用，還將適用于未來的工程應(yīng)用。XC164CM中還采用了一種LXBus總線，用來標(biāo)識外部總線接口。LXBus總線提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的方法，可方便的將附加的專用外設(shè)集成到標(biāo)準(zhǔn)XC164CM系列芯片中。因此，在本電路中使用XC164CM充當(dāng)核心控制器。通過鍵盤設(shè)定對不同電池進(jìn)行充電，完成對整個充電過程的控制。通過計算，處理外圍幾個檢測電路檢測到的信息。根據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷和不斷調(diào)整充電狀態(tài)。并通過指示電路顯示給用戶。對不穩(wěn)定的充電狀態(tài)以及錯誤操作及時終止。XC164CM引腳圖如圖3.2所示。圖3.2XC164CM3.3開關(guān)電源電路設(shè)計開關(guān)電源電路的主要任務(wù)是將市電220VAC轉(zhuǎn)化成充電所需的25VDC的電壓。電源電路主要包括輸入濾波器，整流器，DC/DC轉(zhuǎn)換器，輸入整流濾波器等電源變換電路。220VAC的市電經(jīng)過輸入濾波器能夠抑制大部份共模干擾和差模干擾。整流器將交流電整流濾波成直流電，然后經(jīng)過DC/DC變換器得到充電所需的直流電壓。為了抑制電壓波動得到持續(xù)穩(wěn)定的輸出電壓，在輸出端添加一電壓負(fù)反饋電路。該電路由光電耦合器將檢測到的電壓狀態(tài)參量反饋給控制電路，該控制電路由美國動力（PI）公司的TOPSwitch－Ⅱ系列單片電源電路中的TOP224Y芯片對反饋參數(shù)進(jìn)行比較處理，通過PWM波調(diào)制輸出，對DC/DC變換器的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，從而得到穩(wěn)定的輸出電壓。3.3.1AC/DC轉(zhuǎn)換電路該部分電路主要包括：保險絲；濾波電容C1組成的主要用來對輸入交流電濾波，消除共模干擾和差模干擾濾波網(wǎng)絡(luò)；橋式整流電容濾波電路。a.保險絲考慮到市電輸入的電流不穩(wěn)定性。為保護(hù)整個系統(tǒng)不會因過大的沖擊電流燒毀，采用220V/3A的保險絲。b.輸入濾波器電壓電流的變化通過導(dǎo)線傳輸時的干擾，干擾電壓和電流主要有二種形態(tài)：“共模”和“差模”。一種是兩根導(dǎo)線分別做為往返線路傳輸；另一種是兩根導(dǎo)線做去路，地線做返回路傳輸。前者叫“差模”，后者叫“共模”。一般干擾所經(jīng)由的不是共模路徑就是差模路徑，因此可對不同路徑的干擾采用不同的處理,以濾波、屏蔽等手段來消除。本設(shè)計電路中電容C1作為濾波器用于抑制共模噪聲，為濾波效果好，電容C1使用陶瓷電容活聚酯薄膜電容，應(yīng)具有足夠的耐壓性。c.整流濾波電路整流采用單相橋式整流，電容C2作為濾波電路。如圖3.3所示。圖3.3單相橋式整流電容濾波電路3.3.2DC/DC變換器電路的設(shè)計該電路主要是應(yīng)用PWM調(diào)制的反激式開關(guān)電路，并由芯片TOP224Y進(jìn)行輸出電壓反饋控制，保持變換后的輸出電壓穩(wěn)定。原理如圖3.4所示。圖3.4DC/DC變換器電路a.反激變換器的工作原理隔離性DC/DC變換電路是開關(guān)電源電路中最重要的組成部分。常用的幾種基本類型有：正激變換，反激變換，推挽式，半橋式和全橋式。比較它們的優(yōu)缺點和考慮到功能要求。本系統(tǒng)選擇單端反激式變換器。單端反激式變換器的基本工作原理如圖3.5所示：當(dāng)開關(guān)管M導(dǎo)通時，變壓器的初級電感線圈儲存能量，而由于次級線圈與初級線圈相反，此時二極管處于反向偏壓截止?fàn)顟B(tài)。則次級電路中沒有電流流向負(fù)載。而當(dāng)使開關(guān)管M截止時，由于磁通量變換的影響，次級線圈的電壓極性反轉(zhuǎn)。二極管D導(dǎo)通，對電容C充電。同時也有電流通過負(fù)載。圖3.5反激變換原理圖b.變壓器的設(shè)計變壓器是開關(guān)電源的關(guān)鍵器件，在電路中兼有儲能、限流、隔離和阻抗轉(zhuǎn)換作用。(1)技術(shù)要求輸入電壓：90V～270VAC；輸出功率：=150W；輸出電壓：直流25V；開關(guān)頻率：100kHz；功率電路：單端反激。(2)設(shè)計過程1)確定工作頻率和最大導(dǎo)通時間根據(jù)電路原理，可選擇最大占空比，則最大導(dǎo)通時間：(3.1)（2)變壓器初級繞組匝數(shù)的計算變壓器初級繞組的匝數(shù)與最大磁感應(yīng)增量之間的關(guān)系為：(3.2)式中，為磁芯的有效斷面積。根據(jù)對磁輻射的要求，本設(shè)計采用TOKIN優(yōu)質(zhì)FPQ系列磁材。選擇型號為FPQ3535-T-22型磁材可滿足要求。相應(yīng)的，骨架選擇該公司生產(chǎn)的PQB3535-P1212-F，材料型號為T375J94V-O。根據(jù)磁材特性，若選，則在第一象限的最大磁感應(yīng)增量為：(3.3)經(jīng)查FPQ磁芯工作磁滯回線，當(dāng)，且溫升達(dá)到100℃時，離飽和磁密仍保持一定距離，證明的設(shè)定是合理的。FPQ3535-T-22型磁芯的有效斷面積為196，則：(匝)。3)變壓器次級繞組匝數(shù)計算由于輸出電壓為25V，則可求得次級最低輸出電壓：(3.4)式中：為整流二極管壓降，選1V。所以為52V。考慮到初、次級變比關(guān)系，以及輸入低電壓時保證輸出達(dá)到要求值，并考慮到雙正激兩個MOSFET的壓降為4V，則：(3.5)所以：（匝）c.PWM反饋控制電路設(shè)計(1)芯片TOP224Y的介紹TOPSwitch芯片是美國PI公司的產(chǎn)品，在儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、音像設(shè)備等系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。這個器件集成了功率開關(guān)管（MOSFET）、控制電路、振蕩器等于一體。它僅采用三端器件，以最簡單的接線方式，構(gòu)成電源系統(tǒng)。從而極大地簡化了150W以下電源系統(tǒng)的設(shè)計。TOPSwitch-II則是在1997年推出的第二代產(chǎn)品。第二代產(chǎn)品在電路性能，特別是輸出功率上獲得大幅度的提高。這兩個系列的封裝是一致的，實際上它是一個三端器件。其封裝圖如圖3.6所示。圖3.6TOPSwitch-II封裝圖三個腳分別是D、S、C，即漏極、源極、控制極。TO－220封裝、DIP－8封裝和SMD－8封裝這三個腳的含義是：1)源極S：連接內(nèi)部MOSFET的源極，同時也是TOP開關(guān)及開關(guān)電源初級電路的公共接地點及基準(zhǔn)點。2)漏極D：是內(nèi)部MOSFET的漏極，也是內(nèi)部電流的檢測點。該點內(nèi)部有一電流源提供芯片偏置電流。3)控制極C：誤差放大電路和反饋電流輸入端。其作用是：提供自動重啟電容連接點并決定重啟頻率；通過調(diào)節(jié)其輸入電流，可以調(diào)整占空比；為芯片提供正常工作的偏置電流；提供旁路和補償功能的電容連接點。(2)性能特點：1)將脈寬調(diào)制（PWM）控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中。內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)場效應(yīng)管（MOSFET）、自動偏置電路、保護(hù)電路、高壓啟動電路和環(huán)路補償電路，通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實現(xiàn)了無工頻變壓器、隔離式開關(guān)電源的單片集成化，使用安全可靠。2)輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時可選110V／115V／230V交流電，允許變化±15％；在寬電壓范圍輸入時，適配85V～265V交流電，但PO值要比前者降低40％。3)開關(guān)頻率。其典型值為100kHz，允許范圍是90kHz～110kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍是1.7％～67％。4)TOPSwitch－Ⅱ只有3個引出端。可以同三端線性集成穩(wěn)壓器相媲美，能以最簡方式構(gòu)成無工頻變壓器的普通型或精密型開關(guān)電源。5)外圍電路簡單，成本低廉。芯片本身功耗很低，溫度范圍0-70攝氏度，最高結(jié)溫135攝氏度。電源效率可達(dá)80％左右,比線性集成穩(wěn)壓電源提高了近一倍。(3)本系統(tǒng)所采用的TOP224Y的工作原理：TOP224Y的工作原理是利用反饋電流Ic來調(diào)節(jié)占空比D，達(dá)到穩(wěn)壓目的。如：當(dāng)輸出電壓Uo↑時，經(jīng)過光耦反饋電路使得Ic↑→D↓→Uo↓,最終使Uo不變。電源啟動時，連接在漏極和源極之間的內(nèi)部高壓電流源向控制極充電，在RE兩端產(chǎn)生壓降，經(jīng)RC濾波后，輸入到PWM比較器的同相端，與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波電壓相比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號并驅(qū)動MOSFET管，因而可通過控制極外接的電容充電過程來實現(xiàn)電路的軟啟動。當(dāng)控制極電壓Uc達(dá)到5.7V時，內(nèi)部高壓電流源關(guān)閉，此時由反饋控制電流向Uc供電。在正常工作階段，由外界電路構(gòu)成電壓負(fù)反饋控制環(huán)，調(diào)節(jié)輸出級MOSFET的占空比以實現(xiàn)穩(wěn)壓。當(dāng)輸出電壓升高時，Uc升高，采樣電阻RE上的誤差電壓亦升高。而在與鋸齒波比較后，將使輸出電壓的占空比減小，從而使開關(guān)電源的電壓減小。當(dāng)控制極電壓低于4.7V時，MOSFET管關(guān)閉，控制電路處于小電流等待狀態(tài)，內(nèi)部高壓電流源重新接通并向Uc充電，其關(guān)斷/自動復(fù)位滯回比較器可使Uc保持在4.7V～5.7V之間。圖3.7是其運行波形圖。其中，a圖為正常運行波形，b圖為自動重啟波形。自動重啟電路具有一個八分頻計數(shù)器，可以阻止輸出級MOSFET再次導(dǎo)通，直到八個放電--充電周期完成為止。因此，在自動重啟期間，占空比控制在5%左右可有效地限制芯片的功耗。自動重啟動電路一直工作到Uc進(jìn)入受控狀態(tài)為止。圖3.7TOP224Y輸出端波形圖3.4充電電路的設(shè)計充電電路由25V電壓輸入，通過一個由控制器控制的PWM調(diào)制的BUCK開關(guān)電路得到對電池充電所需的直流電壓，對電池充電。原理圖如圖3.8所示。圖3.8中電路輸入電壓經(jīng)接地電容濾波濾除交流分量，再送到BUCK變換器，進(jìn)行PWM調(diào)制得到充電電壓。如圖3.8所示，BUCK變換器電路由功率場效應(yīng)管MOSFET開關(guān)管和兩個晶體三級管組成。下面的一個晶體三級管通過控制MOSFET管的開關(guān)而產(chǎn)生PWM波以及控制充電電路的開關(guān)。另一個晶體三級管可以加速開關(guān)管的開關(guān)速度。降壓后的電壓通過濾波整流就可以用于對電池充電了。圖3.8中BUCK電路之后的電路是防反接電路。電池正確接入時，電池的端電壓通過電阻分壓使MOS管導(dǎo)通，形成充電回路。當(dāng)電池不慎被接反時，MOS管將截至，充電回路斷開。能起到保護(hù)電池和充電器的目的。圖3.8充電電路3.5充電控制電路的設(shè)計充電控制電路是智能充電器最主要的組成部分。該電路保證整個充電過程的順利進(jìn)行，該電路通過充電電池接口和檢測單元得到電池工作狀態(tài)，同時，該電路還實時監(jiān)測電路各部分工作是否正常，并提供保護(hù)功能。另外，接收由鍵盤輸入單元設(shè)定不同電池輸出電流和電壓等參數(shù)，同時將參數(shù)輸入給顯示單元顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障類型等信息。因此，經(jīng)過充分分析、論證，設(shè)計時選用英飛凌公司的XC164CM單片機(jī)作為控制核心構(gòu)成數(shù)字式控制器組成控制電路的核心部分。通過核心器件XC164CM單片機(jī)及其周圍各功能電路對電池組進(jìn)行快速充電并實時監(jiān)測充電電流，充電電壓，充電持續(xù)時間等狀態(tài)參數(shù)，對充電電路及時調(diào)整，保證充電過程的穩(wěn)定，高效，以及起到保護(hù)電池的目的。充電控制電路核心控制器XC164CM單片機(jī)控制充電電路對電池充電。并通過電流檢測，電壓檢測，時間定時等電路獲得當(dāng)前充電狀態(tài)參數(shù)。并與設(shè)定各狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)充電電流，最大允許電池電壓，最長充電時間等比較。智能地控制和選擇合適地充電模式，保證快速有效充電，并在電池組充滿電時要及時結(jié)束充電。這時就要通過對被充電電池地電量，電壓，電流變化，充電時間等參數(shù)來判斷電池電量地飽和程度，并決定是否進(jìn)入緩流維護(hù)狀態(tài)或者停止充電。由于各個電池特性有所差異，因此各自的充電狀態(tài)都不會相同所需充電時間也不會一樣，所以要對每個電池的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測，比較處理后決定每個電池的充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換及充電終止。整個充電過程的數(shù)據(jù)處理和控制調(diào)整都由單片機(jī)XC164CM來完成。其設(shè)計的電路如圖3.9所示。圖3.9XC164CM單片機(jī)控制電路3.6單片機(jī)及其外圍電路的供電電路的設(shè)計控制電路中給單片機(jī)XC164CM及其外圍電路的Vcc供電都是由芯片LT1767通過對輸出電壓降壓得到的5V輸出電壓提供。由于XC164CM的內(nèi)核CPU需要2.5V的供電，因此要使用AMS1117－2.5V的芯片對5V電壓進(jìn)一步降壓產(chǎn)生2.5V的供電電壓。下面分別對其簡述：3.6.15V供電電路該電路從充電電路得到25V電壓后，通過核心芯片LT1767將25V電壓降至5V給單片機(jī)及其外圍電路供電。電路如圖3.10所示。圖3.105V供電電路3.6.22.5V供電電路2.5V供電電路選擇AMS1117－2.5V型號的芯片。5V電壓輸入。輸出穩(wěn)定的2.5V直流電壓為XC164CM的內(nèi)部CPU供電。其電路如圖3.11所示。圖3.112.5V供電電路3.7電壓和電流檢測電路的設(shè)計為了能夠?qū)崿F(xiàn)對充電過程的實時監(jiān)測，這時單片機(jī)就要根據(jù)被充電電池地電量，電壓，電流變化，充電時間等參數(shù)來判斷電池電量地飽和程度，并決定是否進(jìn)入緩流維護(hù)狀態(tài)或者停止充電。因此，就需要設(shè)計電壓和電流檢測電路，以便將檢測的參數(shù)提供給單片機(jī)。下面分別介紹電壓和電流檢測電路：3.7.1電壓檢測電路電壓檢測電路檢測電池的端電壓，分壓后送入單片機(jī)，計算出當(dāng)前電池電壓值。除反饋給充電電路，穩(wěn)定充電電壓外，還用來判斷充電狀態(tài)。在對鎳鎘，鎳氫電池充電時，不斷檢測電壓增量。當(dāng)電壓出現(xiàn)零增量或者負(fù)增量時，表示充滿，停止充電。在對鋰電池恒流充電時，檢測到電壓最大值，使充電狀態(tài)轉(zhuǎn)入恒壓充電，并起到反饋穩(wěn)壓作用。電路如圖3.12所示。圖3.12電壓檢測電路(3.6)其中（,）3.7.2電流檢測電路通過與電池串聯(lián)接入，檢測電池的充電電流。通過放大電路得到放大的電壓信號，送到控制器中通過計算得出當(dāng)前充電電流。當(dāng)恒流充電時，檢測到的當(dāng)前電流與預(yù)設(shè)的充電電流比較后，調(diào)整充電電路的輸入PWM波的占空比。保持充電電流穩(wěn)定。其電路原理如圖3.13。圖3.13電流檢測電路(3.7)(3.8)其中：（)得到：（即電路的放大倍數(shù)倍）3.8顯示電路和鍵盤輸入電路的設(shè)計a.顯示電路顯示電路共由八個指示燈組成，依次編號為D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8。其工作狀態(tài)如下：(1)D1作為充電狀態(tài)指示燈；(2)D2作為供電狀態(tài)指示燈；(3)D3、D4、D5作為電池類型指示燈，依次為D3亮為鋰電池、D4亮為鎳氫電池、D5亮為鎳鎘電池；(4)D6、D7、D8作為供電電壓指示燈，依次為5V、12V、15V供電指示燈。顯示電路如圖3.14所示。圖3.14顯示電路b.鍵盤輸入電路鍵盤輸入電路主要設(shè)置兩個按鍵K1和K2。其功能如下：K1為功能選擇鍵，K2為確認(rèn)鍵。在未接入電池時，按一次K1鍵切換充電和供電狀態(tài)，當(dāng)切換到供電狀態(tài)時，按一次K2確認(rèn)鍵；之后再按K1鍵選擇充電電池類型，按確認(rèn)鍵K2；接著按K1鍵選擇供電電壓，按確認(rèn)鍵K2；等電池類型和供電電壓選擇完畢后，選擇供電狀態(tài)，按確認(rèn)鍵K2對電池進(jìn)行充電。鍵盤輸入電路如圖3.15所示。圖3.15鍵盤輸入電路3.9報警電路的設(shè)計為了能夠保證用戶在第一時間里知道電池已充滿以及充電發(fā)生故障，因此設(shè)計了報警電路。故障顯示是依靠顯示電路中的8個LED燈互相配合實現(xiàn)的，具體實現(xiàn)如下：當(dāng)未接入電池充電時，D1、D3、D4、D5同時亮；當(dāng)過壓充電時，D1、D6、D7同時亮；當(dāng)過流充電時，D1、D6、D8同時亮；當(dāng)充電過程中斷線時，D6、D7、D8同時亮；當(dāng)短路時，8個LED燈同時亮。報警電路如圖3.16所示。圖3.16報警電路4實驗結(jié)果及分析4實驗結(jié)果及分析用12V/1Ah鎳氫電池作充電試驗，得到充電曲線(圖4.1)。由圖可以看出，充電初期電池電壓變化較快，當(dāng)電壓達(dá)到15V時充電時，系統(tǒng)進(jìn)入模糊充電階段，電壓上升平穩(wěn)，當(dāng)充電約50分鐘后電壓升至最高點，此時電池端電壓17.8V,系統(tǒng)進(jìn)入充電中止判斷階段，在充電末期電壓出現(xiàn)較明顯的負(fù)增量變化，幅度大約為120mV，此時電池已充足電量，系統(tǒng)停止充電。整個充電過程共58min,充電過程正常。圖4.1充電電壓變化曲線5總結(jié)PAGE265總結(jié)畢業(yè)設(shè)計即將接近尾聲，回想一下，畢業(yè)設(shè)計做了快半年了，從選提到查找資料，再到動手制作，經(jīng)過幾個月的時間我在老師的精心指導(dǎo)下終于完成了畢業(yè)設(shè)計。通過本次畢業(yè)設(shè)計，我掌握了鎳鎘、鎳氫、鋰離子這三種電池的充電特性，單片機(jī)XC164CM的控制方法也讓我懂得了數(shù)字化快速充電系統(tǒng)的設(shè)計主要遵循以下兩個思路進(jìn)行：（1）設(shè)計一個高可靠性，高性能的充電電源是保證充電過程安全、高效進(jìn)行的關(guān)鍵。（2）尋找一個合適的充電控制方法是保證充電質(zhì)量的核心。本次設(shè)計的心得體會：在這次設(shè)計的過程中，我懂得了理論跟實踐的巨大不同。平時學(xué)的理論知識看似簡單，可是運用到實踐中卻很難，有時自己都不知道該怎么用。在畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，我也發(fā)現(xiàn)了自己所應(yīng)該改進(jìn)學(xué)習(xí)的部分，其一是分析問題的能力：可能是自己基礎(chǔ)不夠扎實，設(shè)計中碰到了很多難題，遇到問題時往往由于方法不對，而花費了好多時間也找不到正確的解決途徑；二是解決問題的思路：由于缺少經(jīng)驗的累積和歷練，所以在處理設(shè)計中的問題時，往往不得其法或是考慮的不夠全面．這次設(shè)計也讓我再次體會到書本上學(xué)習(xí)到的專業(yè)知識和實際應(yīng)用的區(qū)別和聯(lián)系，使我認(rèn)識到在現(xiàn)階段的學(xué)習(xí)中，我們主要應(yīng)該去學(xué)習(xí)專業(yè)理論知識的應(yīng)用，學(xué)習(xí)掌握分析問題和解決問題的方法。在以后的工作中，把理論和實際相結(jié)合，努力把大學(xué)所學(xué)的理論知識應(yīng)用到實踐當(dāng)中去。所以說，這次的畢業(yè)設(shè)計也是對以前所學(xué)知識的一個審核，我相信對于我以后學(xué)習(xí)、工作都是非常有幫助的。參考文獻(xiàn)PAGE28參考文獻(xiàn)[1]張占松、蔡宣三，開關(guān)電源的原理與設(shè)計，北京：電子工業(yè)出版社，1998年6月。[2]王鴻麟、景占松，通信基礎(chǔ)電源，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002年2月。[3]周志敏、周紀(jì)海，開關(guān)電源實用技術(shù)與設(shè)計，北京：人民郵電出版社，2003年8月。[4]曲學(xué)基等、穩(wěn)壓電源基本原理與工藝設(shè)計，北京：電子工業(yè)出版社，2004年1月。[5]楊旭、裴元慶、王兆安，開關(guān)電源技術(shù)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004年。[6]趙修科等，實用電源技術(shù)手冊（磁性元件分冊），遼寧科技出版社，2002年。[7]黃正佳，智能電源模板，電源技術(shù)，2002年。[8]數(shù)字化電池組說明書。[9]易繼鍇、侯媛彬，智能控制技術(shù)，北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1999年9月。[10]期刊論文：李丹、劉風(fēng)春，LiDan,LiuFengchun.基于A次單片機(jī)的智能充電器的設(shè)計與實現(xiàn)-電子工程師，2005.31（2）[11]閻石，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，高等教育出版社。[12]童詩白、華成英，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，高等教育出版社。[13]XC164-16USER'MANUAL,V2.1,infineon,march2004.[14]Ullah、Zafar,Fastintelligentbatterycharging:neural-fuzzyapproach,IEEEAerospaceandElectronicSystemsMagazine,1996.[15]BRviet，TURBOSWITCHinaPFCboostconverter[Z].SGS-THOMSONMicroelectrtronics,1995.[16]孫傳友、翁惠輝，現(xiàn)代檢測技術(shù)及儀表，高等教育出版社，2006年5月。[17]IvoBarbiet.al.buckQuasi-ResonantConverterOperatingatConstantFrequency.AnalysisDesignandExperimentation,IEEETrans.onPowerElectronics，276～283,Vol.5,No.3,1990.畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明30附錄31附錄附錄A實驗原理圖32附錄B印制電路板34

畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯院（系）：專業(yè)：班級：姓名：學(xué)號：外文出處：附件：2012年5月4日外文原文LowcostRISCimplementationofintelligentultrafastchargerforNi–CdbatteryAbstractThispaperpresentsalowcostreducedinstructionsetcomputer(RISC)implementationofanintelligentultrafastchargerforanickel–cadmium(Ni–Cd)battery.Thechargeremploysageneticalgorithm(GA)trainedgeneralizedregressionneuralnetwork(GRNN)asakeytoultrafastchargingwhileavoidingbatterydamage.Thetradeoffbetweenmeansquareerror(MSE)andthecomputationalburdenoftheGRNNisaddressed.Besides,anefficienttechniqueisproposedforestimationofaradialbasisfunction(RBF)intheGRNN.Hardwarerealizationbaseduponthetechniquesisdiscussed.ExperimentalresultswithcommercialNi–Cdbatteriesrevealthatwhiletheproposedchargersignificantlyreducesthechargingtime,itscarcelydeterioratesthebatteryenergystoragecapabilitywhencomparedwiththeconventionalcharger.Keywords:Batterycharger;Ni–Cdbattery;Fastcharging;GA;GRNN;RBF1.IntroductionAbatteryisanelectrochemicaldevicethatconvertschemicalenergycontainedinitsactivematerialsdirectlyintoelectricenergythroughanelectrochemicaloxida-tion–reductionreactions[1].Atpresent,asecondaryorrechargeablebatteryiswidelyusedinmanyapplicationsincludingwirelesscommunicationdevicesandportableappliances.Thistypeofbatteryincludesnickelcadmium(Ni–Cd),nickelmetalhydride(Ni–MH)andlithiumion(Li-ion)batteries.Amongthese,Ni–Cdbatteryisthemostpopularrechargeablebatteryduetoitslowcost,highnum-berofcharge–dischargecyclesandexcellentloadperfor-mance[2].Batterychargingisaverycrucialfactorinacontractedmanufacturing,wherealargenumberofbatterypoweredplug-and-playdevicesareoftenproduced.AfullychargedNi–Cdbatterymaybesuppliedbyabatterymanufacturer.However,inmanypracticalsituations,suchasshipmentdelayorfirmwareupgrading,thebatterymustberechargedbythemanufacturerbeforeshippingtoacustomer.Becauseofitssimplestructureandcostcompetitiveness,aconstanttricklecurrentchargestrategy[1,2]isoneofthemostcommonchargingtechniquesforaNi–Cdbattery.Thetechniquerequiresalongchargetimesinceitemploysaverylowchargingcurrent,i.e.0.1CwhereCisthebatterycapacity,Sometimesthecharginglastslongerthan10h,andthus,thechargerisoftenreferredtoasan‘‘overnightcharger’’[3].Ofcourse,thisisnotasuitabletechniqueforthemanufacturingprocess.Inordertoreducethechargingtime,amuchlargercur-rentthanthetricklecurrentmaybeutilizedinthechargingsystem.However,thismaycomeattheexpenseofbatterydamagebecausesupplyingahighcurrenttothebatteryforcertainperiodoftimemayresultinexcessiveriseintem-peratureandeventuallycancelachargingreactionofthebattery.AmoresophisticatedalgorithmwasintroducedinRef.[4].Specifically,bydeterminingthebatterychargestatus,thetechniqueselectsasuitablechargestrategysothatminimalchargingtimeisobtained.Besides,implemen-tationofthechargerbasedontheMotorolaTMmicrocon-trollerwassubsequentlypresentedinRef.[5].However,sincethechargerutilizesthemaximumchargecurrentof1C,thechargingtimewasstillapproximately1h.Infact,chargingthebatterywithachargingcurrentofmorethan1Cispossible,seee.g.Refs.[2,6].Nonetheless,thechargingprocessmustbecarefullyundertakenother-wisetherapidriseinbatterytemperature35cancauseseverebatterydamage.Therefore,atemperaturesensorshould