基于AVR单片机控制的智能充电器设计硬件部分.doc

1、 宁波理工学院 毕业论文（设计） 开题报告 （ 含文献综述、外文翻译） 题 目 基于 AVR 单片机控制的智能充电器设计 (硬件 部分 ) 姓 名 学 号 专业班级 06 自动化 2 班 指导教师 分 院 信息科学与工程分院 开题日期 2010 年 3 月 25 日 1 第 1 章 文献综述 基于 AVR 单片机控制的智能充电器设计（硬件 部分 ） 如何高效、快速、无损地对蓄电池进行科学充电，一直是蓄电池界关心的问题。虽然蓄电池问世至今也有 100 多年的历史，但是由于技术条件的限制，其充电一度主要采用恒压、恒压限流、恒流等模式，这些充电方法未能遵从电池内部的物理化学规律，大多存在着严重的过充

2、电和析气等现象。现行的各种充电方法中，由于种种原因，其充电 电流未能依据蓄电池的状态变化动态地跟踪可接受的充电电流曲线，因此充电质量和效果并不理想。由于充电效率低，在充电过程中将会造成大量的气体析出，析气使正极板腐蚀，导致蓄电池损坏，严重地影响蓄电池的使用寿命。对于蓄电池使用者来说，蓄电池的管理维护固然重要，但高效、无伤害的充电装置更是对提高蓄电池的使用效率、延长其使用寿命起着非常关键的作用。因此，既能提高能量利用效率，加快充电速度，又不影响铅酸蓄电池使用寿命的新型高效、快速、无损的充电技术成为迅速发展的现代电力电子技术备受关注的研究方向。 1.1 国内外的研究动 态 1.1.1 充电技术的发

3、展状况 对于 蓄电池，传统的充电方法主要是恒压充电、恒流充电或两者相结合等方法，这些充电方法没有动态的跟踪蓄电池可接受的充电电流的大小，实践证明这些充电方法不但充电时间长而且很容易对蓄电池过冲，缩短蓄电池的寿命。 通过对恒压充电和恒流充电两种方法的改进，出现了另一种传统充电方法，即分段式充电方法。此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段充电方法，采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方。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。三阶段充电法，是先采用恒流充电法达到设定的电压之后转为第二阶段，高恒压充电阶段，当充电电流小到设

4、定值之后转为第三阶段 涓流充电，此时电压值2 变为浮 充 电压 1。 这种充电方法优点是 ： 技术实现简单，基本能满足充电要求，成本低。缺点是 ：不能区别电池的放电深度 ； 容易造成过充电，导致蓄电池内部电压过高，极化现象严重，蓄电池失水过多，对蓄电池造成不可恢复的伤害。 针对传统充电方法充电时间长，不安全等特点，国内提出了一些新的快速充电方法，比 如 说分级定电流充电法、变电流间歇充电方法等，这些方法都是在传统充电方法上的改进，以满足马斯提出的铅酸蓄电池最佳充电曲线。分级定电流充电法结合了恒流充电法和恒压充电法的特点，在充电初期采用尽可能大的充电电流充电，使蓄电池在短期内充入尽可能多的容量，

5、中期采用较小的充电电流，最后采用小电流充电，使蓄电池完全充满电。它有效的防止了恒流充电法和恒压充电法中所存在的问题，实现相对简单，是目前应用最为广泛的充电方法 2。 智能充电方法是让实际充电电流动态跟踪可接受充电电流，这种充电方法不会对蓄电池造成过充电，而且充电时间很短，一般在 5-6 个小时左右。智能充电方法由充电系统、智能控制 回路和蓄电池组成，将检测到的蓄电池的充电电压和充电电流送到控制模块根据蓄电池可接受充电电流曲线动态调整充电电流，使蓄电池在析气最小的情况下充电，既能延长蓄电的寿命也能缩短充电时间。 尽管己经有很多充电方法出现，但由于各种条件的限制，仍然不能满足最佳充电电流曲线的要求

6、。目前市场上使用最广泛的仍然是三阶段充电方法 3。 1.1.2 国内外发展现状 采用单片机技术的智能充电器在我国的研究发展比较晚，因其体积小、动态 响应 速度快、输出纹波小、效率高等特点，近年来得到国内外的广泛研究与关注，特别在通信、电力等领域中 ，己经得到了普遍的研究与使用。但相对于相控电源来说，它的价格比较高，而且功率器件的发热量也较高，所以，在电力系统中的大功率场合，相控式的充电器仍然占有较大比重。 而国外市场大部分充电器均采用 Wa、 WaWo、 U&U 等充电曲线方式 4，充电方式更科 学、合理，从而大大提高了蓄电池的使用寿命，大大降低了使用和维护成本，简化了充电过程，解放了操作人员

7、的劳动强度，市场前景非常广阔。 3 近年来，国内外人士正致力于充电器的智能化研究，智能化程度较高的充电器解决了动态跟踪电池可接受充电电流曲线的技术关键，使充电电 流始终与可接受充电电流保持良好的匹配关系，使充电过程始终在最佳状态下进行，比常规充电模式可节约电能 30%-50%左右，提高了充电质量和效率，充电工人只担任辅助性工作，为充电技术和充电设备的智能化发展闯出了一条新路 5。 1.2 单片机充电终止条件控制方法 利用单片机对蓄电池 充足电后，电池的温度和内压都会快速上升，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

8、足电又不过充电，必须利用单片机采用一定的方法来控制充电的停充等问题。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 6。 1.2.1 最高电压控制 从单片机对蓄电池的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，单片机应立即对蓄电池停止充电。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，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

9、。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。 1.2.2 定时控制 通常用在单片机控制的恒流充电模式中。例如，对于 10Ah 的蓄电池，采用 0.2C充电速率，电池 5h 可充足 ： 采用 0.4C 充电速率时， 2.5h 就可充足电，因此根据电池的容量和充电电流，可以很容易地确定所需的充电时间。充电过程中，达到预定4 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

10、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 0.3C 时 采用这种控制方法才最有效果。 1.2.3 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， 单片机 必须立即停止 对蓄电池 充电 的 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 ，再反馈给单片机 。当电池 温度超过规定值时 (一般为 50 )，单片机控制 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

11、成过充电，容易损伤电池。为了避免损伤电池，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。 1.3 单片机智能充电器发展方向 目前国内对单片机智能充电技术的研究还处于初始阶段，许多学者提出单片机智能充电器 有如下的发展趋势 7： （ 1） 应用蓄电池充电过程中多孔电极内部电化学反应状态的检测技术 ； （ 2） 应用 du/dt 检测技术，组成充电器和蓄电池二元闭环充电系统，能自动根据蓄电池的技术状态计算充电工艺参数，能

12、动态跟踪，并闭环控制充电电流和充电电压 ， 无需人工干扰 ； （ 3） 能对技术状态不同的蓄电池有良好的适应性，并都能在微量析气的临界状态下进行充电 ； （ 4） 具有完善的系统自诊断、故障定位和适时处理功能 ； 5 （ 5） 具有较好的人机对话窗口，结构简单、操作简单、技术指标先进 ； （ 6） 有便于功能扩充、技术升级和性能可靠的硬件 平台。 1.4 蓄电池实际应用 蓄电池作为一种储能设备具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，蓄电池在现代工业社会的应用已经非常广泛了，而蓄电池的种类也比较多。各种不同的蓄电池有不同的应用场合：一些能量密度高的蓄电池，比如镍氢电池、锂离子电池主要用于便携式电

13、话机等移动通讯设备、笔记本电脑、摄像机中；而能量密度相对较低一点，但价格便宜的铅酸电池则广泛用于邮电、电力系统、煤矿等行业。特别是技术最成熟的铅酸蓄电池，由于具有电动势高、能大电流放电、使用温度范围宽、性能稳定、工作可靠、价格低廉、原材料来源丰富等优点 ，因此在国民经济各个领域，尤其在电动汽车动力电源、工矿电机车动力源、汽车启动电源等方面得到了广泛的应用。铅酸蓄电池的产量和使用量均占所有二次电池的 75%，相对于其它蓄电池仍然具有不可替代的地位 8。 1.5 存在问题 目前市场上使用的所谓智能充电器，并不是严格意义上的智能式充电器，据相关部门统计资料显示，市场上 85%以上的充电器存在严重的质

14、量隐患。这些充电器往往充电电流过小，充电电压不稳定，充电时间过长，导致蓄电池内部出现极化、硫化结晶等现象，致使充电容量达不到要求，大大降低了蓄电池的正常使用寿命。同时 充电管理还限于简单的形式，没有对充电过程进行全程监控和记录，没有利用PC 机管理，实现人机直接对话 9。 国内大容量充电设备主要采用晶闸管电路，充电模式主要沿用恒流恒压直流式充电。采用晶闸管电路时，输出的充电电压交流纹波分量大，易导致电池处于“暂时过压充电”状态，内部产生额外升温，使电池极板产生应力，加速电池的损坏。而且随着电力电子技术的不断发展，采用晶闸管的传统大容量充电设备， 已 不能满足小型、高效和低噪音等要求 10。 美

15、日等国家对蓄电池的性能和理论研究一直走在我国的前面，有关大容量蓄电6 池智能充电技术的 研究起步也较早，有关充电电路的设计和控制技术十分成熟。当前国外研究重点主要集中在均衡充电技术，以及如何减少充电电流的纹波成分两方面。 结束语 随着信息技术的发 展，蓄电池应用到各大领域，比如说汽车、轮船、通信、各种电子产品等。研制出一种快速充电且能延长蓄电池寿命的充电器就成为一项很重要的任务。如何改进充电器的充电质量可以从两个方面来考虑，一是充电技术，二是硬件电路的设计。随着快速高频电力电子器件以及功能 强大的集成芯片不断涌出，智能充电器的功能将越来越完善和安全 。 7 参考文献 1钱良国智能充电技术和智能

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18、tation and simulation of modified PWM with two current control techniques applied to single-phase shunt hybrid power filterJ IEEE Transactions on Power Electronics， 2006， 153(2)： 317-326 8 第 2 章 开题报告 基于 AVR 单片机控制的智能充电器设计（硬件 部分 ） 2.1 项目开发的背景 面对日趋严重的资源短缺与环境恶化问题，寻求社会、经济与资源、环境相互促进与协调发展的可持续发展模式正在成为世界性潮流，

19、汽车作为主要交通工具和国民经济的重要支柱产业得到了快速发展。与此同时，汽车也带来了能源消耗，环境污染等诸多负面影响。因此，世界许多国家都在燃料汽车、电动汽车和混合动力电动汽车领域进行了大量的研究与开发 工作，将清洁型交通工具的开发应用作为实现可持续发展战略的一个重要组成部分。目前，汽车工业己经成为世界主要工业化国家的支柱产业：一方面，汽车工业的飞速发展推动了全球机械、能源等工业的进步以及经济、交通等方面的发展，给人们带来了大量的就业机会。但是另一方面，汽车在造福于人类的同时，也带来了很大的弊端地球上有限的石油资源被大量消耗，而这些资源同时又是重要的、不可再生的，作为燃料直接燃烧掉是极大的浪费。

20、按照目前的消耗速度，石油、天然气等资源仅仅能再维持数十年的时间。与此同时汽车排放出大量的有害气体，严重地污染了人类 赖以生存的自然环境，给人类生存造成了严重的危害 1。 随着电力电子技术的迅速发展，蓄电池正广泛应用于交通运输，电力，通信等领域的各种设备中，已成为这些设备的重要部件，直接影响到设备的寿命和可靠性。电动车作为具有零排放优点的“绿色”交通工具成为人们日益关注的焦点，而蓄电池及电池管理系统是电动汽车发展的“瓶颈”。世界各国都投入大量的人力物力进行开发研究，我国在这方面的研究刚刚起步，汽车工业发达国家的研制工作也不很完善，这其中有蓄电池技术与蓄电池充放电技术两大难点 2。 蓄电池作为电动

21、汽车的动力源而成 为电动车发展的关键，蓄电池的性能决定了电动车的性能指标，其能量密度决定了电动 车一次充电的续驶里程，其功率密度则9 决定了电动汽车的加速性能和最高车速 3。因此，在某种意义说电动车的成败首先取决于电池技术，电动车能否普及取决于电池技术是否有突破性进展。 2.2 项目可行性 2.2.1 项目 的意义 电动车的开发在全球范围内未能深入展开，其中，最重要也是最困难的一个问题是“充电”问题，主要是指充电模式和参数。在中国，电动车的大力发展 已 经是迫在眉睫的事情，因而充电器及充电技术处于十分关键的位置。一个性能优良的充电 器要解决一系列理论问题，例如，防止或尽量减少极化效应 ； 防止

22、出现热失控，防止或尽量减少失水效应 ； 防止充电所形成的不可逆盐化，等等。目前由于传统的充电器充电速度慢，充电时间长、充电有效容量低、循环奉命短、对电池易损伤，快速充电技术至今未能完全解决，因而造成电动车续行里程短，电池维护困难，更换频率高等系列问题，成为制约电动车发展的瓶颈 4。电动车动力电池与一般启动用电池不同，它以较长时间中等电流持续放电为主，间或以大电流放电，用于起动、加速或者爬波。一般情况下电动车动力用电池多工作在深度放电工作状态，因此，对电 动车动力电池的快速充电的研究和设计非常必要 5。 受到现有的设备和技术的局限， 我们采用规格为 6V、 1.2Ah 的铅酸蓄电池来模拟电动车电池进行设计和实验。 2.2.2 项目的 设计目标 本课题 是针对 电动车 铅酸蓄 电池的特点，以美国 ATMEL 公 司的 ATmega16 单片机作为控制芯片，结合国内外现行的各种充电技术和充电器设计方案，设计一款基于单片机控制的新型多模式智能充电器 。 该充电器采用涓流充电、大电流充电、过充电和浮充电组合起来的充电模式，可达到 理想 的充电效果， 并将相关参数显示在液晶屏上，待充满电或者充 电过热时，进行声光报警。