电动汽车动力电池充电系统控制部分设计论文

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1、本科毕业设计(论文)题目：电动汽车动力电池充电系统控制部分设计院 （系）： 专 业： 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2012年6月 目录目录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1课题研究背景及意义11.2国内外研究现状21.3课题研究的主要内容22 铅酸蓄电池特性分析42.1铅酸蓄电池的基本结构42.2铅酸蓄电池的充放电原理52.2.1铅蓄电池的放电52.2.2铅蓄电池的充电52.3蓄电池容量52.4铅酸蓄电池的充放电特性62.4.1铅酸电池的充电特性62.4.2 铅酸电池的放电特性62.5主要影响电池快速充电的因素72.5.1电池的欧姆极化72.5.2电池浓度极化72.5.3电池

2、的极化72.6充电方法82.6.1恒流充电法82.6.2恒压充电法92.6.3分阶段充电方法92.6.4脉冲充电法102.6.5变电流间歇充电法102.6.6变电压间歇充电方法112.7控制方法112.7.1电流控制法122.7.2电压控制法122.7.3温度控制法123 充电系统控制部分硬件设计133.1硬件框图设计133.2各部分硬件电路设计133.2.1控制电路设计133.2.2复位电路的设计143.2.3蜂鸣报警电路的设计153.2.4 CAN总线上位机通信163.2.5状态指示灯设计163.2.6电压电流采集电路设计173.2.7 温度采集电路设计173.2.8液晶显示插口设计194

3、 软件流程设计204.1主流程图204.2恒流慢脉冲程序设计214.3均衡充电子程序设计214.4数字滤波子程序流程图224.5 液晶显示程序流程图234.6 中断服务子程序流程图245 系统调试及结果分析255.1充电器对铅酸电池的充电实验255.1.1均衡充电模式下的充电实验及结果分析255.1.2 恒流慢脉冲模式下的充电实验及结果分析266 总结28致谢29参考文献30毕业设计（论文）知识产权声明31毕业设计（论文）独创性声明32附录A：系统硬件原理图33附录B：系统印制版图34摘要 电动汽车动力电池充电系统控制部分设计 摘要为了解决目前电动车配备的铅酸蓄电池使用寿命普遍短的问题，课题设

4、计了一种针对电动汽车铅酸动力电池，完成大功率充电系统设计，实现对快速充电过程的控制。在介绍了智能充电器的工作原理的基础上，设计以单片机NECuPD78F0881为核心，由控制电路、复位电路、蜂鸣报警器电路、CAN总线上位机通信电路、电压电流温度采集电路以及液晶显示插口设计电路构成硬件电路。在软件设计方面利用“循环+中断”实现对硬件的精确控制，使硬件更加快速、可靠。实验证明：该设计充电过程平稳、快速，能够达到快速补充性充电的目的，对于蓄电池的快速充电和延长其寿命有很大意义。关键词：铅酸蓄电池；恒流慢脉冲；均衡充电；中断abstract Control part design of Electri

5、c vehicle power battery charging system AbstractIn order to solve the present electric vehicle equipped with lead-acid battery s life is generally short,topic design a lead-acid batteries for electric vehicle power,to complete high-power charging system design and to realize the fast charging proces

6、s control.In the introduction of intelligent charger based on the working principle, design is based on SCM NECuPD78F0881 as the core,the control circuit and reset circuit, bees alarm circuit, CAN bus PC communication circuit, voltage current temperature acquisition circuit and liquid crystal displa

7、y interface circuit design constitute the hardware circuit. In software design,using circulation + interrupt to achieve precise control of the hardware, make the hardware more rapid, reliable. The experiment shows that the design charging process stable, fast, and can achieve the purpose of compleme

8、ntary fast charging .It is of great significance for quick charging and prolong the service life of the battery .Keywords: Lead-acid batteries;constant slow pulse; equalizing charge; breakI1 绪论1 绪论1.1课题研究背景及意义 自21世纪以来，随着世界经济的飞速发展，人们的生活水平也逐渐提高，随之而来的环境和能源问题也日益严重，所以可持续发展成为了世界人关注的焦点。随着新时代汽车工业的高速发展，我国的汽车

9、数量也在逐渐增加。在人们的日常生活，汽车虽然给交通带来了便利，但传统燃油汽车尾气的大量排放加剧了空气的污染；同时，不可再生燃油的大量消耗也使能源不断减少。因此，汽车工业的发展方向需要转变到以开发出新的环保和节能路径为主，以符合可持续发展的要求，而电动汽车则恰好符合这一要求。电动汽车与燃油汽车最大的不同，就是不存在燃油和汽车尾气排放的问题，所以针对电动汽车的研究与开发已经成为当今世界的热点。我国的电动汽车研究与开发始于上世纪九十年代，目前，我国许多科研机构、高等院校都增设了与电动汽车研发有关的机构和人员，并把电动汽车及相关零部件的研发列为重点课题，这为我国电动汽车产业的发展打下了良好的基础。目前

10、，国内外电动汽车主要有三类，一是以蓄电池为车载能源的纯电动汽车，二是燃油发动机与蓄电池并存的混合动力电动汽车，三是燃料电池电动汽车。同燃油汽车相比，电动汽车优点更加突出：第一，电动汽车是以动力蓄电池作为汽车的动力，因此能够保证能量的供给比较充足；第二，电动汽车以电能作为动力，可以保证能源利用具有较高的效率；第三，以电能作为动力，能够改善传统汽车的尾气污染排放问题。当然，电动汽车的发展也存在许多需要解决和完善的问题，包括动力电池及其高效的充电方法的研究。周所周知，动力电池是电动汽车的核心，但是目前许多动力蓄电池存在比能量低下、蓄电池一次充电速度较慢、电动汽车续驶里程较短等问题。同时，动力电池的高

11、效充电方法问题，也一直困扰着电动汽车的普及与应用1。在汽车工业迅猛增长、政策对再生能源产业的大力扶持、工业电子技术不断进步诸因素的带动下，我国铅蓄电池工业与国际先进水平的差距将逐渐缩小，未来将呈现高速增长的势头。而且随着我国铅蓄电池技术进步的加快，传统的铅蓄电池通过改造和改进，正朝着密封免维护等新型蓄电池方面发展。同时，凭借廉价优势，我国铅蓄电池出口也呈现快速增长的势头。因为我国的电动车用动力蓄电池大多为铅酸蓄电池，这主要是由于铅酸蓄电池具有技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点。当然，也有一些高性能电池，比如锂电池、燃料电池等。虽然近年来蓄电池自身的技术有了不小的

12、进步，但作为其能量再次补充的充电器的发展非常缓慢，传统的常规充电时间过长，快速充电技术至今仍未能完全解决，严重地制约着电动车的发展。面对上述情况，对电动汽车蓄电池的充电问题进行研究，开发合理的充电系统，将具有重要的意义和应用价值。01.2国内外研究现状铅酸蓄电池是1859年法国人普兰特发明的，是一种可循环再充电的化学电源，是目前世界上所有二次电池中使用最广泛、技术最成熟的电池，约占电池总用量的90%。因其成本价格低廉、具有良好的可逆性、容量大、使用安全及无污染等优点，具有广阔的发展前景。根据美国的统计数据，铅酸蓄电池行业产生的铅污染已远远小于航空工业、炼钢和锅炉加热、发电等行业。从而美国、日本

13、、德国等发达国家也对电动汽车技术高度重视，从汽车技术变革和产业升级的战略出发，积极促进本国电动汽车产业发展，以期提升本国汽车工业国际竞争力，铅酸蓄电池也成了发展的热门方向。国外对动力电池的充电技术研究由来已久，近年来取得了较好的科研成果。国外许多公司利用计算机控制、人工智能等先进技术，使得传统功能简单的充电器发展成功能齐全、易于控制的智能型充电设备，这种先进的智能充电设备能够实现对电压、电流、电池温度等参数的监测和显示；能够实现充电策略的定制，而且可以根据所用电池种类以及荷电状态的不同来选择和设定充电方式；同时，它具有更好的安全性，设有充电保护电路并具有安全报警的功能等。近年来，随着我国汽车、

14、交通、电信等基础产业的快速发展，我国铅蓄电池工业也进入高速增长期。据不完全统计，我国铅蓄电池制造企业已达到1500家左右，产量约占世界产量的1/3，并以年均约20的速度高速增长。随着我国铅蓄电池技术进步的加快，传统的铅蓄电池通过改造和改进，正朝着密封免维护等新型蓄电池方面发展。自铅酸蓄电池问世以来，由于各种技术条件的限制，所采用的充电方法均未能遵从电池内部的物理化学规律，使整个充电过程存在着严重的过充电和析气等现象，充电效率低。电动车用动力蓄电池与一般蓄电池还有所不同，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、加速或爬坡。一般来说，电动车用蓄电池多工作在深度充放电工作状态。

15、因此，对电动车用动力蓄电池的快速充电提出了不同于常规电池的要求，它必须具有充电时间短、对蓄电池使用寿命影响小以及充满电判断准确的特点。1.3课题研究的主要内容设计的主要内容是：针对电动汽车铅酸动力电池，完成大功率充电系统设计，实现充电控制。要求：实现变电流充电控制；实现充电电源各继电器闭合顺序控制、启动停机控制、输出设定、检测信号AD采集；液晶显示电压、电流、温度。 通过大量的查阅资料与研究，首先介绍了国内外关于电动汽车动力电池充电技术的研究现状，论述了电动汽车常用动力蓄电池的基本状况，介绍了铅酸蓄电池的一般结构、工作原理、充电特性、充电模式及控制方法，分析了常规充电法和快速充电法的优缺点，以

16、及各个模式的过程分析。同时对铅酸蓄电池的快速充电的控制技术进行了一定的研究，为了提高充电效率和延长蓄电池的寿命，提出了一种新型的智能化充电技术，以单片机为核心控制部件，通过外围检测电路实时检测充电蓄电池的电压、电流、温度状态，把采集到的信号传送给单片机，由单片机来确定一种蓄电池能接受的充电模式，采用常规充电和快速充电相结合的充电方法，尽可能的缩短蓄电池充电时间，防止温升过高引起的蓄电池极化现象，提高充电效率，从而有效地延长蓄电池的循环寿命。并且，重点对控制电路进行了设计。最终选用针对汽车车身控制系统和汽车仪表应用而开发的8位闪存(Flash)的单片机NECuPD78F0881，设计了充电系统的

17、充电控制回路，并对其电路构成、工作原理和工作流程做了详细的阐述。充电系统的研究，以安全性为前提，实现较高的充电效率，延长蓄电池组的循环使用寿命，实现了蓄电池充电的快速性和智能性，具有良好的可靠性。132 铅酸蓄电池特性分析2 铅酸蓄电池特性分析2.1铅酸蓄电池的基本结构铅酸蓄电池的基本结构2如图2.1所示：图2.1铅酸蓄电池基本结构 图2.1中 1-电池槽 2-负极板 3-正极板 4-隔板 5-鞍子 6-汇流排 7-封口胶 9-槽盖 9-连接条 10-极柱 11-排气栓a. 极板 极板是蓄电池的核心部分，极板分正极板和负极板，由栅架和活性物质组成。铅酸蓄电池的正极板一般采用铅钙镉合金、低锑合金

18、材料制成，负极板一般采用铅钙合金制成。铅酸蓄电池的充放电过程就是靠正、负极板上的活性物质和电解液之间的电化学反应来实现的。正极板为二氧化铅（PbO2 ）,呈棕红色；负极板为海绵状纯铅（Pb），呈青灰色。b. 隔板 为了增大铅酸蓄电池的容量，蓄电池的正、负极均采用多片极板组成为极板组放在电池槽内。隔板插放在正、负极板之间，防止正、负极板互相接触造成短路。隔板耐酸、具有多孔性，以利于电解液的渗透。常用的隔板材料有木质、微孔橡胶和微孔塑料等。微孔塑料隔板孔径小、孔率高、成本低，因此被广泛采用。 c. 电池槽（壳体） 壳体用于盛放电解液和极板组，应该耐酸、耐热、耐震。壳体多采用硬橡胶或聚丙烯塑料制成，

19、为整体式结构，底部有凸起的肋条以搁置极板组。壳内由间壁分成3个或6个互不相通的单格，各单格之间用铅质联条串联起来。d. 电解液 电解液在蓄电池的化学反应中，起到离子间导电的作用，并参与蓄电池的化学反应。电解液由纯硫酸（H2SO4）与蒸馏水按一定比例配制而成，其密度一般为1.241.31g/cm3。电解液的纯度对蓄电池的电气性能和使用寿命有重要影响，一般工业用硫酸和普通水中，含有铁、铜等有害杂质，绝对不能加入到蓄电池中，否则自行放电，损坏极板。2.2铅酸蓄电池的充放电原理2.2.1铅蓄电池的放电当铅蓄电池的正、负极板浸入电解液中时，在正、负极板间就会产生约2.1V的静止电动势，此时若接入负载，在

20、电动势的作用下，电流就会从蓄电池的正极经外电路流向蓄电池的负极，这一过程称为放电，蓄电池的放电过程是化学能转变为电能的过程。放电时，正极板上的PbO2和负极板上的Pb，都与电解液中的H2SO4反应生成硫酸铅（PbSO4），沉附在正、负极板上。电解液中H2SO4不断减少，密度下降。理论上，放电过程可以进行到极板上的活性物质被耗尽为止，但由于生成的PbSO4沉附于极板表面，阻碍电解液向活性物质内层渗透，使得内层活性物质因缺少电解液而不能参加反应，因此在使用中被称为放完电蓄电池的活性物质利用率只有2030。因此，采用薄型极板，增加极板的多孔性，可以提高活性物质的利用率，增大蓄电池的容量。2.2.2铅

21、蓄电池的充电 充电时，蓄电池的正、负极分别与直流电源的正、负极相连，当充电电源的端电压高于蓄电池的电动势时，在电场的作用下，电流从蓄电池的正极流入，负极流出，这一过程称为充电。蓄电池充电过程是电能转换为化学能的过程。充电时，正、负极板上的PbSO4还原成PbO2和Pb，电解液中的H2SO4增多，密度上升。当充电接近终了时，PbSO4已基本还原成PbO2和Pb，这时，过剩的充电电流将电解水，使正极板附近产生O2从电解液中逸出，负极板附近产生H2从电解液中逸出,电解液液面高度降低。因此，铅蓄电池需要定期补充蒸馏水。铅酸蓄电池的正常充放电化学方程式如式(2.1)所示，这是理想化的原理方程式。 （2.

22、1）2.3蓄电池容量 蓄电池容量指在一定的放电条件下，可以从电池中获得的电量,用Wh或Ah表示。Wh容量表示电池做功的能力，Ah容量指电池输出的电量。显然，铅酸蓄电池的容量愈大，该电池能输出的电量就愈多，做功的能力就愈强。 电池的容量可以分为三种：一种是理论容量，它是依据活性物质的量按法拉第定律计算求得的；理论容量是假设极板上的活性物质全部用于放电时的电量，这实际上是不可能的；第二种容量是实际容量，由于不可能全部的活性物质都参加反应，所以在一定条件下实际放出的电量，总是低于理论容量。第三种容量是在设计电池时，在规定放电条件下应该放出的最低限度的电量。实际容量与理论容量之比叫做活性物质的利用率。

23、但在实际使用过程中，铅酸蓄电池的实际容量总是小于其理论容量。因为当铅酸蓄电池内部的活性物质数量一定时，蓄电池的实际容量就由其内部的活性物质利用率来决定，由于铅酸蓄电池的内部原因，活性物质不可能全部利用，所以应用中蓄电池的实际容量总是低于理论容量的。在经过多次的充、放电循环后，铅酸蓄电池的实际容量就会不断的下降，一般情况下，将使铅酸蓄电池的实际容量下降到额定容量的 70%时的充、放电次数，就称为蓄电池的使用寿命2。2.4铅酸蓄电池的充放电特性2.4.1铅酸电池的充电特性电池在充电过程中其充电可接受电流如图2.2所示，具有指数规律下降的可接受电流特性。当充电电流大于充电可接受电流时，即处在1区域时

24、则会导致部分电流消耗于电离电解液中的水，使电池电解液产生析气反应；当充电电流在可接受电流曲线以下时，即处在2区域时，不产生析气，此时充入的电量几乎都转变为电池的化学能量。在1区域时，充电电流越大，电解水反应就越剧烈，并使电池内部的压力增大、温升加速，使得电池的充电效率下降，且很容易损害电池影响电池的使用寿命。通过试验证明，铅酸电池也具有按指数规律下降的可接受电流特性。充电过程中，如果能使实际的充电电流始终靠近可接受充电电流曲线，就可使充电所需的时间缩短。固有充电特性曲线是蓄电池在充电过程中是否发生极化的分界线，充电电流的值一旦超过它，极化现象就会严重起来，就会使蓄电池产生析气和升温现象。常规充

25、电时由于充电电流很小，所以基本上不会产生极化，也就不会产生析气和温升现象，它的缺点是充电时间过长。如果严格按照固有特性曲线充电，就可以在不产生析气和温升的情况下大大缩短充电时间。 所以，在对电动汽车电池进行智能充电时，以“蓄电池充电可接受电流定律”为理论依据，保证实际充电曲线近似逼近铅酸电池的固有充电特性曲线3。 图2.2 铅酸电池理想充电曲线 2.4.2 铅酸电池的放电特性 放电时，若一开始就采用大电流对蓄电池放电，则在放电开始后不久，电压就会有明显的下降，蓄电池放电曲线的平缓部分就变得很短，其斜率就会比较大。如图2.3所示。这是由于在蓄电池放电过程中电解液的硫酸浓度已经很低，电解液扩散到极

26、板的速度不及放电的速度，在电解质不足的情况下，极板的电动势急剧降低，造成电池端电压的下降，至此应停止放电，否则会造成电池的过度放电。过放电会致使电池内部大量的硫酸铅被吸附到蓄电池的阴极表面，造成电池阴极“硫酸盐化”，由于硫酸铅是一种绝缘体，它的形成必将对蓄电池的充、放电性能产生很大的负面影响，因此在阴极上形成的硫酸盐越多，蓄电池的内阻也越大，电池的充、放电性能就越差，从而使蓄电池的寿命缩短。 图2.3铅酸电池的放电特性曲线 2.5主要影响电池快速充电的因素 电池端电压反映了电池电极的偏振度，而且端电压在充电和放电过程会增加。有几个因素会影响电池的充电特性，它们如下：2.5.1电池的欧姆极化在充

27、电过程中，离子迁移不可避免地遇到一定的阻力，外加电压就必须额外的施加一定的电压以克服这种阻力，这种现象就称为欧姆极化。因为端电压增加，产生热量，这时充电电流平方成正比的也增加。很明显，充电电流越大，电池温度上升的越快，析出的气体越多，结果，电池的容量和循环寿命降低了。2.5.2电池浓度极化在电池充电期间，电化学反应主要发生电池电极和电池的电解液的接口。在外电场作用下，正电极的氢离子移动到负电极，与此同时负电极的硫酸根负离子移动到正电极，因为移动速度比电化学反应慢，电极周围的电解质密度发生在差异，这种现象称为浓度极化。充电电流越大，电化学反应越快，密度差异越大，因此充电电流的效率降低。2.5.3

28、电池的极化充电过程中，正电极的活性物质与电解液反应，阳极的金属铅失电子并成为铅粒子，阴极的铅离子得到两个电子变成金属铅。由于化学反应速度比电子的运动慢得多，阳极的电子在逐渐减少，而在负极逐渐增加，结果，发生电池极化，充电电流封锁。极化问题是阻碍充电的重要因素，会导致铅酸蓄电池在充电时初始电流受到一定的限制，同时初始电流的维持时间会变短并会出现一定速率的衰减。如果浓差极化和电化学极化不消除，当充电达到一定程度时，蓄电池的端电压就会迅速增长，这样即使坚持充电也只会产生析气和发热，而实际充进蓄电池的电量却寥寥无几。2.6充电方法 蓄电池充电方法可以分为常规的充电方法和快速充电方法。常规的蓄电池充电方

29、法主要有恒流充电、恒压充电、分阶段充电三种，许多其他的方法都是在这三种基本方法的基础上衍生而来。而快速充电方法目前常用的主要有脉冲充电、变电流间歇充电、变电压间歇充电方法等。2.6.1恒流充电法 恒流充电法指采用恒定的充电电流对蓄电池进行充电的充电方法4，该充电电流在充电过程中不随时间变化，保持恒定。恒流充电曲线如图2.4所示。图2.4恒流充电曲线恒流充电法方法操作简单，易于实现，不管是从直流发电机还是硅整流装置中，都可以得到实现。通过蓄电池的充电电流I决定于蓄电池的电动势E、内阻r 和充电电路输出电压U之间的关系，如式(2.2) (2.2) 但是恒流充电法在应用的过程中也显示出其不足之处。随

30、着蓄电池充电的进行，根据蓄电池的充放电特性，蓄电池的电动势E是上升的，如果充电电路的输出电压不变，则充电电流将会下降。但如果要保持充电电流恒定不变，要么在充电过程中提高充电电路的输出电压，要么减小与蓄电池串联的电阻阻值。并且在充电过程中，恒流充电电流的大小也是需要考虑的问题。若充电电流选小了，会使蓄电池的充电时间延长；充电电流若选大了，根据图2-2铅酸蓄电池的最佳充电接受曲线可知，蓄电池可接受的充电电流是随着充电的进行而逐渐降低，若一直采用恒定的大电流充电，这样在蓄电池充电的末期充入的电量大多就会用于电解水，产生气体。由此可见，恒流充电法是很难适应蓄电池常规充电的全过程的。2.6.2恒压充电法

31、恒压充电法是指蓄电池充电电路的输出电压在整个充电过程中都保持一定数值不变的充电方法。这种充电方法最初是针对单体电池进行的，后来扩展到电池组。对于完全放电的蓄电池，在恒压充电初期，蓄电池的充电电流会很大，远远超过正常恒流充电电流值。在充电过程中，随着蓄电池电动势的上升，充电电流会自动慢慢减小。因此，在采用恒压充电时，充电过程中就不用再采取调整充电电流的措施。相对于恒流充电法，恒压充电法在充电过程中产生的气体就会少，能量的耗费会比恒流充电法低。恒压充电曲线如图2.5所示。 图2.5 恒压充电曲线 比较图2.4和图2.5还可以看出，和恒流充电法的充电电流比较，恒压充电法的充电电流曲线更接近于蓄电池的

32、最佳接受充电电流曲线，并且在蓄电池充电过程中电解的水量少，可以有效避免蓄电池过充现象。如果充电电压选择适当，就可以在短时间内完成对蓄电池的充电。但是和恒流充电法一样，恒压充电法也有其自身的缺陷。由于铅酸蓄电池的内阻很小，在恒压充电过程中，充电电路输出电压的微小波动，就会引起蓄电池充电电流的很大波动，瞬间的大电流不仅会对蓄电池的寿命造成很大的影响，而且还会使蓄电池的内部极板变形。因此，恒压充电一般应用在电池组电压较低的场合。例如，汽车等车辆上的发电机对蓄电池的充电就是一种采用了恒压和限流措施的恒压充电。2.6.3分阶段充电方法常用的分阶段充电方法有二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段法采用恒电流和

33、恒电压相结合的快速充电方法，如图2.6所示。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。三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电，如图2.7所示。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。 图2.6 二阶段法曲线 图2.7三阶段法曲线2.6.4脉冲充电法脉冲充电法是一种新型的充电模式，也是目前应用最广泛的快速充电技术。是指在充电过程中，采用脉冲电流对蓄电池进行充电，中间会有短暂的停充，可以有效地去除极化现象。如图2.8所示。由

34、图2.8可以看出，在充电过程中有短暂的间隙脉冲放电，这样既可以保证不产生大量的气体，又不会使蓄电池内部电解液的温升过高，保证蓄电池按照可接受的充电接受率进行充电，大大缩短了充电时间。脉冲充电技术不仅可以按照铅酸蓄电池固有的充电接受率对蓄电池进行充电，而且还能在原有的充电接受率基础上提高蓄电池充电接受率，从而提高了蓄电池的充电效率。 图2.8 脉冲充电曲线 2.6.5变电流间歇充电法变电流间歇充电法是在恒流充电和脉冲充电基础上建立起来的，也是恒流充电和脉冲充电的结合。充电曲线如图2.9所示。在对铅酸蓄电池进行充电的初期，若采用变电流间歇充电，可以实现用大电流对铅酸蓄电池进行充电，这样使蓄电池可以

35、在较短的时间内充入较多的电量。对铅酸蓄电池充电的后期，若采用一定的电压值对铅酸蓄电池进行充电，可以将蓄电池的电量恢复至放电前的满充状态。在充电过程中通过间歇的停充，可以使蓄电池内部的活性物质重新进行化学反应，使极化现象得以消除，并能使蓄电池内部的温度降下来，使充电过程更顺利的进行，从而可以有效提高蓄电池的充电效率。 图2.9变电流间歇充电法曲线2.6.6变电压间歇充电方法在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法，如图2.10。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。这种方法更加符合最佳充电的充电曲线。在每个恒电压充电阶段，由于是恒压充电，充电电流自然

36、按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。 图2.10变电压间歇充电法曲线2.7控制方法对蓄电池来讲，选择适当的充电模式对蓄电池的寿命和使用性能起到至关重要的作用，但充电过程中的控制方法则直接决定着充电效果的好坏，因此，充电过程中的控制方法对蓄电池的充电有着非常重要的作用，也决定着蓄电池的寿命和性能。常用的充电控制方法有以下几种2：2.7.1电流控制法 对于遵循最佳充电曲线的快速充电模式来讲，电流控制法是最佳的充电控制方法。它可以通过气体检测元件对蓄电池析出气体的速率进行检测，当蓄电池内部产生的气体达到一定的值时，气体检测元件参数变化，对充电线路发出控制信号，进而对充

37、电电流实施控制。但是由于遵循最佳充电曲线是非常困难的，将会使充电线路非常复杂，设备的体积也很庞大，并且在充电初期，充电电流很大，设备容量也必须很大，造成充电后期设备利用率很低，在实际应用中，多数都设计成近似最佳充电曲线的充电模式。 2.7.2电压控制法 电压控制法是利用在充电过程中检测到的蓄电池的最高电压，控制充电电压的方法。一般情况下，蓄电池电压达到最大值时，电池就充满电。在充电过程中，当电压达到规定值时，应立即停止快速充电。但是电池充足电的最高电压会随着外部环境的变化而变化，并且组成电池组的单体电池的最高点电压也不一致，因此采用电压控制法的准确性不高。2.7.3温度控制法 温度控制法是利用

38、温度传感器检测充电过程中蓄电池电解液的温度实施控制的一种方法。铅酸蓄电池在充电过程中产生的热量与充电电流有关，随着充电的进行，蓄电池的电解液温度会逐渐升高。当蓄电池温度超过 45时，应考虑停止充电。通常采用热敏电阻传感器对蓄电池的温度进行检测，但是由于热敏电阻在使用过程中有一定的响应时间，检测到的蓄电池温度就带有一定的迟滞性，这会造成蓄电池充电控制过程的响应时间延后，会使得整个蓄电池充电时间就会相应的延长。且热敏电阻与温度之间的非线性关系，也会使检测到的温度有一定的误差。因此用温度传感器检测温度时，不能十分准确的检测到蓄电池充满电的时刻，易造成蓄电池过充。以上所述的各种控制方法，都有各自的缺陷

39、，要想保证在任何情况下，都能准确的控制电池的充电状态，就需要一种综合的控制方法。3 充电系统控制部分硬件设计3 充电系统控制部分硬件设计3.1硬件框图设计 综合上述各种充电模式，针对牵引用铅酸蓄电池的特点，本文提出一种新型的智能化充电技术。以单片机为核心控制部件，通过外围检测电路实时检测充电蓄电池的电压、电流、温度状态，把采集到的信号传送给单片机，由单片机来确定一种蓄电池能接受的充电模式，采用常规充电和快速充电相结合的充电方法，尽可能的缩短蓄电池充电时间，防止温升过高引起的蓄电池极化现象，提高充电效率，从而有效地延长蓄电池的循环寿命。系统框图如图3.1。图3.1系统框图3.2各部分硬件电路设计

40、3.2.1控制电路设计 充电控制电路采用NEC78F0881单片机如图3.2所示。它是NEC 公司推出一种高性能价格比8 位单片机，其基本特性如下：1.85.5V 的宽工作电压范围；最低1A 的工作电流（停止模式下）；内置上电清零（POC）电路、低电压检测器（LVI）和看门狗定时器，合理使用这些功能可有效提高系统可靠性；内置CAN 总线控制器，简化了CAN 总线的电路设计同时降低了成本；2 通道串行接口、8 路外部中断、2 个16 位定时/计数器、4 个8 位定时/计数器；32 KB程序存储器和1K B数据存储器。该单片机具有指令少、速度快、体积小、输入输出直接驱动能力强等特点。49单片机在充

41、电程序控制下对蓄电池的端电压、充电电流、温度等信号进行采集分析后,根据预先设定的充电曲线，控制模拟开关选通电压或电流信号反馈到半桥控制器的反相输入端，在与SG3525同相输入端设定的基准电压，误差放大后控制产生半桥驱动信号，光耦隔离并经驱动电路后驱动半桥，实现闭环稳压或恒流控制。充电器在充电过程中实时检测充电参数，电阻分压检测充电电压，霍尔电流传感器检测充电电流，热敏电阻检测充电器散热片温度。通过单片机自带的ADC端口检测后，实时送到液晶显示充电信息。同时单片机通过CAN总线接口将充电信息传至上位机汽车仪表。具体电路图见附录所示。图3.2NEC78F0881单片机管脚图3.2.2复位电路的设计

42、本设计采用手动复位和看门狗复位相结合的复位电路，其中复位芯片选用看门狗系列芯片X5043，它能够在异常状态下实现系统的自动复位。该芯片把四种常用的功能：电源上电复位、看门狗定时器、电压监视和E2PROM组合在单个封装之内，这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求，看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统。该芯片与控制器的硬件电路连接如下图所示。考虑到控制器的串行口需要用来与外部进行数据通信，所以对该复位芯片的电路连接选用单片机的并行I/O口模拟串行口，这种接法更具有通用性，选用NEC78f0881的P61、P62分别与X5043的SI、SO相连用于数据的写入或者读出，单片机的P60与

43、SCK相连，可编程模拟时钟信号。P33与/CS相连，用于片选。电路图如图3.3。图3.3复位电路3.2.3蜂鸣报警电路的设计当电池充满时报警电路接通实现自动报警，具体设计电路如图3.4。因为单片机的I/O口驱动能力不够让蜂鸣器发出声音，所以，通过三极管放大驱动电流，从而让蜂鸣器发出声音。 图3.4报警电路3.2.4 CAN总线上位机通信CAN总线通信收发采用 PCA82C250芯片作为与总线之间的接口。PCA82C50 是CAN 协议控制器和物理总线间的接口，它主要是为汽车中高速通讯（高达1Mbps）应用而设计，而且此器件对总线提供差动发送能力，对CAN 控制器提供差动接收能力。管脚Rs接至地

44、的电阻控制斜率，选择斜率控制模。斜率正比于管脚8的电流输出，因为此通信具有较短总线长度。CANH、CANL引脚各自通过一个电阻与CAN总线相连，电阻可以起到一定的限流作用，保护PCA82C250免受过流的冲击。CANH、CANL 两条线也可以防止在汽车环境下可能发生的电气瞬变现象。TxD和RxD分别接单片机的PIN 19/CTxD和PIN 120CRxD进行通信数据传输。具体电路图如图3.5。图3.5 CAN总线上位机通信电路3.2.5状态指示灯设计选择某种充电模式时，对应的状态指示灯发光。具体电路图如图3.6。采用三极管作为发光二级管的放大驱动。图3.6 状态指示灯设计3.2.6电压电流采集

45、电路设计该部分的主要任务是实时采集蓄电池两端的电压和充电电流值，然后分别送入单片机和SG3525进行分析和处理，以得到相应的控制信号，控制主电路MOS管的通断，从而改变充电电流、电压的大小，如图3.7所示。该部分电路采用CD4051芯片。CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。INH”是禁止端，当 “INH”=1时，各通道均不接通。A0A2 是地址端；I0/O0I7/O7 是输入输出端；O/I 是公共输出/输入端；VDD 是正电源；VEE 是模拟信号地；Vss 是数字信号地。直流电压采样电路的工作原理是输出电压BAT+经过分压电阻分压，在CD405

46、1的模拟信号输入通道0和通道3分别相应的送入1.25V的反馈电压，根据单片机输入的选通信号决定输出电压为恒压84.5V还是浮压81V。被选通的反馈信号经过低通滤波同时送到硬件控制回路和单片机的AD引脚，为控制算法的分析、处理、实时保护显示等功能提供依据。直流充电电流是通过霍尔电流传感器采集的。选用原副边线圈比率为100A/50mA的霍尔电流传感器，其副边输出电流经过串联电阻网络分别在CD4051模拟输入的通道1、通道2、通道4、通道5、通道6、通道8上输入1.25V的反馈电压，根据单片机的选通通道的不同，输出对应通道上的反馈信号，同时将其送到单片机对应的AD采样口和硬件控制回路上。其不同的通道

47、选通对应着不同大小的电压、电流值，通过单片机控制器实现慢脉冲充电或者均衡充电。3.2.7 温度采集电路设计该部分采用热敏电阻RT MF58503-40分别检测充电器散热片和电池温度。选取该热敏电阻是因为它的主要特点：a. 为轴向引线玻璃封装型b. 稳定性好，可靠性高c. 阻值范围宽：1K 1000K ，阻值及B值精度高d. 由于采购用玻璃封装,可在高温和高温等恶劣环境下使用e. 体积小,结构坚固,便于自动化安装f. 使用温度范围-40 300h:额定功率: 50mWg. 热感应快，灵敏度高等热敏电阻将采集到的温度信息送到单片机的AD采样口P87/ANI7，由单片机实现模拟量到数字量的转换。温度

48、采集电路图如图3.8。图3.7电压电流采集电路图3.8温度采集电路3.2.8液晶显示插口设计液晶显示部分设计了一个插口，实际操作时直接将12864芯片插在上面，实现液晶显示。1管脚VSS接电源地；2管脚VCC接电源正；3管脚接可变电阻，用于对比度（亮度）调整；4管脚为RS(CS），RS=“H”,表示DB7DB0 为显示数据。RS=“L”,表示DB7DB0 为显示指令数据；5管脚为R/W(SID)，R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7DB0。R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0 的数据被写到IR 或DR。6管脚为E(SCLK)，接使能信号。7管脚到14管脚为数据线。15管脚为PS

49、B，当接高电平时，为8 位或4 位并口方式。当接低电平时，为串口方式；16管脚为NC，空脚；17管脚/RESET复位端，低电平有效；18管脚为VOUT，LCD驱动电压输出端；19管脚VDD，背光源正端+5V；20管脚VSS，背光源负端。如图3.9。图3.9液晶显示插口设计4 软件流程设计4 软件流程设计该智能充电器的软件控制是充电电源的灵魂，它担负着充电电源各继电器闭合顺序控制、启动停机控制、输出设定、检测信号AD采集、显示LCD等多项任务。最终我们确定的程序采用模块化结构。首先有一个主程序main.c，主程序通过宏定义include把多个子程序包含，子程序包括恒流慢脉冲快速充电子程序、均衡充

50、电子程序、液晶显示子程序、数字滤波子程序、中断服务子程序等。4.1主流程图图4.1是该智能快速充电器的软件系统流程图。本系统采用模块化的程序设计方法，整个控制过程采用“循环+中断”的程序结构，首先开机后进行系统初始化，同时允许ADC数据采集中断、系统通信网络中断、功率驱动保护等中断，一旦满足某一中断触发条件，即执行相应的子程序功能，从而保证了控制的实时性和准确性。最后通过采集电池的端电压，温度等参数，与预先设定的参数进行比较，判断充电是否结束，然后执行进入下一次循环还是切断主电路。充电结束切断主回路去极化子程序充电系统保护子程序驱动功率保护中断服务子程序通信定时器中断服务子程序实时数据采集中断

51、服务子程序充电子程序系统初始化开中断实时采集时钟中断通信定时器中断功率驱动保护中断充电器电源是否正常工作电池是否去极化充电是否结束图4.1主流程图4.2恒流慢脉冲程序设计 如图4.2所示，为恒流慢脉冲快速充电法的程序流程图。进入慢脉冲快速充电子程序后，首先是对蓄电池两端的电压、电流、温度等信息进行采样，判断电池是否在正常状态。如出现异常情况则跳转异常处理子程序进行相应的处理。如果系统的各项指标都在正常范围内，则进入下一步，通过计算当前电池电量，判断电池进入哪一阶段的慢脉冲充电阶段.4.3均衡充电子程序设计如图4.3所示，在均衡充电的过程中，将充电过程分为几个恒压限流的阶段，在每个阶段内，采用恒

52、流充电方式，到达相应的电池电压门限时，转入下一级的小电流恒压限流，如此循环，直至充到电池电量的95%，此后转入浮压充电，最后结束充电。在整个过程中，需要实时监测电池的连接情况及电量情况是否正常，若有异常，立即断开充电，转入相应开始U、I、T采样数字滤波返回浮压充电阶段恒压充电阶段恒流限压阶段1恒流限压阶段2电池异常处理N电池正常否?Y设定充电时间设定脉冲时间设定给定电流开始U、I、T采样数字滤波电池正常否？电池异常处理返回的异常情况处理子程序。 图4.2 恒流慢脉冲流程图 图4.3 均衡充电流程图 4.4数字滤波子程序流程图数字滤波采用平均值滤波法，也就是采用连续多次采样后求平均值的办法予以滤

53、除。如图4.4：在第n次采样时刻连续采样N次，可以得到c1（k），c2（k），cN（k），然后利用程序剔除其中的最大值和最小值，对剩余的k2次采样值求平均值c（k），把这个平均值作为第n次采样时刻的偏差信号，代入前面的式(2.4)进行计算，这样就能最大程度地消除这类快速随机干扰对控制器输出的影响。 本设计预计采样十一个值，所以N=11。 开始采样C1、C2.CN求Cmin=minC1、C2.CN Cmax=maxC1、C2.CN结束计算Ck=C1+C2+.CN-Cmin-Cmax/(N-2) 图4.4 数字滤波子程序流程图4.5 液晶显示程序流程图如图4.5，程序初始化后，先设定显示地址，然后

54、调用显示程序。再通过延时，等待前一个指令确定执行完成。延时返回显示完否？调用显示程序设置显示地址初始化开始显示数据送缓冲区N图4.5 液晶显示程序流程图4.6 中断服务子程序流程图中断开始后，首先输出电压采样和电流采样，检测电路检测充电属于过压充电还是过流充电，如果出现了过压或过流充电的现象，那么系统进入故障处理程序，充电过程未过压和过流，那么判断是选择恒流慢脉冲充电方法还是均衡充电方法。随后通过单片机控制调节调整PWM的占空比，中断处理结束。如图4.6。故障处理子程序返回单片机控制，通过硬件PI调节PWM占空比均衡充电子程序恒流慢脉冲子程序读取有效置位开始输出电压采样输出电流采样是否过压过流

55、？YN 图4.6 中断服务子程序流程图5 系统调试及结果分析5 系统调试及结果分析5.1充电器对铅酸电池的充电实验为了验证该智能快速充电器对由6节120AH铅酸电池组成的固定负载的充电时间、充电电量等状态，我们对该铅酸电池组做了均衡充电模式下和慢脉冲快速充电模式下的充电实验。5.1.1均衡充电模式下的充电实验及结果分析对车载的铅酸电池组进行均衡充电实验。根据该特定型号的铅酸蓄电池的使用手册可以确定，该电池初始恒流充电电流为48A，该电流是电池充电时能接受的最大充电电流。恒流充电的截止电压是84.6V，在84.6V以下不会产生吸气反应，充电效率比较高。其浮压充电电压是81V。因此，设计均衡充电的

56、程序时，第一阶段的恒流充电电流为32A，截止电压为84V；第二阶段的恒流充电电流为24A，截止电压为84V；第三阶段的恒流充电电流为12A，截止电压为84.6V，此后转入恒压充电阶段，当充电电流减小为5A时，自动转入浮压充电阶段，浮压充电电压选取为81.6V。测得的实验数据如表5.1所示。表5.1 均衡充电模式下的试验结果充电时间(min)电池端电压(V)充电电流(A)充入电量(Ah)电池温度(C)064.432021.32076321122.74084322323.58078244525.811082245429.524080129932.028084.61210234.932084.612

57、510836.735081.6511038.5均衡充电试验结果表明：消耗电量Q1=（3280+16024+8012+530）/60=125Ah，实际充电量Q2=110Ah，充电效率为88%，温升为17.2C.且在整个的均衡充电过程中，充电电源的变换效率曲线如图5.1所示。图5.1 均衡充电时的效率曲线5.1.2 恒流慢脉冲模式下的充电实验及结果分析为了研究恒流慢脉冲充电充电模式下该铅酸蓄电池组的充电状况，进行了恒流慢脉冲的充电实验，该充电模式下主要是验证充电器的快速充电功能，能否在2.5小时内充电量70%，达到快速补充性充电的目的；同时在4小时达到电池容量额定值的90%以上。在恒流慢脉冲充电模

58、式下的实验数据如表5.2所示。表5.2 恒流慢脉冲充电模式下的试验结果充电时间(min)电池端电压(V)充电电流(A)充入电量(Ah)电池温度(C)064.4V42A恒流慢脉冲020.93072V42A恒流慢脉冲1723.16078.6V42A恒流慢脉冲3523.89082.5V42A恒流慢脉冲4925.412084.6V42A恒流慢脉冲7429.615084.6V恒压慢脉冲42389033.518084.6V恒压慢脉冲34329836.720084.6V恒压慢脉冲342010438.124084.6V恒压慢脉冲241211439.4注：以上的慢脉冲均指大电流充3分钟，5A的小电流充半分钟交替

59、出现。恒流慢脉冲充电实验结果表明：在2.5小时内电池电量为90Ah，达到电池额定容量的75%，同时在四小时内电池电量为电池额定容量的95%，在该实验的整个充电过程中，充电效率为85%左右，温升为18.5C。在整个的慢脉冲充电的过程中，充电电源的变换效率曲线如图5.2所示。图5.2 恒流慢脉冲时的效率曲线6 总结6 总结经过将近四个月的时间，我在老师的指导下终于完成了电动汽车动力电池充电系统控制部分设计设计。从最初的领取毕业设计任务书到查询相关的资料，再到学习NEC78F0881单片机及其他芯片用法的基础上，提出了一种新型的智能化充电技术。以单片机为核心控制部件，通过外围检测电路实时检测充电蓄电池的电压、电流、温度状态，把采集到的信号传送给单片机，由单片机来确定一种蓄电池能接受的充电模式，采用常规充电和快速充电相结合的充电方法，尽可能的缩短蓄电池充电时间，防止温升过高引起的蓄电池极化现象，提高充电效率，从而有效地延长蓄电池的循环寿命。在整个课题中，我主要负责系统的控制部分的设计，现在也比较顺利的完成了任务。毕业设计是对我们大学四年期间所学的知识的综合运用的全面检测，同时也是我们搜集资料及学习新知识能力的一种考察。本设计课题为电动汽车动力电池充电系统控制部分设计，设计中涉及到单片机，微机控制，自动控制等许多方面