电动车智能充电器

　　一、项目背景
　　
　　近年来随着城镇规模的扩大、城市人口的增多，交通越来越拥挤，燃油机动车所排放的尾气已经成为大气污染的主要原因之一。而电动自行车因其轻巧、安全、省力并有益于环保等优点。逐渐成为人们理想的代步工具。
　　我上中学后，学校离家里比较远。爸爸为我买了新电动车，可新电动车电瓶使用不到一年，电池容量迅速下降，找商家维修，商家检查后说是我充电不当。我原来以为充电时间越长，充电就越多，于是每天车子不用的时候都在车库里插上电源充电，没有想到因过度充电，损害了电瓶。我就想如何才能改进自己的充电器，让电瓶在充满电之后自动停止充电。在上网查阅了大量相关资料之后，我逐渐意识到其实与电池充电相关的知识、因素还很多，目前我国电动车普遍使用的充电器都存在这样那样的缺陷和不足。后来在老师和有关专家的指导下，我对电动车的充电原理有了进一步的了解，并设想出加入环境温度探头和单片机，使充电过程智能化，达到延长蓄电池的使用寿命的方案。
　　
　　二、项目的研究过程
　　
　　1.基本原理介绍
　　目前电动自行车所用的铅酸蓄电池是世界上广泛使用的一种化学电源。该产品由于具有良好的可逆性，电压特性平稳，使用寿命长，适用范围广，原材料丰富及造价低廉等优点而得到了广泛的使用。但是由于普通充电器的充电方法不合理，使蓄电池寿命大大缩短。现在很多普通的蓄电池使用寿命只有3～5年，远远低于设计指标10～15年的要求。研究发现：电池充电过程对电池寿命影响较大，也就是说，绝大多数的电池不是用坏的，而是充坏的。由此可见。一个性能良好的充电器对电池的使用寿命具有举足轻重的作用，它不仅可以延长蓄电池的使用寿命，节约有限的资源，同时也能够降低电动自行车用户的经济投入。
　　据我调查，目前常用的铅酸蓄电池充电器主要采用的是下面两种充电方式：浮充(又称恒压充电)和循环充电。但这两种方法皆有一些不足之处：在充电过程中，电池的电压逐渐提高，充电电流逐渐下降，而恒压充电的方式不管电池电压的实际状态，充电电压总是恒定的，这样容易导致电池损坏。循环充电采用较小的电流充电，充电效果较好。但对于大容量的蓄电池，充电时间会拖得很长，时效低，造成诸多不便。
　　我国几乎所有地区的电动车都普遍使用无温度补偿的充电器，这种充电器会对电池造成损害。夏季过充，冬季欠充，而过充和欠充都容易造成电池失水和硫酸盐化。电池失水后，硫酸浓度提高，加剧了板极腐蚀，就更容易产生硫酸盐化，而硫酸盐化的电池则更容易失水，这是一种连锁反应。
　　对于目前国内的充电器均不能提高电池的充电效率，而且缺乏温度补偿的现实，本产品所设计的智能充电器，以三段式充电理论为基础，有恒流限压、恒压限流、浮充三阶段。同时利用温度传感器将采集到的信号送给A／D转换器。A／D转换器再将模拟信号转换成数字信号后送单片机进行处理，最后确定所在的温度挡，通过多路模拟开关实现温度补偿，大大提高电池的充电效率，缩短充电时间，并能有效延长电池的寿命。
　　(1)铅酸蓄电池的性能介绍
　　本项目的研究对象阀控式铅酸蓄电池的电化学反应。其原理为：充电时将电能转化为化学能在电池内储存起来。放电时将化学能转化为电能供给外系统。其充电和放电过程是通过电化学反应完成的，电化学反应式如下：
　　
　　(2)铅酸蓄电池的三段式充电过程介绍
　　铅酸蓄电池的三段式充电采用先恒流充电，再恒压充电。最后采用浮充进行维护充电。一般分为快速充电、补足充电、涓流充电三个阶段。
　　快速充电阶段(恒流限压阶段)：用大电流对电池进行充电以迅速恢复电池电能，充电速率可以达1C以上，此时充电电压较低，会随着时间而逐渐上升，但会限制充电电流在一定数值范围之内。以恒定的电流进行快速充电。
　　补足充电阶段(恒压限流阶段)：相对于快速充电阶段。补足充电阶段又可以称为慢速充电阶段。当快速充电阶段终止时，电池并未完全充足。还需加入补足充电过程，补足充电速率一般不超过0.3C，因为电池电压经过快速充电阶段后有所升高。所以补足充电阶段的充电电压也应该有所提升，并且恒定在一定范围之内。
　　涓流充电阶段(浮充阶段)：在补足充电阶段后期。当检测到温度上升超过极限值或充电电流减小到一定值之后，开始用更小的电流进行充电直至满足一定的条件后结束充电。浮充电压下，充入的电流应能补充电池因自放电而失去的能量。浮充电压不能过高，以免因严重的过充电而缩短电池寿命。采用适当的浮充电压，密封铅酸蓄电池的寿命可达10年以上。实践证明，实际的浮充电压与规定的浮充电压相差5％时，免维护蓄电池的寿命将缩短一半。
　　以我国电动车采用较多的36V12A·h铅酸蓄电池组为例。第一阶段以1.7A的恒定电流将电池充到约44.4V：第二阶段将电池电压充到44.4V，保持恒定，将充电电流逐渐减小至约0.4A；第三阶段将电压降至约41.4V，电流减至约50MA对电池进行浮充。
　　(3)温度补偿的控制过程介绍
　　铅酸电池的电压具有负温度系数，在环境温度为25℃时工作很理想的普通(无温度补偿)充电器。当环境温度降到0℃时，电池就不能充足电，当环境温度上升到50℃时，电池将因严重的过充电而缩短寿命。因此，为了保证在很宽的温度范围内，都能使电池刚好充足电，充电器的各种转换电压必须随电池电压的温度系数而变。
　　充电过程中，电池内的再化合反应产生大量的热，由于蓄电池的密封结构使热量不易散出，导致蓄电池温度升高，电解液干涸，造成电池的热失控。而且若没有温度补偿。可能导致电池充电不足或过充。而缩短了电池的使用寿命。
　　启动温度补偿功能之后，充电电压可根据以下方程式进行修正：
　　Vtc=Vn-TeN(T-20)
　　式中.Vte为经温度补偿后的电压.Vn为未经补偿的电压，Tc为温度补偿系数，单位mV／℃，补偿系数一般为2～4mV／℃；N为每组蓄电池的数值；T为温度传感器采集到的温度。
　　蓄电池的环境温度的影响，以36V蓄电池组为例，具体充电电压与温度的关系见表1所示。
　　
　　本设计通过对环境温度的测试，通过A／D进入单片机进行分析，分阶段进行温度补偿，选择相应的恒压充电电压和浮充电压。
　　
　　
　　2.项目的硬件设计
　　项目硬件设计包含总体设计思路，产品总的结构框图，硬件电路设计等。
　　(1)总体设计思路
　　设计拥有温度补偿的三阶段充电器，需要考虑下面几个方面的内容：
　　①选择合适的单片机包含的定时器。
　　②选择合适的温度传感器芯片，要根据实际需要以及各种温度传感器的性能参数来决定。
　　③选择合适的A／D转换器件，它主要是实现温度传感器输出的模拟信号转换成数字信号。
　　④进行PID调节，设计开关电源，并能进行反馈调节。
　　(2)系统总体结构框图
　　在图1中，调谐脉冲变压器、输出整流滤波、光耦反馈、开关脉冲控制共同构成了开关稳压电源，并且根据反馈信号调整开关脉冲占空比，进而调整稳压电源的直流输出电压的大小。再通过外围电路进行充电状态调节，实现恒流、恒压、浮充三阶段充电模式转换。
　　而环境温度经过温度传感器进行采样，经过A／D转换为数字信号送入单片机进行处理，单片机则控制模拟开关，对充电状态调节这一部分相应的电阻参数进行调整，从而实现对不同温度下的充电的温度补偿。
　　(3)硬件电路设计
　　硬件电路的设计包括单片机系统的设计、A／D转换电路的设计、电源设计等。
　　单片机系统的设计包括振荡电路和复位电路的设计，其设计电路图如下：
　　单片机的外部晶振采用11.0592MHz的。单片机的复位电路，采用一般的RC电路实现单片机的复位，成本比较低。
　　80C51单片机内部有两个定时器，可以实现对状态的检测，利用其内部的A／D转换将温度传感器的模拟信号转换成数字信号。
　　本产品利用AD590温度传感器完成温度的测量，把转换的温度值的模拟量进行A／D转换，将结果送人单片机进行相应的控制。
　　AD590温度与电流的关系如表2所示：
　　由于AD590的温度变化范围在-55℃～+150％之间，经过10kO之后采样到的电压变化在2.182V～4.232V之间，不超过5V电压所表示的范围，因此参考电压取电源电压VCC(实测VCC=4.70V)。由此可计算出经过A／D转换之后的摄氏温度显示的数据为：
　　如果(D×2350÷128)<2732，则显示的温度值为－(2732－(D×2350÷128))；如果(D×2350÷128)≥2732，则显示的温度值为+((D×2350÷128)－2732)。温度检测以及A／D转换电路原理如图3所示。
　　
　　在设计中采用反激式开关稳压电源，其中使用了现阶段的一种性能优异、应用广泛、结构较简单的PWM开关电源集成控制器UC3842。作为开关脉冲控制单元使用，光耦反馈使用了P521。而整流滤波单元也使用了全桥整流。
　　(4)温度补偿的实现(见图4)
　　温度采样电路采集到当前的温度。利用MCS-51单片机进行A／D转换，并进行温度补偿。启动温度补偿功能之后，充电电压进行修正：Vtc=Vn-TcN(T-20)，但根据实际的情况只需要分成8档。即：
　　－30℃～10℃　－20℃～10℃　－10℃～0℃
　　0℃～10℃　10℃～20℃　20℃～25℃
　　25℃～30℃　30℃～40℃
　　由于充电电压(恒压电压和浮充电压)主要由R8、R9进行并联，通过改变它的阻值来调节，所以就计算出温度补偿后的相应档次的电阻值，由单片机根据温度处于的档，来决定选用的电阻，由hc4051实现。
　　he4051是模拟8通过多路转换开关。用3输入的数wR42oIPIQdNTAWKrgPzqQg==字信号控制8通道的模拟开关。对于HC4051，0～5V的逻辑信号能控制+5V模拟信号传递(VCC=5V，VEE=-5V)，禁止端INH=H时。全部开关为关态。
　　(5)系统总原理图(见图5)
　　
　　系统总的原理图共分三部分，电源部分、数字部分、模拟部分(即充电器的状态调节)，如图5所示。主要工作原理以及图中具体工作情况如下：
　　①220V交流电经TO双向滤波抑制干扰，经过整流桥整流，经C11滤波形成稳定的300V左右的直流电。UC3842脉宽调制集成的6脚为脉冲输出直接驱动场效应管Q1(K1358)，调节输出的脉冲的占空比。来调节稳压电源的电压值。控制3脚为最大电流限制。调整R31的阻值可以调整充电器的最大电流。2脚为电压反馈，可以调节充电器的输出电压。T1为高频脉冲变压器，其作用有三个：第一是把高压脉冲降压为低压脉冲；第二是起到隔离高压的作用，以防触电；第三是为ue3842提供工作源。D4为高频整流管(16A60V)，C10为低压滤波电容，E4为12V稳压二极管，TIA31为精密基准电压源，配合U2(光耦合器4N35)起到自动调节充电器电压，此电压一路经T1加载到Q1；第二路经R1达到U1的第7脚，强迫U1启动。T1输出线圈的电压经R5、C4整流滤波得到稳定的电压。此电压一路经D7(D7起到防止电池的电流倒灌给充电器的作用)给电池充电；第二路经116、E4、D9为LM324(四运算放大器，11脚为电源地，4脚为电源正)及其外围电路提供12V工作电源。D9为LM324提供基准电压，使得电源指示灯LEDI亮，显示正在工作。
　　②充电状态调节部分
　　LED1是电源指示灯，LED2－1(红灯)和LED2-2(绿灯)为充电指示灯。BX(微调电阻)可以细调充电器的恒流的电流值。R8可以调节恒压充电的门限值，R19是电流取样电阻(0.1Ω，5W)，改变W1的阻值可以调整充电器转浮充的拐点电流(300～500mA)。
　　开始充电时是处于恒流充电时，调整BX(微调电阻)可以细调充电器的恒流的电流值：
　　I=(U-E)／RH
　　其中U是稳压电源的输出电压，E是蓄电池的端电压。I是充电电流。
　　随着充电的进行，电池的端电压不断上升，充电电流有下降的趋势，由于电流的下降，LM324的7脚的输出电压下降，通过P521进行光耦反馈，UC3842的2脚的反馈电压减小，由于负反馈的作用，将增大脉冲宽度，使稳压电源的输出增大。从而(U-E)保持恒定，实现充电的电流恒定。此时LM324的14脚输出高电平，使得状态指示灯LED2-2亮，即红灯亮。
　　③蓄电池的端电压不断上升，到达恒压充电的门限值时，会翻转LM324的1脚电压，输出高电平，一方面使得状态指示灯LED2-1亮，即绿灯亮，同时状态指示灯LED2-2仍然亮即红灯亮，则总体呈现橙灯亮，显示为恒压充电状态；另一方面该电压又构成了主反馈，当电池端电压E上升时，则U有上升的趋势，U上升，1脚上的反馈信号增大，通过光耦反馈，UC3842上2脚的电压增大，故将输出的U减小，保持恒定，E也恒定，由于充电到此阶段，内阻逐渐增大，充电电流逐渐减小。
　　④充电电流不断减小到充电器转浮充的拐点电流(300～500mA)时，LM324的13脚的高电平，14脚输出低电平，LED2-2熄灭，仅绿灯LED2-1亮，显示为浮冲状态。调节R19可以改变拐点电流，R19越大，拐点电流越大。同时It8少并联了一个100k的R14，等效电阻值增大，分压比例比前一阶段大。所以浮冲电压比前一阶段会有一定的下降，此电压还可以维持正常的分压翻转比例。
　　
　　3.软件设计
　　软件设计主要是温度信息的采集与电压值的补偿选择功能，软件设计主要包括主程序和子程序的设计，而子程序的设计又包括定时器中断子程序、外部中断子程序等设计。
　　(1)主程序设计
　　初始化主要是完成以下工作：
　　①定时器／计数器0、1的初始化。
　　②外部中断0的初始化。
　　外部中断1触发时，启动定时器O，开始计时；外部中断0触发时，表示AD0809转换结束，准备读入数据。
　　定时器／计数器O设置成定时模式，设为工作方式0，当定时时间到，在P1.0口产生一个计数脉冲。
　　定时器／计数器1也设置成计数模式，工作方式0，通过检测P1.0口的计数脉冲，当总定时时间到时检测充电状态。进而启动保护功能，即当定时时间到判断是否出现异常情况。
　　内部RAM设置：
　　30H～39H单元：用于暂时存储采样到的10个数据。
　　40H～49H单元：用于存储排序后的采样值。
　　4AH单元：用于存储中间8个采样值的累加和的低字节。
　　4BH单元：用于存储中间8个采样值的累加和的高字节。
　　4CH单元：用于存储平均值即经数字滤波后的值(十六进制)。
　　25t／单元：用于存储采样值的个数。
　　主程序流程·图如图6所示。
　　
　　主程序流程简单介绍：初始化结束后，会有一段等待时间，时间到，主机执行启动A／D。当A／D转换结束时，会触发外部中断0，单片机则开始采集数据，判断采样个数是否够10个，若已采样够10个，则程序顺序执行，即进行数字滤波和数据刷新程序；若采样个数不够，则继续循环等待，直到采样值达到要求。
　　(2)子程序的设计
　　子程序设计主要包含中断子程序的设计(定时器中断和外部中断)、滤波子程序的设计。
　　①外部中断的程序设计
　　当A／D转换结束时，会触发外部中断INTO。此时单片机读入数据；而当充电进入恒压充电阶段时，采集到电压会触发外部中断INT1，响应此中断，则控制定时器0开始计时。其具体的工作过程如图7所示：
　　②定时器／计数器中断子程序设计
　　定时器／计数器0和定时器／计数器1共同来实现一段时间的定时，对恒压阶段进行监控，进行安全保护。其中定时器0中断子程序主要是从P1.0口产生一个计数脉冲。定义为定时工作方式0，由图8流程图可知其工作过程。
　　定时器／计数器1中断子程序主要是判断处于的状态，设为计数工作方式1。其工作过程可由图8右侧流程图得到。
　　其中P3.0输出1时，可以强行将充电状态拉为浮充状态，避免因为其他原因造成的充电失效，有效地解决了状态不翻转情况的出现，保护了充电器和电池。
　　
　　
　　三、系统的特点和测试
　　
　　1.系统特点
　　本项目设计的是具有温度补偿作用的智能充电系统，提出了充电器的硬件电路和软件的设计方案。特点如下：
　　(1)是基于三段式充电理论，有恒流限压、恒压限流、浮充三阶段。
　　(2)采取温度补偿技术，利用温度传感器将采集到的信号送给A／D转换器，A／D转换器将模拟信号转换数字信号后送单片机进行处理，最后确定所在的温度挡。
　　(3)利用单片机控制，并且软件系统支持，大大提高电池的充电效率，缩短充电时间，并能有效延长电池寿命。
　　
　　2.系统的测试与可行性
　　现场进行硬件测试，一方面需要调节电阻丝BX的阻值，来实现恒流限压充电阶段的电流值的调节，具体是通过不断的调节电阻丝的有效长度(即调节其阻值)，但由于烙铁温度比较高，刚开始由于接触时间太长，使得电阻丝RX的阻值变大，待电阻温度下降后，再次测量后，电流值有较大变化，使得调试出现了很大的困难。经过反复测量实验，对其进行了温度补偿后，使测量精度有了很大提高。然后进行测试，结果表明系统运行正常可靠，达到了预定的效果。
　　另一方面需要确定在不同的温度值，选择与R8并联的电阻值的大小，用于设定恒压电压和浮充电压的具体数值，但记录的电阻值，与计算值有一定的偏差，经过与指导老师的探讨。找到了该偏差的产生原因，经过修正，将其控制在精度允许范围之内。
　　在整体测试中，软件定时初值要根据选用的电池型号和容量来决定，为了检验充电器的监控作用，人为的使恒压阶段不自动转换为浮充阶段，观察定时效果，并且确定最佳定时值，使得能够及时避免过充现象的发生。
　　依据此设计方案制作的三段式蓄电池充电器，可适应AC 100～240V宽范围电压输入，可对48V／20A·h以下容量的蓄电池进行高效率充电，经实际测试，较好地实现了三段式充电。
　　
　　四、前景及改进方向
　　
　　电动车越来越成为城市居民出行的重要交通工具，特别是在中、小城市，电动车的使用量更大。电瓶作为电动车的易损部件，蓄电池的使用寿命长短与充电器的质量和性能密切相关。本设计成本低，可以大大提高电池的充电效率，缩短充电时间，并延长电池的使用寿命，既节约了能源、资源，也为居民节约了资金。因此有很好的实用基础和市场前景。
　　智能充电器虽然在理论上是可行和可靠的。初步的实践检验充电效果也很好。但在实际的使用中还存在哪些问题，到底能延长蓄电池多长时间的寿命，还没有经过检验，我计划用较多的相同型号的铅酸蓄电池做对比实验，用三年左右的时间跟踪调查，取得可靠的数据，不断改进设计，同时与充电器生产厂家联系，向他们的工程技术人员请教，不断听取他们的意见和建议，与老师和同学们一起努力让新型的智能充电器早日走入市场，服务社