电动车智能充电器

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论文（设计）题目： 电动车智能充电器 设计

学 院： 理工学院 专 业（方 向）： 通信工程 年 级、班 级： 通信1301班 学 生 学 号： 1310731057 学 生 姓 名： 刘 建 海 指 导 老 师： 李 洪 璠 精选 . 2017年 4 月30日

三亚学院毕业论文(设计)开题报告审批表 学生姓名 刘建海 专业 通信工程 班级 通信1301 毕业论 文（设 计）题目 电动车智能充电器设计

题 目 类 型 工程设计（项目）类 ■ 论 文 类 □ 作品设计（作品）类 □ 其它 □ 一、选题简介、意义与背景 以动力蓄电池为能源的电动车被认为是21世纪的绿色工程，它的出现将汽车工业的发展带入了一个全新的领域。目前，电动车核心部件中的电动机、控制器和车体三大部件在理论和技术上已较为成熟，而另两大部件蓄电池、充电器的发展还不能满足电动车的要求，有一些理论和技术问题还有待攻关，现已成为影响电动交通工具发展的瓶颈。 本设计用AT89C51单片机来完成。由51系列单片机代替PWM信号发生器输出PWM波形控制开关管在一个周期内的导通与断开。电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。数字信号送入单片机（MCU），由单片机对数字信号进行分析和处理。然后单片机调整PWM输出信号的占空比。这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电器便停止对蓄电池的充电。这是充电器目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术比较复杂、没有什么实用经验、所需的元器件少、成本比方案一要高，单片机使用软件来控制整个充电器，使得充电的过程易于控制。在充满电的情况下才会产生过充电的现象，减少蓄电池的损耗，延长蓄电池的寿命 精选 . 精选

. 二、文献综述 1.电动车智能充电器的原理 理论和实践证明，蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程。一般地说,充电电流在充电过程中随时间呈指数规律下降,不可能自动按恒流或恒压充电。充电过程中影响充电的因素很多,诸如电解液的浓度、极板活性物的浓度、环境温度等的不同,都会使充电产生很大的差异。随着放电状态、使用和保存期的不同,即使是相同型号、相同容量的同类蓄电池的充电也大不一样。 上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图1所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向。

图1.1 最佳充电曲线 由图1.1可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。 蓄电池是可逆的。其放电及充电的化学反应式如下： PbO2＋Pb＋2H2SO4→2PbSO4＋2H2O （1） 很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行,而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。一般来说，产生极化现象有3个方面的原因。 精选 . 1）欧姆极化充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。 2）浓度极化电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。 3）电化学极化这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。例如：电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。放电时，立即有电子释放给外电路。电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢Me－eMe＋，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子Me＋转入溶液，加速Me－eMe＋反应进行。总有一个时刻，达到新的动态平衡。但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。

2.方案比较和方案选择 方案一： 用PWM信号发生器(比如UC3842)实现的方案。蓄电池充电时，电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样的信号经过各种处理后，分别送进PWM信号发生器的电压和电流反馈引脚。PWM信号性器对反馈回来的电压、电流信号进行分析，然后调整PWM输出信号的占空比。这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。这种方法是目前市场充电器流行使用的方法，也是一种很技术非常成熟的方法。这种方案的优点是，技术简单、成熟、有多年的实用经验、所需的元器件少、成本低，但其在没充满电的情况下就会产生过充电的现象，增加蓄电池的损耗，使蓄电池的寿命减少，方案图如图2.1所示。 精选 . 图2.1 方案一 方案二： 由51系列单片机代替PWM信号发生器输出PWM波形控制开关管在一个周期内的导通与断开。电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。数字信号送入单片机（MCU），由单片机对数字信号进行分析和处理。然后单片机调整PWM输出信号的占空比。这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电器便停止对蓄电池的充电。这是充电器目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术比较复杂、没有什么实用经验、所需的元器件少、成本比方案一要高，单片机使用软件来控制整个充电器，使得充电的过程易于控制。在充满电的情况下才会产生过充电的现象，减少蓄电池的损耗，延长蓄电池的寿命，方案图如图2.2所示。

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. 图2.2方案二 方案三： 用VHDL设计实现。用VHDL设计主要是利用有限状态机来实现。用状态机来控制A/D采样，包括将采得的数据存入RAM，整个采样周期需要4至5个状态即可完成。由FPGA代替PWM信号发生器输出PWM波形控制开关管在一个周期内的导通与断开。电压、电流采样电路将蓄电池的电压、电流信号进行采样，采样信号分别送进模数转换器，将电压和电流的模拟信号转换为数字信号。数字信号送入FPGA，由FPGA的有限状态机对数字信号进行分析和处理。然后FPGA调整PWM输出信号的占空比。这个PWM信号送给开关电源开关管，从而便调节的开关管在一个周期内关断和导通的时间，也就是控制了高频变压器通断的时间，从而实现控制高频变压器输出电压和电流的大小。当蓄电池充电满后，由单片机输出信号控制开关断开电源，充电器便停止对蓄电池的充电。这是充电器目前比较新的一种方法，这种方案的特点是，技术是最复杂、使用VHDL语言编程比较复杂，没有实用经验、所需的元器件少、成本比上两个方案都要高，但是由于FPGA能通过编程构造各种功能的模块，可以大大的减少外围电路，增加电路的抗干扰的能力，FPGA的晶振频率一般为几十MHz，故信号的采样频率高。在充满电的情况下才会产生过充电的现象，减少蓄电池的损耗，延长蓄电池的寿命，方案图如图2.3所示。

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. 图2.3 方案三 综合以上三个方案，方案一虽然所需的成本是最低，技术简单、成熟，但是与本次题目的要求不相符合。方案三需要的成本最高，编写VHDL程序复杂，在此不选用这种方案。方案二成本比方案一略高一点，易于接受，而且编程没有那么的复杂，在本次设计选择此方案。

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