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1、郑州大学毕业设计（论文）题 目：电动汽车智能充电器控制系统设计指导教师： 王生德 职称： 副教授 学生姓名： 李丽丽 学号： 专 业： 电子信息工程 院（系）： 信息工程学院 完成时间： 2012/5/26 2012年 5月26日电动汽车充电器智能控制系统设计摘要：铅酸蓄电池作为动力能源广泛的应用于交通运输、电力以及通讯等重要行业，成为现代社会生产和生活中不可或缺的一部分。然而，目前用于补充铅酸蓄电池电量的充电器却存在充电时间长、充电效率低的问题，不能满足现代社会生产和生活快速性和高效性的要求。因此，研究和开发智能充电器以满足铅酸蓄电池的充电要求具有重要的现实意义。本文分析了铅酸蓄电池的充电特
2、性，针对系统的要求采取了恒流充电、恒压充电和浮充充电相结合的充电策略，实现充电模式的自动转换，自动判断充电状态的智能充电。智能充电方法接近铅酸电池的可接受充电电流充电曲线，满足铅酸蓄电池的理想充电方式。为了实现电池组的智能充电，采用了ATmega16型单片机控制器对电池充电进行智能控制。介绍了基于ATmega16单片机的智能充电器的控制电路的原理和结构，并且设计了系统的软件流程。关键词：电动汽车；智能充电器；AVR单片机；阶段恒流/恒压Abstract: The lead-acid batteries as a power and energy widely used in transport
3、ation, electricity, and communications and other important industries to become an integral part of modern social production and life. However, for additional lead-acid battery charge charger charging for a long time exists, the problem of low charging efficiency, and cannot meet the requirements of
4、 the modern social production and living fast and efficiently. Therefore, research and development of a smart charger to meet the requirements of the lead-acid battery charging has important practical significance. This paper analyzes the characteristics of lead-acid battery charging, constant curre
5、nt charging, constant voltage charging and floating charge combination of the charging strategy for the system requirements to take charge mode automatically converted automatically determine the charge state of intelligent charging. Intelligent charging method close to acceptable charging current c
6、harging curve for lead-acid battery, meet the ideal charging method for lead-acid battery. In order to realize the intelligent charging of the battery pack, using the ATmega16 micro-controller to charge the battery and intelligent control. Introduction of intelligent charger based on ATmega16 MCU co
7、ntrol circuit principle and structure, and the design of the software process.Key words：Electric vehicles; Intelligent Charger; AVR microcontroller; stage constant-current / constant-voltage 毕业设计（论文）任务书附表一 题目来源：导师给定课题名称电动汽车充电器智能控制系统设计设计人姓名李丽丽学号指导教师姓名、职称王生德指导时间/地点每周四/导师办公室专业班级电子1班一、设计（论文）内容本文是电动汽车充电器
8、智能控制系统的设计。分析了铅酸蓄电池的充电特性，针对系统的要求采取了恒流充电、恒压充电和浮充充电相结合的充电策略。智能充电方法接近铅酸电池的可接受充电电流充电曲线，满足铅酸蓄电池的理想充电方式。为了实现电池组的智能充电，采用了ATmega16型单片机控制器对电池充电进行智能控制。介绍了基于ATmega16单片机的智能充电器的控制电路的原理和结构，并且设计了系统的软件流程。二、设计（论文）的主要技术指标1.马斯定律2.铅酸电池的充电方法3.ATmega16单片机的数据手册4.单片机的C语言编程三、进度安排1.了解电动汽车在国内外的发展2.掌握铅酸蓄电池的充电理论3.掌握单片机的C语言编程4.设计
9、充电方法5.设计控制系统四、毕业设计（论文）提交的文档及基本要求1毕业论文一份（包含封皮、目录、中英文摘要、内容及参考文献）2不少于5000汉字的科技翻译资料一份3、毕业论文简介（A4纸12页）（包含题目、专业、年级、姓名、指导教师、毕业论文所做的工作、解决的问题、创新之处等）4毕业设计任务书5开题报告6毕业设计工作中期检查表此表指导教师填后、复印，指导教师、学生各保存一份，交院教学办一份毕业设计（论文）开题报告附表二课题名称电动汽车充电器智能控制系统设计学生姓名李丽丽学号专业班级电子1班一、选题的目的意义充电技术是影响电池寿命和使用性能的重要因素，寻找有效的充电控制方式及电池智能化的管理途径
10、，有助于增强电池的使用性能，延长其使用寿命，提高相关设备的工作可靠性。本课题设计的智能充电器，其智能化主要体现在对电池准确的充电阶段控制和自动转换充电方式方面，最终，延长了电池使用寿命，减少了充电时间。二、国内外研究综述近年来，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。三、毕业设计（论文）所用的方法 在图书馆查阅资
11、料，网上查阅文献，老师的指导，同学的相互沟通，实际操作。四、主要参考文献与资料获得情况1.智能快速充电控制器北京：北京邮电大学硕士论文，19922.张彦琴铅酸蓄电池技术的发展J汽车电器，2004，(10)3.马潮，詹卫前，耿德根ATmega8原理及应用手册北京:清华大学出版社,2003五、指导教师审批意见签字： 年 月 日毕业设计工作中期检查附表三 2012年3 月 20日课题名称电动汽车充电器智能控制系统设计姓 名李丽丽专业和班级电子一班指导教师王生德一、毕业设计具体内容、目标和可能遇到的问题具体内容：本文是电动汽车充电器智能控制系统的设计，主要是设计控制系统和充电方法。目标：实现充电器的智
12、能化充电，减少充电时间，延长电池使用寿命。遇到的问题：确定的充电器的充电方式不够完善；ATmega16单片机如何实现智能控制的原理研究还需要进一步掌握；单片机如何进行C语言编程的掌握不够。二、采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析研究方法：首先，通过图书馆的书籍和网上文献的查阅，分析铅酸蓄电池的充电特性和充电方法；然后，利用ATmega8 原理及应用手册和ATmega16数据手册研究ATmega16单片机的C语言编程；最后，查阅文献研究单片机做控制系统的原理和结构。技术路线：马斯定律、充电原理、极化问题、单片机的应用。实验方案：采取恒流充电、恒压充电、停充和浮充相结合的充电方法，利用A
13、Tmega16单片机作为控制电路，对整个充电过程进行控制。通过各方面的验证，本文的设计方案是可行的，充电方法接近铅酸电池的可接受充电电流充电曲线，满足铅酸蓄电池的理想充电方式。三、指导教师对学生出勤、文献阅读等方面的评语签字： 年 月 日此表学生填写，指导教师给出评语后，复印件于第五周交院教学办公室。毕业设计工作中期检查附表四 2012 年4 月 24日课题名称电动汽车充电器智能控制系统设计姓 名李丽丽专业和班级电子1班指导教师王生德一、阶段性结果1.通过对铅酸蓄电池的充电特性和充电方法的研究，确定了充电器的充电方法；2.学会了ATmega16单片机的C语言编程；3.制定了用单片机做控制系统的
14、方案；4.设计了充电过程的软件流程；二、存在的问题1.ATmega16单片机的C语言编程的还不够完全掌握；2.设计软件流程中针对充电异常的处理还不够完善；3.控制系统方案还有待完善；4.对单片机的应用的掌握欠缺。三、后一步工作设想1.继续研究单片机的应用，如系统控制和复位、中断、I/O端口等；2.对设计的系统方案进行完善；3.完善充电器充电过程的软件流程；4.进行充电过程的编程。四、指导教师对学生出勤、论文进展方面的评语签字： 年 月 日指导教师组织学生口头汇报后，学生填写该表，教师给出评语后，于第十周交院教学办公室。目录1 铅酸蓄电池介绍11.1 铅酸蓄电池概述11.2 铅酸蓄电池的充电理论
15、21.2.1 马斯定律21.2.2 铅酸蓄电池的充电特性31.3 铅酸蓄电池的极化问题52 充电方法的研究52.1 充电方法52.1.1 常规充电方法52.1.2 快速充电方法72.2 智能充电方法设计93 智能充电器的硬件设计113.1 ATmega16的介绍113.2 单片机电路部分123.3 充电控制方案134 系统的软件设计144.1 系统基本功能144.2 程序流程图144.3 主程序16致谢25参考文献26前言早在六、七十年代，西方经济发达国家为了保护环境就已经开始研制各种各样的绿色能源来代替汽油和柴油，但是，受到蓄电池、电控等关键部件的性能、寿命以及高性能的充电设备等的制约，一直
16、未得到长足的发展。到了八、九十年代，由于大容量、长寿命蓄电池的大批量生产及大功率晶体管的研制成功和计算机应用技术的广泛应用，使绿色能源得到长足进展。近期，戴母勒-克莱斯勒和壳牌公司声明他们将在冰岛首先实现绿色能源计划，其中就包含大量电动汽车。随着国际、国内对环保要求的越来越高，对内燃机车辆的排放要求也越来越高，这样，对绿色能源的需求越来越迫切，北京奥运提出“绿色奥运”的口号，势必会使蓄电池电动车辆的使用量大幅度增加。在美国加州，电动车辆占有百分之八十的市场份额，而且这种比例将越来越大。随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，功能越来越强大，对电源系统的要求也越来越高。为了适应电设
17、备科技发展的需要，充电电源的研究已经向高频化、集成化、智能化和绿色化方向发展，电磁兼容、智能化程度和自适应性等新的要求也在不断提出。为了实现高功率密度，改善电源的动态性能，就必须提高电源系统的工作频率，提高主功率变换器件的开关速度，可明显减少磁性变压器材料和大电解电容体积、重量等，这也使得开关器件的研制工作从改进电压、电流的二维体系发展到提高频率的三维体系。集成化是电源系统的一个重要发展方向，主要包括构成大功率器件的元件微型化、密集化以及集成化，把小功率的集成在单片中，使系统控制、驱动、保护、检测和末级功率放大集成为一体。智能化主要体现在对电池的充电算法和对环境的自适应性方面，一个新型的充电系
18、统要能自动识别被充电电池的类别，根据电池的参数以及环境温度等自适应地生成充电曲线，以最佳的方式完成快速充电工作。绿色化包括两层含义首先是显著节电，因为发电是造成环境污染的重要原因，发电容量的节约意味着对环境污染的减少其次是这些电源不能或少对电网产生污染。同时，新型充电系统还应该能满足对智能电池的充电要求。智能电池是上世纪后期才出现的新型电池，它由蓄电池组、控制模块和相应的显示模块组成。它包含了能够测量、计算和储存关于电池内部化学成分和电量状态数据的内部电子部件，“电量计量的信息经由系统管理总线传送给器件内部的充电电路、报警电路和关闭电路。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
19、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。然而，目前，铅酸蓄电池的充电技术及充电设备仍滞后于铅酸蓄电池的发展。这主要体现在两个方面：一是当前的主流充电技术还在沿用早期的恒压充电、恒流充电以及稍做改进的多段恒流充电技术，这些充电方式存在充电效率低，对蓄电池的损伤大等问题；二是受成本等因素的制约，充电器的功率普遍较小，从而难以达到快速补充电量的要求。可见，铅酸蓄电池
20、充电器由于充电时间长，充电效率低等问题的存在，因而不能满足现代社会生产和生活快速性、高效性的要求，这在一定程度上制约了铅酸蓄电池的发展和应用。充电技术是影响电池寿命和使用性能的重要因素，寻找有效的充电控制方式及电池智能化的管理途径，有助于增强电池的使用性能，延长其使用寿命，提高相关设备的工作可靠性。本文介绍一种基于单片机的智能充电器系统控制的设计。充电器可以实时采集电池的电压、电流，对充电过程进行智能控制。根据电池的参数和其最佳充电曲线，以最佳的方式完成快速充电工作。1 铅酸蓄电池介绍1.1 铅酸蓄电池概述电池是一种化学电源，它通过其内部的氧化还原反应来实现化学能与电能的相互转换。主要有原电池
21、、蓄电池以及其它类型的电池。原电池也称为一次电池，其活性物质用完后不能用充电的方法使之恢复，如锂-锰电池等。蓄电池又称二次电池，其活性物质耗尽后可通过充电的方法使之恢复，即可以再生，如铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、镍氢蓄电池等等。从1859年第一个铅酸蓄电池问世至今已有150多年。在历史上，无论在军事领域还是在民用领域，它的应用都极为广泛，即使到今天，铅酸蓄电池在国民经济的许多领域还占据主导地位。一百多年来，铅酸蓄电池不断的向前发展，形成了品种丰富、结构多样的铅蓄电池系列。当前使用最广泛的是阀控式铅酸蓄电池（VRLA)和胶体密封式铅酸蓄电池(Gel)。铅酸蓄电池之所以如此经久不衰，是因为它具有许多优
22、点：（1）尽管铅酸蓄电池的能量密度比其它二次电池要低，但它却具有较高的功率密度，目前已经达到了200300WKg，新设计的产品可达到500WKg。（2）生产工艺成熟可靠，电池的均匀性好。（3） 充电安全性好，不会因为使用极限充电电流或充电电压而导致蓄电池爆炸等危险事故。（4）铅酸蓄电池容量大而价格便宜，这是其它二次电池无法比拟的。尤其是作为大型的动力电源，其价格和运行费用往往是推广和普及的关键因素。正由于铅酸蓄电池电压稳定，比功率大，安全性能好，价格相对低廉，所以它被广泛应用于不间断(UPS)电源，应急灯，电动工具，医疗设备，工矿机车，高尔夫车，车辆启动，通讯电源，动力牵引等领域，而在欧美等发
23、达国家，铅酸蓄电池的使用范围还在不断的拓宽，被应用在电力，太阳能，甚至是国防工业领域。铅酸蓄电池还是当前混合动力汽车和电动自行车的最佳电源。根据我国相关标准，铅酸蓄电池按用途可以分为：起动型铅酸蓄电池，主要用于汽车、拖拉机、柴油机船舶等的起动和照明；固定型铅酸蓄电池，主要用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源；牵引型铅酸蓄电池，主要用于各种蓄电池车、叉车、铲车等动力电源；铁路用铅酸蓄电池，主要用于铁路内燃机车、电力机车、客车起动；煤矿用铅酸蓄电池，主要用于电力机车牵引动力电源；储能用铅酸蓄电池，主要用于风力、水力发电电能的储存。1.2 铅酸蓄电池的充电理论1.2.1 马斯定律
24、理论和实践证明，蓄电池的充电过程是一个复杂的电化学过程。在充电过程中，影响充电的因素非常多，诸如电解液的浓度、活性物质的浓度、充电的环境温度等，充电的策略和方式也会对蓄电池的充电过程产生重人影响。为了更好的使用铅酸蓄电池，世界各国的科学家对铅酸蓄电池的充、放电过程做了大量的实验并提出了许多具有建设性的理论来解释这个过程。1972年，美国科学家马斯在第二届世界电动汽车年会上提出了著名的马斯三大定律。该定律给出了铅酸蓄电池可接受的充电电流与放电电流和放电容量之间的关系，成为目前铅酸蓄电池及其他蓄电池充电的基本理论。马斯第一定律指出：对于任何给定的放电电流，蓄电池可接受电流比口与放电容量的平方根成反
25、比，即： 式中，为蓄电池的可接受电流比，定义为蓄电池可接受的充电电流Io与蓄电池放电容量C的比，即： =IoC (2)由式(21)和式(22)可得：Io=K (23)由式(23)中的K为比例系数，C为蓄电池当前的放电容量。由(23)式可知，蓄电池放电容量越大，则可接受的初始充电电流越大。马斯第二定律指出：对于任何给定的放电容量，蓄电池可接受充电电流比与放电电流的对数成正比，即： (24) 式(24)中的表示放电电流。由式(22)和(24)可得式(25)。由式(25)可以看出，当蓄电池的放电容量一定时，放电电流越大，充电时可接受的初始充电电流越大。 =KC (25)马斯第三定律指出：蓄电池以不同
26、的放电率放电后，可接受的充电电流是各个放电率的可接受充电电流之和，即： (26)由马斯三大定律可知，若蓄电池的放电容量达到其额定值，则在充电初期，蓄电池可接受的充电电流在理论上为无限大。随着充电的进行，蓄电池由于放电而损失的容量逐渐恢复，可接受的充电电流逐渐减小。当容量全部恢复时，蓄电池可接受的充电电流在理论上为零。实际上，在充电初期，一方面由于在一般情况下蓄电池不会完全放电，另一方面由于蓄电池本身存在接线电阻等限制因素，所以其初始充电电流并不能无限大；在充电末期，由于蓄电池有自放电效应，因此充电电流也不可能为零。这一过程可用图21表示。 图2. 1 马斯充电曲线1.2.2 铅酸蓄电池的充电特
27、性电池充电主要完成两个任务，首要的任务是尽可能快的使蓄电池恢复容量，另一个任务是用涓流充电补足蓄电池因自放电而损失的电量，以维持蓄电池的额定容量。在充电初期，蓄电池可接受较大的充电电流，负极板上的硫酸铅逐渐转变为活性物质铅，正极板上的硫酸铅逐渐转变为活性物质二氧化铅。随着充电的进行，电池的端电压逐渐上升，容量快速恢复，可接受充电电流逐渐减小。当极板上的硫酸铅完全变成铅和二氧化铅后，蓄电池开始发生过充电反应，产生氢气和氧气。图22展示了单格蓄电池端电压在不同充电速率下随容量恢复百分数之间的关系。由该图可以发现：一般情况下，铅酸蓄电池的放电终止电压为198V2V，即铅酸蓄电池充电的起始电压为198
28、V2V；充电初期，电池端电压上升缓慢，当容量恢复到75时，电池电压上升到22V23V；当容量恢复超过75之后，电池端电压将迅速上升，该阶段伴随着过充电现象；当容量完全恢复后，电池的端电压略有下降。由22图还可以看出铅酸蓄电池过充电的时间与充电速率有关。充电速率越大，发生过充电的时间越早。当充电速率大于C5时，电池容量恢复到放出容量的80以前即开始过充电反应。只有充电速率小于C100时，才能使蓄电池容量恢复到100以后，才发生过充电反应。蓄电池充电的第一任务是要尽可能快的恢复容量，为达到这个目的，希望使用较大的充电速率，但是大的充电速率必然引起蓄电池的过充反应，产生析气现象，缩短蓄电池的寿命。采
29、用小的充电速率固然可以防止过充反应，对蓄电池的寿命影响也小，但是不能达到快速性的要求。因此，先进的充电技术应当处理好这个矛盾。 图2. 2 铅酸蓄电池充电特性1.3 铅酸蓄电池的极化问题 铅酸蓄电池在充电过程有3个极化(欧姆极化、电化学极化、浓差极化)现象是不可避免的，这3个极化影响电池的充电接受能力，障碍了充电速度。（1） 欧姆极化在充电过程中，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。（2） 浓度极化随着电极化学反应的进行，生成物以及反应物的扩散迁移速度跟不上化学反应的速度时，会造成从电极表面到中部溶液、电解质浓度分布不均匀
30、，这种现象称为浓度极化。（3）电化学极化电极反应由好几个基本步骤构成，其中有一个步骤，其活化能最高，而为了使得反应的顺利进行必须外加电源来增加一定的电压去克服反应的活化能，这种现象就叫做电化学极化。2 充电方法的研究2.1 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。常规的充电方法主要有恒流充电、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。2.1.1 常规充电方法(1) 恒流充电方法恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变
31、的充电方法，如图2.1所示。控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。 图2.1 恒流充电曲线(2) 恒压充电方法充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电，如图2.2所示。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。 这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充电。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易
32、使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。 图2.2 恒压充电曲线(3) 阶段充电法 此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图2.3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2.4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
33、一定的限制。 图2.3 二阶段充电曲线 图2.4 三阶段充电曲线2.1.2 快速充电方法为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。（1）脉冲充电方法脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停止充电一段时间，如此循环，如图2.5所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间
34、，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。脉冲充电是蓄电池充电的新技术，它打破了蓄电池充电指数接受曲线的限制，但是依然遵循并提高了蓄电池固有的充电频率。 图2.5 脉冲充电曲线 （2）变电流间歇充电法 这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更
35、加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。变电流间歇充电法电流电压曲线如图2.6。 图2.6 变电流间歇充电法（3）变电压间歇充电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2.7)。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。在每个间歇恒压充电阶段，由于是恒压充电，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受效率随着充电的进行逐渐下降的特点。 图2.7 变电压间歇充电曲线2.2 智能充电方法设计铅酸蓄电池由于其制造成本低，容量大，价格低廉而得到了广泛的使用。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿
36、命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。研究发现：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。本文通过对铅酸蓄电池的充电特性和各种充电方法的分析和研究，设计了快速充电装置所采用的快速充电方法，即将整个充电过程分为恒流充电、恒压充电、恒流充电、恒压充电、停机和浮充充电六个阶段，这种充电方法非常接近蓄电池可接受的充电电流曲线，且因为其充电方法不同于以往的充电器的一直持续采用大电流充电的充电方法，所以不会使电池产生极化现象，从而提高了充电效率，延长了电池
37、的使用寿命，而且减少了充电器的充电时间，实现了快速充电。在不同的阶段采用不同的充电方法，把充电电流、电压、电池温度控制在合理的范围内，从而达到最佳充电效果。本次设计的电动汽车智能充电器的充电方法如图2.8所示。 u、i 72.4V70.5V68.8V30A 15A3A 停机t 图2.8 电池充电曲线充电过程的具体描述：第一，智能充电器进行30A恒流充电；第二，判断当前电流是否超过15A和当前电压是否超过70.5V，当条件成立时发送15A恒流和72.4V恒压脉冲，当电流超过15A且电压没有超过70.5V时发送70.5V恒压脉冲，接着进行硬件切换70.5V恒压和30A恒流，电池进入70.5V的恒压
38、充电阶段；第三，在70.5V的恒压充电过程中检测15A的电流值。当电流小于15A且电压大于70.5V时发送15A恒流脉冲。当电流值降低至15A时进入15A的恒流充电阶段；第四，在15A的恒流充电过程中检测72.4V的电压值。当电流超过15A时发送电压脉冲，将状态切换到72.4V的恒压充电；第五，在72.4V的恒压充电过程中检测电流值，当电流小于3A且电压大于72.4V时发送3A恒流和68.8V恒压脉冲,暂停充电；第六，等待进入68.6V的恒压充电，充电过程中检测电压值，当电压低于68.8V时进行浮充充电，只要电池接在充电器上并且充电器接通电源，充电器就会给电池不断补充电荷，这样可使电池总处于充
39、足电状态，此时也标志着充电过程已结束。3 智能充电器的硬件设计3.1 ATmega16的介绍ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻辑单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的数据吞吐率。 ATmega
40、16 有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32个通用I/O 口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C)片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/
41、C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接
42、口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Application Flash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。 通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言 编译器、宏汇编、 程序调试器/ 软件仿真器、仿真
43、器及评估板。3.2 单片机电路部分该充电器是在开关电源式充电器的基础上，增加了单片机控制电路，将符合快速充电的最佳的充电电流的数据编制在单片机的程序中，使之能根据被充蓄电池具体情况自动调整输出的充电电压，使之在不影响使用寿命的情况下进行快速充电。此设计利用ATmega16单片机作为控制电路，通过ATmega16单片机进行电压、电流和温度的采样和检测，将采样值与基准值进行比较，确定充电模式。单片机连接电路如3.1所示。 图3.1 单片机连接电路 本单片机使用的是一个外部晶体振荡器为16MHz频率的时钟为CPU提供时钟周期。端口A为A/D转换器的模拟输入端，ADC负责对充电时电压、电流和温度数据的
44、采集。AVCC通过一个低通滤波器与VCC连接，为A/D转换器提供电源，减少电源干扰。端口B与LCD液晶显示模块电路直接连接，PB0、PB1、PB2、PB3连接液晶模块的4条信号线LCD-CS，LCD-SCK，LCD-DAT，LCD-RST控制液晶的读、写操作，在充电的每个阶段均有状态显示，PB4与KEY2键连接，PB5（MOSI）、PB6（MISO）、PB7（SCK）分别与ISP下载接口直接连接，因ISP下载接口没有任何的外围零件，可以正常使用，不受ISP的干扰。单片机外部的复位线路直接拉一只电阻到VCC，再加上一只电容以消除干扰、杂波。端口C主要充当开关，PC0、PC1分别与3525和充电继电器连接，用来控制继电器和3525的闭合和关闭。端口D与PWM连接，PD2和PD1分别于KEY1和KEY0连接，通过判断KEY键是否按下，来确定PWM输出充电电压或电流的基准值。3.3 充电控制方案由于充电方法相对较复杂，故需要采用可编程器件进行控制，而单片机以其相对强大的功能和低廉的价格成