數(shù)字化快速充電系統(tǒng)設計附件

1、本科畢業(yè)設計(論文)附件題目：數(shù)字化快速充電系統(tǒng)設計院 （系）： 專 業(yè)： 班 級： 學 生： 學 號： 指導教師： 2012年 6月目錄1 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）開題報告2 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）開題報告檢查表3 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）中期報告4 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）中期檢查表5 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）指導教師評分表6 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）評閱教師評分表7 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）答辯暨綜合評分表畢業(yè)設計(論文)開題報告題目：數(shù)字化快速充電系統(tǒng)設計院（系） 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 導 師 2012年3月6日1. 畢業(yè)設計（論文）綜述（題目背

2、景、研究意義及國內外相關研究情況）1.1題目背景如今，隨著越來越多的手提式電器的出現(xiàn)，對高性能，小尺寸，重量輕的電池充電器的需求也越來越大，電池技術的持續(xù)進步也要求更復雜的充電算法以實現(xiàn)快速安全的充電。因此需要對充電過程進行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時間，達到最大的電池容量，并防止電池損壞。與此同時，對充電電池的性能和工作壽命的要求也在不斷提高。從二十世紀六十年代的商用鎳鎘和密封鉛酸電池到近幾年的鎳氫和鋰離子技術，可充電電池容量得到了飛速發(fā)展。電池充電是通過逆向化學反應將能量存儲到化學系統(tǒng)里實現(xiàn)的,由于使用的化學物質的不同,電池有自己的特性.設計充電器時要仔細了解這些特性以防止過度充電而損壞電池

3、。1.2研究意義目前所裝備的充電器大都采用固定模式對電池進行充電，缺乏自適應能力，不能實時控制充電狀態(tài)。經常出現(xiàn)電池充電過度，充電不足或電池過熱等諸多問題，縮短了電池的使用壽命，影響了電池設備的工作。為了解決目前存在的諸多問題，同時適應未來電子裝備的數(shù)字化，信息化，研究出一種可給多種電池自適應充電的智能快速充電設備，已解決目前存在的問題。1.3國內外相關研究情況近年來，電設備越來越廣泛的應用與各個領域，而且越來越復雜，對供電系統(tǒng)的要求也越來越高。除了系統(tǒng)的可靠性、效率、體積和重量等要求之外，一些新的要求在不斷提出，例如emc（電磁兼容）的要求，智能化程度和自適應等，一個新型的充電器，不但具有傳

4、統(tǒng)充電器的功能，還能識別被充電電池的類別，然后根據電池的參數(shù)，以及環(huán)境溫度等自適應地生成充電曲線，使得被充電電池在最短時間內，以最佳的方式完成充電工作。在充電過程中，要不斷地檢測被充電電池的電壓、電流和溫度的變化情況及時調整充電曲線。2.本課題研究的主要內容和擬采用的研究方案、研究方法或措施2.1研究主要內容根據鋰離子、鎳鎘、鎳氫電池的充電特性，完成快速充電系統(tǒng)設計。掌握智能充電理論和充電電源原理及應用。具體為：掌握充電電源的工作原理,種類，發(fā)展過程及當前的發(fā)展水平；掌握智能充電理論及ni-h，鋰離子電池充電要求；充分對要制作的系統(tǒng)進行論證，充分掌握要害，并進行最佳設計；技術指標：輸入電壓范圍

5、：20-28v直流；適用電池范圍：適用于當前便攜裝備的鋰離子，鎳鎘，鎳氫可充電電池，標稱充電值：3.6v，7.2v，12v，14.4v。充電時間可在30min內使被充電池所充電量不小于標定值得50%（限1ah電池）；充電電池容量：規(guī)定在0.6-2.0ah以內。輸出電壓：5v,12v;額定電流：2a+0.2a（2a-0.2a）；輸出紋波:=<1%vpp；負載調整率=<1%。2.2研究方案根據本次設計的要求，設計的智能充電器必須能對鎳鎘，鎳氫及鋰離子電池組充電。并能夠對充電過程進行實時監(jiān)測，針對不同電池的不同充電狀態(tài)做出及時調整，使之符合與其相應的充電曲線。對此,充電器的總體方案設計主

6、要有兩部分組成，即ac/dc轉換電路和充電控制電路。（1） ac/dc轉換電路：ac/dc轉換電路的原理框圖如下圖所示，ac/dc轉換電路部分將市電220vac的電壓轉化為系統(tǒng)設計所要求的輸出電壓25vdc。該電路主要包括輸入濾波器，整流器，dc/dc轉換器，輸出整流濾波器。220vac的市電經過輸入濾波器能抑制大部分干擾信號。整流器將交流電整流濾波成直流電，然后經過dc/dc變換器得到充電所需的直流電壓。為了抑制電壓波動得到持續(xù)穩(wěn)定的輸出電壓，在輸出端添加一電壓負反饋電路。輸入濾波器220vac 25vdcac/dc轉換器電路整流器dc/dc輸出整流濾波器電壓反饋pwm波產生（2）充電控制電

7、路：充電控制電路的原理框圖如下圖所示，充電控制電路以單片機xc164cm為核心控制充電電路對電池充電。并通過電流檢測，電壓檢測等電路獲得當前狀態(tài)參數(shù)。并與設定各狀態(tài)的標準充電電流，最大允許電池電壓等比較。智能的控制和選擇合適的充電模式，保證快速有效充電，并在電池組充滿電時要及時結束充電。這時就要通過對被充電電池的電量，電壓，電流變化等參數(shù)來判斷電池電量的飽和程度，并決定是否停止充電。由于各個電池特性有所差異，因此各自的充電狀態(tài)都不會相同所需充電時間也不會一樣，所以要對每個電池的狀態(tài)參數(shù)進行檢測，比較處理后決定每個電池的充電狀態(tài)轉換及充電終止。整個充電過程的數(shù)據處理和控制調整都由單片機xc164

8、cm來完成。檢測電路包括電壓檢測電路和電流檢測電路。電壓檢測電路檢測電池的端電壓，分壓后送入單片機，計算當前電池電壓值。除反饋給充電電路，穩(wěn)定充電電壓外，還用來判斷充電狀態(tài)。在對鎳鎘，鎳氫電池充電時，不斷檢測電壓增量。當電壓出現(xiàn)零增量或者負增量時，表示充滿，停止充電。在對鋰電池恒流充電時，檢測到電壓最大值，使充電狀態(tài)轉入恒壓充電。電流檢測電路通過與電池串接接入，檢測電池的充電電流。led顯示電路用來顯示充電狀態(tài)，供電狀態(tài)，電池類型，供電電壓。通過鍵盤上的按鍵來切換充電和供電狀態(tài)。充電控制電路led顯示xc164cm充電電路檢測電路鍵盤電池3.本課題研究的重點及難點，前期已開展工作重點：掌握鋰離

9、子，鎳鎘，鎳氫電池的充電特性，充電方法。難點：掌握xc164cm的控制方法。已開展的工作：明確設計方案，畫出系統(tǒng)框圖，選擇主要元器件，學習鋰離子，鎳鎘，鎳氫電池得充電特性和充電方法。學習單片機xc164cm的控制方法。查看相關文獻。4. 完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫）設計自2011年12月開始，未央校區(qū)進行，具體安排如下： 12周：知識儲備階段。收集相關資料和信息，并撰寫畢業(yè)設計開題報告。34周：總體方案制定階段。513周：系統(tǒng)硬件電路設計。 1415周：系統(tǒng)調試。 1618周：設計論文撰寫階段。對自己的整個設計論文的資料進行整理，對畢業(yè)論文進行修改、整理，準備論文答辯。 參考文

10、獻1張占松、蔡宣三，開關電源的原理與設計，北京：電子工業(yè)出版社，1998年6月。2王鴻麟、景占松，通信基礎電源，西安：西安電子科技大學出版社，2002年2月。3周志敏、周紀海，開關電源實用技術與設計，北京：人民郵電出版社 ，2003年8月。4曲學基等、穩(wěn)壓電源基本原理與工藝設計，北京：電子工業(yè)出版社，2004年1月。5楊旭、裴元慶、王兆安，開關電源技術，北京：機械工業(yè)出版社，2004年。6趙修科等，實用電源技術手冊（磁性元件分冊），遼寧科技出版社，2002年。7黃正佳，智能電源模板，電源技術，2002年。8數(shù)字化電池組說明書。9易繼鍇、侯媛彬，智能控制技術，北京：北京工業(yè)大學出版社，1999年

11、9月。10期刊論文：李丹、劉風春，li dan,liufengchun.基于a次單片機的智能充電器的設計與實現(xiàn)-電子工程師，2005.31（2）11閻石，數(shù)字電子技術基礎，高等教育出版社。12童詩白、華成英，模擬電子技術基礎，高等教育出版社。13xc164-16 user' manual,v2.1,infineon,march 2004.14ullah、zafar,fast intelligent battery charging: neural-fuzzy approach, ieee aerospace and electronic systems magazine ,1996.1

12、5b rviet，turboswitch in a pfc boost converter z. sgs-thomson microelectrtronics,1995.16張衛(wèi)國、楊向忠，模糊控制理論與應用，西安：西北工業(yè)大學出版社，2004年7月。17孫傳友、翁惠輝，現(xiàn)代檢測技術及儀表，高等教育出版社，2006年5月。18ivo barbiet.al.buck quasi-resonant converter operating at constant frequency. analysis design and experimentation,ieeetrans.on power ele

13、ctronics，276283,vol.5,no.3,1990畢業(yè)設計（論文）中期報告題目：數(shù)字化快速充電系統(tǒng)設計院（系） 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 導 師 2012年5 月 7 日設計（論文）進展狀況 本課題研究的主要內容是根據鋰離子、鎳鎘、鎳氫電池的充電特性，完成快速充電系統(tǒng)的設計。通過查閱相關資料，閱讀大量文獻，掌握了鋰離子、鎳鎘、鎳氫電池的充電特性。在此基礎上，提出了總體設計方案和各分電路原理圖的設計，具體如下：1.鋰離子、鎳鎘、鎳氫電池的充電特性1.1鋰離子電池的充電特性單節(jié)鋰電池正常工作電壓為3.6v，充足電時電壓可達4.2v，放完電時電壓可降至2.7v。鋰電池的充電與鎳鎘、

14、鎳氫不同，其典型的充電曲線如圖1.1所示。由圖1.1可見，鋰電池先經過恒流充電，待電壓上升至最高電壓a點后，再轉至恒壓充電，此時電池端電壓保持不變。恒壓充電時，電池的充電電流會降低，待電流降至b點即此時電流為恒流充電時電流的1/10時，認為電池已充滿電，轉至浮充維護充電。因此，鋰電池充電時要經過恒流恒壓兩個充電過程。圖1.1鋰電池充電曲線1. 2.鎳鎘、鎳氫的充電特性 單節(jié)鎳鎘電池正常工作時電壓為1.5v，充電時其最高電壓可達1.8v，放完電時，電壓可降至1.2v以下。由于要求是給12v電池充電，所以12v電池的特性為：正常工作時電壓為12v，充電時其最高電壓可達14.4v，放完電時電壓降至9

15、.6v以下。由于鎳鎘電池有記憶應因此在充電之前要先將其放電到10v以下，再進行充電。充電時主要采用一定電流充電，其典型的充電曲線見圖1.2.1。 圖1.2.1 鎳鎘電池的充電特性 圖1.2.2 鎳氫電池的充電特性 鎳氫電池與鎳鎘電池的特性基本一致如圖1.2.2，只是鎳氫電池具有很弱的記憶效應，在充電之前無需放電，只需對其直接充電。充電曲線與鎳鎘電池充電曲線相似，只是充電電壓到最高點后，電池端電壓變化較小，此時出現(xiàn)零增量0v。此刻同樣應對電池進入浮充維護狀態(tài)。為了敘述方便，以后若無特別說明，負增量（-v）和零增量（0v）統(tǒng)稱為v。2.總體設計方案 根據本次設計的要求，設計的智能充電器必須能對鎳鎘

16、，鎳氫及鋰離子電池組充電。并能夠對充電過程進行實時監(jiān)測，針對不同電池的不同充電狀態(tài)做出及時調整，使之符合與其相應的充電曲線。對此，本次設計的主要設計電路包括電源電路、充電電路和充電控制電路。其主要功能是實施對電池組的快速充電，并實時監(jiān)測電池電流，電池端電壓及充電持續(xù)時間等參數(shù)。通過這些信息，判斷出電池的實時充電狀態(tài)，并對充電電流作出及時調整，從而實時而正確地控制充電過程。當檢測到電池已充滿時，會提示用戶并且充電器自動進入浮沖維護狀態(tài)。充電過程中，充電器設置有定時，電流保護和故障檢測功能，如有異常將使充電器停止充電而保護電池。利用模糊控制理論對充電過程進行優(yōu)化控制，使充電嚴格地按照具體電池理想的

17、充電曲線進行，實現(xiàn)對多種電壓等級和不同類型電池的智能充電。系統(tǒng)的總體框圖如圖2.1所示。圖2.1智能充電器的總體設計框圖充電電池鍵 盤顯 示xc164cm單片機控制電路電壓電流測量電路pwm保護電路buck拓撲25v開關電源220v220v交流電壓首先送入反激式開關電源進行ac/dc變換，使其直流輸出電壓為25v，再經過dc/dc變化轉化為供電電壓和充電電壓。此充電電壓不能直接對電池進行充電，必須經過充電電路，采用buck 拓撲結構,對ac/dc 變換電路所得的18-25v 的直流輸入電壓進行二次斬波,得到合適的充電電流、電壓給電池充電。整個充電過程由充電控制電路控制，充電控制電路保證整個充電

18、過程的順利進行，該電路通過充電電池接口和檢測單元得到電池工作狀態(tài)，同時，該電路還實時監(jiān)測電路各部分工作是否正常，并提供保護功能。另外，鍵盤輸入單元用于設定輸出電壓等參數(shù)，顯示單元顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障類型等信息。所以，本系統(tǒng)應當具備對電壓、電流、溫度的檢測和保護電路，并且這些電路在對傳統(tǒng)電池組充電時也是必不可少的。3.各分電路原理圖設計3.1開關電源電路設計開關電源電路的主要任務是將市電220vac轉化成充電所需的25vdc的電壓。電源電路主要包括輸入濾波器，整流器，dc/dc轉換器，輸入整流濾波器等電源變換電路。220vac的市電經過輸入濾波器能夠抑制大部份共模干擾和差模干擾。整流器將交流

19、電整流濾波成直流電，然后經過dc/dc變換器得到充電所需的直流電壓。為了抑制電壓波動得到持續(xù)穩(wěn)定的輸出電壓，在輸出端添加一電壓負反饋電路。該電路由光電耦合器將檢測到的電壓狀態(tài)參量反饋給控制電路。 3.2 ac/dc轉換器電路的設計該部分電路主要包括：保險絲；濾波電容c1組成的主要用來對輸入交流電濾波，消除共模干擾和差模干擾濾波網絡；橋式整流電容濾波電路如圖3.2所示。圖3.2 單相橋式整流電容濾波電路3.3 dc/dc變換器電路的設計該電路主要是應用pwm調制的反激式開關電路，并由芯片top224y進行輸出電壓反饋控制，保持變換后的輸出電壓穩(wěn)定。原理如圖3.3所示。圖3.3 dc/dc變換器電

20、路 3.4充電電路的設計充電電路由25v電壓輸入，通過一個由控制器控制的pwm調制的buck開關電路得到對電池充電所需的直流電壓，對電池充電。原理圖如圖3.4所示。圖3.4充電電路3.5充電控制電路的設計充電控制電路核心控制器xc164cm單片機控制充電電路對電池充電。并通過電流檢測，電壓檢測，時間定時等電路獲得當前充電狀態(tài)參數(shù)。并與設定各狀態(tài)的標準充電電流，最大允許電池電壓，最長充電時間等比較。智能地控制和選擇合適地充電模式，保證快速有效充電，并在電池組充滿電時要及時結束充電。這時就要通過對被充電電池地電量，電壓，電流變化，充電時間等參數(shù)來判斷電池電量地飽和程度，并決定是否進入緩流維護狀態(tài)或

21、者停止充電。由于各個電池特性有所差異，因此各自的充電狀態(tài)都不會相同所需充電時間也不會一樣，所以要對每個電池的狀態(tài)參數(shù)進行檢測，比較處理后決定每個電池的充電狀態(tài)轉換及充電終止。整個充電過程的數(shù)據處理和控制調整都由單片機xc164cm來完成。其設計的電路如圖3.5所示。圖3.5 xc164cm單片機控制電路3.6單片機及其外圍電路的供電電路的設計控制電路中給單片機xc164cm及其外圍電路的vcc供電都是由芯片lt1767通過對輸出電壓降壓得到的5v輸出電壓提供。由于xc164cm的內核cpu需要2.5v的供電，因此要使用ams11172.5v的芯片對5v電壓進一步降壓產生2.5v的供電電壓。3.

22、6.1 5v供電電路該電路從充電電路得到25v電壓后，通過核心芯片lt1767將25v電壓降至5v給單片機及其外圍電路供電。電路如圖3.6.1所示。圖3.6.1 5v供電電路3.6.2 2.5v供電電路2.5v供電電路選擇ams11172.5v型號的芯片。5v電壓輸入。輸出穩(wěn)定的2.5v直流電壓為xc164cm的內部cpu供電。其電路如圖3.7.2所示。圖3.6.2 2.5v供電電路3.7電壓和電流檢測電路的設計為了能夠實現(xiàn)對充電過程的實時監(jiān)測，這時單片機就要根據被充電電池地電量，電壓，電流變化，充電時間等參數(shù)來判斷電池電量地飽和程度，并決定是否進入緩流維護狀態(tài)或者停止充電。因此，就需要設計電壓和電流檢測電路，以便將檢測的參數(shù)提供給單片機。下面分別介紹電壓和電流檢測電路：3.7.1電壓檢測電路電壓檢測電路檢測電池的端電壓，分壓后送入單片機，計算出當前電池電壓值。除反饋給充電電路，穩(wěn)定充電電壓外，還用來判斷充電狀態(tài)。在對鎳鎘，鎳氫電池充電時，不斷檢測電壓增量。當電壓出現(xiàn)零增量或者負增量時，表示充滿，停止充電。在對鋰電池恒流充電時，檢測到電壓最大值，使充電狀態(tài)轉入恒壓充電，并起到反饋穩(wěn)壓作用。電路如圖3.7.1所示。圖3.7.1電壓