數(shù)字化快速充電系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文（含外文翻譯）

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　題目：數(shù)字化快速充電系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　院 （系）： </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級： </p><p>　　學(xué) 生： </p>&l

2、t;p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2012年 06 月</p><p>　　數(shù)字化快速充電系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著智能電池在國內(nèi)的日益普及,與之配套的智能充電器也已

3、經(jīng)成為國內(nèi)電源行業(yè)研究的新熱點,其技術(shù)生命力和應(yīng)用前景將非常廣闊.目前,市場上充電器大都采用固定模式對電池進(jìn)行充電,缺乏自適應(yīng)能力,不能實時控制充電狀態(tài),經(jīng)常出現(xiàn)電池充電過度、充電不足或電池過熱等諸多問題,大大縮短了電池的使用壽命。</p><p>　　本文在調(diào)查國內(nèi)外快速充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從智能充電器的市場需求開始，對數(shù)字化電池從理論上做了充分的分析，并設(shè)計出一種能給多種規(guī)格、型號電池進(jìn)行充電的數(shù)字化快

4、速充電系統(tǒng)。主要設(shè)計工作包括：設(shè)計了開關(guān)電源，實現(xiàn)了220V市電轉(zhuǎn)換為25V恒壓輸出；設(shè)計了充電電路，實現(xiàn)DC-DC變換；設(shè)計了單片機控制電路，實現(xiàn)了充電電壓電流的的檢測、充電過程的控制、狀態(tài)的監(jiān)測、顯示等功能，實現(xiàn)對鋰離子、鎳鎘、鎳氫電池的快速充電。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：快速充電；開關(guān)電源；控制電路</p><p>　　Design of digital rapid charg

5、ing system </p><p>　　Abstract </p><p>　　With the growing popularity of smart battery in the country, accompanying smart chargerhas become the new hot spot in the domestic power industry, its vi

6、tality and prospects will be very broad. At present, most of the fixed mode the battery charger on the market charging, the lack of adaptive capacity, charge status can not be real-time control, often battery overchargin

7、g, charging or battery overheating, greatly reducing battery life.</p><p>　　Fast charging basis of the status of technical development in the survey at home and abroad market demand from the smart charger, d

8、igital battery do a full analysis of the theory, and design a give a variety of specifications, models of battery chargethe digitization fast charging system. The main design work include: design of a switching power sup

9、ply, 220V electricity converted to 25V constant voltage output; charging circuit is designed to achieve the DC-DC converter; designed a single-chip c</p><p>　　Key words : fast charge ; switching power suppl

10、y ; control circuit</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　中文摘要I</b></p><p><b>　　英文摘要II</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p>

11、<p><b>　　1.1題目背景1</b></p><p><b>　　1.2研究意義1</b></p><p>　　1.3國內(nèi)外發(fā)展情況2</p><p>　　1.4 課題主要研究內(nèi)容2</p><p>　　2 數(shù)字化快速充電器理論分析4</p><p&g

12、t;　　2.1電池的充電特性分析4</p><p><b>　　2.2充電模式5</b></p><p>　　2.2.1恒流充電5</p><p>　　2.2.2 恒壓充電6</p><p>　　2.2.3 快速充電技術(shù)的優(yōu)缺點分析7</p><p>　　2.2.4充電控制技術(shù)7<

13、;/p><p>　　2.3開關(guān)電源的基本原理9</p><p>　　3 數(shù)字化快速充電系統(tǒng)硬件設(shè)計11</p><p>　　3.1總體設(shè)計方案11</p><p>　　3.2單片機XC164CM介紹12</p><p>　　3.3開關(guān)電源電路設(shè)計13</p><p>　　3.3.1 AC/

14、DC轉(zhuǎn)換電路13</p><p>　　3.3.2 DC/DC變換器電路的設(shè)計14</p><p>　　3.4充電電路的設(shè)計18</p><p>　　3.5充電控制電路的設(shè)計19</p><p>　　3.6單片機及其外圍電路的供電電路的設(shè)計20</p><p>　　3.6.1 5V供電電路20</p&g

15、t;<p>　　3.6.2 2.5V供電電路21</p><p>　　3.7電壓和電流檢測電路的設(shè)計21</p><p>　　3.7.1電壓檢測電路21</p><p>　　3.7.2電流檢測電路22</p><p>　　3.8顯示電路和鍵盤輸入電路的設(shè)計22</p><p>　　3.9報警電路

16、的設(shè)計23</p><p>　　4 實驗結(jié)果及分析25</p><p><b>　　5 總結(jié)26</b></p><p><b>　　致謝27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)

17、權(quán)聲明29</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明30</p><p><b>　　附錄31</b></p><p>　　附錄A實驗原理圖31</p><p>　　附錄B印制電路板32</p><p><b>　　1 緒論</b></p>&

18、lt;p><b>　　1.1題目背景</b></p><p>　　電源技術(shù)是一切設(shè)備的基礎(chǔ)技術(shù)，其水平的高低，直接影響整體性能，形象地講，電源猶如心臟，是電設(shè)備的供電系統(tǒng)，維持著全系統(tǒng)的正常運行，標(biāo)志電源特性的參數(shù)有功率、電壓、頻率、噪聲及帶載時參數(shù)的變化等等，在同一參數(shù)的要求下，又有體積、重量、效率和可靠性能指標(biāo)。因此，一個優(yōu)秀的電源系統(tǒng)，必須既滿足特性參數(shù)要求，又要滿足特定指標(biāo)的要

19、求。</p><p>　　智能供電系統(tǒng)是一種典型的AC-DC供/充電系統(tǒng)，它不但要把交流220V市電轉(zhuǎn)換成需要的低壓直流電，輸入給無線通信機，還能給通信機內(nèi)的蓄電池（包括鋰離子、鎳鎘、鎳氫等種類）充電，以備移動時給通信機供電。目前，這種通信系統(tǒng)主要配備給陸軍連隊、消防大隊、森警巡邏隊等，以及應(yīng)用與武警執(zhí)勤、野外偵探等無法交流供電的工作環(huán)境中。</p><p>　　目前，配備給通信機的電源系

20、統(tǒng)，由于大都屬于70年代開發(fā)的產(chǎn)品，技術(shù)上存在的問題如下：</p><p>　　故障率高，而且維修困難，經(jīng)常影響作訓(xùn)的正常進(jìn)行；</p><p>　　由于有些電池性能比較差，充電器缺乏自適應(yīng)性，經(jīng)常出現(xiàn)因“過沖”而損壞電池或因“充不滿”而影響作訓(xùn)的非常情況；</p><p>　　體積大，笨重，而且效率低，不適應(yīng)現(xiàn)代化裝備要求；</p><p>

21、;　　不具備對新一代“數(shù)字化電池”的充電功能，針對如上缺點，使用部門多年來一直尋求一種高性能新型電源系統(tǒng)，以便滿足國防建設(shè)和特殊行業(yè)的要求。</p><p><b>　　1.2研究意義 </b></p><p>　　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(shù)的持續(xù)進(jìn)步也要求更復(fù)雜的充電算法以實現(xiàn)快速安全的充電。

22、因此需要對充電過程進(jìn)行更精確的監(jiān)控，以縮短充電時間，達(dá)到最大的電池容量，并防止電池?fù)p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(jì)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(shù)，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(xué)反應(yīng)將能量存儲到化學(xué)系統(tǒng)里實現(xiàn)的,由于使用的化學(xué)物質(zhì)的不同,電池有自己的特性.設(shè)計充電器時要仔細(xì)了解這些特性以防止過度充電而損壞電池。</p><p>

23、;　　目前所裝備的充電器大都采用固定模式對電池進(jìn)行充電，缺乏自適應(yīng)能力，不能實時控制充電狀態(tài)。經(jīng)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(shè)備的工作。為了解決目前存在的諸多問題，同時適應(yīng)未來電子</p><p>　　裝備的數(shù)字化，信息化，研究出一種可給多種電池自適應(yīng)充電的數(shù)字化快速充電設(shè)備，已解決目前存在的問題。</p><p>　　近年來，電設(shè)備越

24、來越廣泛的應(yīng)用與各個領(lǐng)域，而且越來越復(fù)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(yīng)等，一個新型的充電器，不但具有傳統(tǒng)充電器的功能，還能識別被充電電池的類別，然后根據(jù)電池的參數(shù)，以及環(huán)境溫度等自適應(yīng)地生成充電曲線，使得被充電電池在最短時間內(nèi)，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

25、調(diào)整充電曲線。</p><p>　　1.3國內(nèi)外發(fā)展情況</p><p>　　為了適應(yīng)電設(shè)備科技發(fā)展的需要，近年來，在充電電源的研究方面主要呈現(xiàn)如下幾個特點：</p><p>　?。?）集成化、高密度化：它包括了兩層含義，一是構(gòu)成MOSFET大功率器件的元件微型化、密集化；二是指MOSFET集成在單片IC中，從而使系統(tǒng)控制、驅(qū)動、保護(hù)、檢測和末級功率放大集成為一體。

26、</p><p>　?。?）高頻化：提高主功率變換器件的開關(guān)速度，可明顯減少磁性變壓器材料和大電解電容體積、重量等。這也使得開關(guān)器件的研制從改進(jìn)電壓、電流的兩維體系發(fā)展到提高頻率的三維體系。高頻化的實現(xiàn)建立在高開關(guān)速度功率器件的基礎(chǔ)上，電力電子技術(shù)的發(fā)展為其創(chuàng)造了條件。</p><p>　?。?）智能化：主要體現(xiàn)在對被充電電池的自適應(yīng)性和對環(huán)境的自適應(yīng)性方面。智能化具體表現(xiàn)為能識別被充電電

27、池的類型，能檢測到當(dāng)前狀態(tài)，并能根據(jù)被充電電池的這些信息自動生成最佳充電曲線，保證在最短時間內(nèi)，高效地將電池充滿。由于自動生成最佳充電曲線與制造廠提供的曲線一致，也保證了電池在充電過程中一直處于理想狀態(tài)，從而延長了電池的使用壽命。</p><p>　　為了適應(yīng)這些特點，世界各國都在研究數(shù)字化快速充電技術(shù)。目前已經(jīng)研制出了幾十種各類電池快速充電集成電路，譬如，針對鎳鎘/鎳氫電池充電的TEA1100/TEA1101和

28、MAX2003等控制芯片，針對鋰離子電池充電的FAN7563、FAN7564、LM3420和BQ2054等控制芯片；主要用于鎳鎘/鎳氫、鋰離子等電池的充電的bq2000系列控制芯片；還有鉛酸電池充電控制器UC3906、UC3909和bq2031等。利用這些控制芯片很容易設(shè)計成數(shù)字化快速充電器。這些控制芯片針對不同類型的電池，具有明顯的特色。通過最佳組合，可以設(shè)計成多種用途的數(shù)字化快速充電器。但是，由于這些芯片功能單一，無法滿足本文涉及項

29、目的特殊需要。</p><p>　　1.4 課題主要研究內(nèi)容</p><p>　　根據(jù)鋰離子、鎳鎘、鎳氫電池的充電特性，完成快速充電系統(tǒng)設(shè)計。掌握快速充電理論和充電電源原理及應(yīng)用。具體為：掌握充電電源的工作原理,種類，發(fā)展過程及當(dāng)前的發(fā)展水平；掌握快速充電理論及Ni-H，鋰離子電池充電要求；充分對要制作的系統(tǒng)進(jìn)行論證，充分掌握要害，并進(jìn)行最佳設(shè)計；技術(shù)指標(biāo)：輸入電壓范圍：20-28V直流；

30、適用電池范圍：適用于當(dāng)前便攜裝備的鋰離子，鎳鎘，鎳氫可充電電池，標(biāo)稱充電值：3.6V，7.2V，12V，14.4V。充電時間可在30min內(nèi)使被充電池所充電量不小于標(biāo)定值得50%（限1AH電池）；充電電池容量：規(guī)定在0.6-2.0AH以內(nèi)。輸出電壓：5V,12V;額定電流：2A+0.2A（2A-0.2A）；輸出紋波:=<1%VPP；負(fù)載調(diào)整率=<1%。</p><p>　　2 數(shù)字化快速充電器理論分

31、析</p><p>　　2.1電池的充電特性分析</p><p>　　目前主要的蓄電池有很多種，如:鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池等。這四種蓄電池具有相同的功能就是都可以為最終產(chǎn)品提供可補充的電能，但不同的電池具有不同的特性。</p><p>　　由于本次設(shè)計中主要涉及的充電電池的主要充電參數(shù)為額定電壓：3.6V、7.2V、14.4V、12V的鎳鎘

32、、鎳氫和鋰離子電池。而鎘鎳、鎳氫和鋰離子三種電池的充電特性并不完全相同，下面分別敘述這三種電池的充電特性。</p><p>　　為了本文敘述方便的需要，如果沒有特別注明，以下給出的均為12V電池的參數(shù)。（其他電壓的電池參數(shù)與其基本成倍數(shù)變化關(guān)系，充電電流根據(jù)容量與其成比例關(guān)系）。</p><p>　　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(dá)1.8V，放完電時，電壓可降至1

33、.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(dá)14.4V，放完電時電壓降至9.6V以下。由于鎳鎘電池有記憶應(yīng)因此在充電之前要先將其放電到10V以下，再進(jìn)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2.1。</p><p>　　圖2.1 鎳鎘電池的充電特性 圖2.2 鎳氫電池的充電特性</p>

34、<p>　　從圖2.1可以看出，在充電的起始狀態(tài)，電池的端電壓上升很快，直至A點。A點后，電壓緩慢上升至B點，然后電池電壓又快速上升至最高點C。從C點處開始電池電壓會隨著繼續(xù)充電而下降，出現(xiàn)負(fù)增量-ΔV。此時電池已充足電，電池溫度急劇上升，內(nèi)部壓力也繼續(xù)上升，應(yīng)及時停止快速充電，進(jìn)入浮充維護(hù)充電狀態(tài)，對電池進(jìn)行維護(hù)，以防止電池自放電。若此刻還繼續(xù)快速充電會損壞電池，甚至出現(xiàn)危險。</p><p>　　鎳

35、氫電池與鎳鎘電池的特性基本一致如圖2.2，只是鎳氫電池具有很弱的記憶效應(yīng)，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0ΔV。此刻同樣應(yīng)對電池進(jìn)入浮充維護(hù)狀態(tài)。為了敘述方便，以后若無特別說明，負(fù)增量（-ΔV）和零增量（0ΔV）統(tǒng)稱為ΔV。</p><p>　　單節(jié)鋰電池正常工作電壓為3.6V，充足電時電壓可達(dá)4.2V，放完電時電壓

36、可降至2.7V。鋰電池的充電與鎳鎘、鎳氫不同，其典型的充電曲線如圖2.3所示。</p><p>　　由圖2.3可見，鋰電池先經(jīng)過恒流充電，待電壓上升至最高電壓A點后，再轉(zhuǎn)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(rèn)為電池已充滿電，轉(zhuǎn)至浮充維護(hù)充電。因此，鋰電池充電時要經(jīng)過恒流恒壓兩個充電過程。</p><p>

37、;　　圖2.3鋰電池充電曲線</p><p><b>　　2.2充電模式</b></p><p>　　目前，鉛酸蓄電池引用的充電模式通常包括恒流充電、恒壓充電和快速充電模式。下面將三種充電模式進(jìn)行比較。</p><p>　　2.2.1恒流充電 </p><p>　　恒流充電的特點即以恒定的電流對蓄電池充電。優(yōu)缺點分析：&

38、lt;/p><p><b>　　a. 優(yōu)點：</b></p><p>　　恒流充電電流可調(diào)，故可以適應(yīng)不同技術(shù)狀態(tài)的蓄電池，如新蓄電池、正常使用蓄電池和有不同故障的蓄電池，因而目前得到了廣泛采用；恒流充電當(dāng)蓄電池基本充好后還能以很小的電流對蓄電池繼續(xù)充電，使極板內(nèi)部較多的活性物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)，從而使蓄電池充電比較徹底，保證了蓄電池的容量。</p><p

39、><b>　　b. 缺點：</b></p><p>　　充電過程中需要較多人工干預(yù)，如蓄電池端電壓的測試、溫度測量、電流調(diào)節(jié)等；恒流充電當(dāng)蓄電池基本充好后還能以很小的電流對蓄電池繼續(xù)充電，使極板內(nèi)部較多的活性物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)，從而使蓄電池充電比較徹底，保證了蓄電池的容量。蓄電池充電接受特性如圖2.4所示。恒流充電一般分為兩階段進(jìn)行，與蓄電池充電接受特性相差較大，因而在實際操作中一般存在

40、初期電流偏小，后期電流太大的缺陷。初期電流偏小影響充電速度。所以恒流充電一般時間很長,以DG-250型蓄電池為例,平時補充充電時間竟達(dá)12h以上。后期電流偏大使得極化現(xiàn)象嚴(yán)重加劇。所以恒流充電無論從速度上還是從效果上都不完善。使蓄電池產(chǎn)生劇烈的溫升及冒氣，這會導(dǎo)致極板上活性物質(zhì)脫落、極板彎曲，損傷蓄電池壽命。同時極化現(xiàn)象使活性物質(zhì)不能真正有效地參加化學(xué)反應(yīng),白白浪費大量電能。</p><p>　　圖2.4 蓄電

41、池充電接受特性</p><p>　　2.2.2 恒壓充電</p><p>　　充電過程中充電電壓始終保持不變。恒壓充電特性如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5 恒壓充電特性</p><p><b>　　優(yōu)缺點分析:</b></p><p><b>　　a. 優(yōu)點：</b

42、></p><p>　　恒壓充電電流隨蓄電池電動勢的升高而逐漸減小，若充電電壓設(shè)定為終止電壓，還可實現(xiàn)自動停充。因此恒壓充電操作簡單，不需人工干預(yù)，省去了許多麻煩。恒壓充電在充電過程初期由于蓄電池電動勢較低，充電電流較大，因而充電速度較快，一般在3～4h即可使蓄電池充到80%～90%。恒壓充電性能比較接近蓄電池充電接受特性，因此恒壓充電如果操作適當(dāng)可以取得較好充電效果。</p><p&g

43、t;<b>　　b. 缺點：</b></p><p>　　恒壓充電電流不能自由調(diào)節(jié)，因此不適應(yīng)對各種不同技術(shù)狀態(tài)的蓄電池進(jìn)行充電；由于沒有去極化措施,因而特別在充電電壓設(shè)定較高時充電過程中有較嚴(yán)重的極化現(xiàn)象。因此也有嚴(yán)重的負(fù)面效果，如出氣、溫升、極板活性物質(zhì)脫落等，從而延長充電時間、折損電瓶壽命、浪費電能；恒壓充電充電過程后期充電電流過小，極板深處的活性物質(zhì)不能充分恢復(fù)，因而不能保證蓄電池徹

44、底充足。因此長此以往電瓶容量及壽命都會遭受損失。</p><p>　　2.2.3 快速充電技術(shù)的優(yōu)缺點分析</p><p><b>　　a. 優(yōu)點：</b></p><p>　　(1) 快速充電速度快。以補充充電為例，快速充電一般需0.5～1.5h，是常規(guī)補充充電的1/8～1/20。</p><p>　　(2) 快速充電

45、充電效果好?？焖俪潆娪捎谠诔潆娺^程中采取去極化措施，使蓄電池始終比較接近初始充電狀態(tài)，因而蓄電池只有微量出氣，有效地避免了因劇烈出氣而造成的活性物質(zhì)脫落，故蓄電池壽命顯著提高；以3-Q-98型蓄電池進(jìn)行壽命試驗，壽命循環(huán)可達(dá)340次(標(biāo)準(zhǔn)為220～280次)；同時快速充電由于充電電流大，極板上的活性物質(zhì)可以進(jìn)行比常規(guī)充電更充分的電化學(xué)反應(yīng),因而蓄電池的容量顯著增加；例如6-Q-54型蓄電池，初充電后容量可達(dá)62.1A.h(10h放電率)

46、。</p><p>　　(3) 節(jié)約大量電能?？焖俪潆娪捎谟腥O化措施，充入蓄電池的電能絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，同時充電時間短，電能的損耗也少，因此快速充電可節(jié)約大量電能。例如，對6-Q-54型蓄電池初充電，采用常規(guī)充電耗電量為7kW·h，而采用快速充電時僅耗電3.5kW·h，約可節(jié)省50%的電能。</p><p>　　(4) 進(jìn)行激活試驗?？焖俪潆娪捎诔潆婋娏鬏^大，可對

47、某些硫化了的蓄電池進(jìn)行激活試驗。</p><p><b>　　b. 缺點：</b></p><p>　　(1) 快速充電與常規(guī)充電相比溫升較高。</p><p>　　(2) 快速充電制度很多。如定電流、定周期脈沖充電、放電去極化法，定電流、定電壓脈沖充電、放電去極化法，小電流寬脈沖放電去極化法，大電流和小電流結(jié)合去極化法等等。雖然都有去極化措施

48、，充電過程中仍有極化現(xiàn)象存在，很多快速充電設(shè)備就是因極化使蓄電池電動勢升高而關(guān)機的。</p><p>　　(3) 快速充電壽命長。由于充電電流較大,在實際操作中可能因電流過大反而造成溫升高、出氣量大、活性物質(zhì)脫落等較嚴(yán)重的負(fù)面效果，因而一般的快速充電比常規(guī)充電實際達(dá)到的壽命循環(huán)(460次)約低30%。這也是目前大多數(shù)蓄電池生產(chǎn)廠家普遍不支持快速充電的主要原因。</p><p>　　2.2.

49、4充電控制技術(shù)</p><p>　　充電控制技術(shù)是智能充電器系統(tǒng)中軟件設(shè)計的核心部分。根據(jù)充電電池的原理，將鎳鎘和鎳氫電池的電壓曲線分為三段，具體見圖2.1，2.2。由于鎳鎘和鎳氫電池的最佳充電過程無法用單一量實現(xiàn)，在這三段應(yīng)分別采用不同的控制方式。具體為：進(jìn)入B—C段之前，電池電量已基本用完，此時采用恒定的小電流充電。進(jìn)入B—C段時，若采用恒流充電，電流過大會損壞電池，電流過小使充電時間過長，所以這一段采用模糊

50、控制方法，根據(jù)電壓變化情況控制充電電流，使電池電壓按理想充電模式變化，以達(dá)到最佳充電效果。當(dāng)進(jìn)入ΔV階段時，說明電池充電已滿，若此時停止充電，電池會自放電。為防止自放電現(xiàn)象發(fā)生，采用浮充維護(hù)充電方式，用1/20C—1/50C（C為電池的額定容量）的電流進(jìn)行涓流充電。</p><p>　　鋰電池充電方法與鎳鎘和鎳氫電池相差較大，它是采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電方式，具體見圖2.3。在恒流充電狀態(tài)下，不斷檢測電池端電壓，當(dāng)電池

51、電壓達(dá)到飽和電壓時，恒流充電狀態(tài)終止，自動進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)；恒壓充電時，保持充電電壓不變，由于電池內(nèi)阻不斷變大，導(dǎo)致充電電流不斷下降，當(dāng)充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10時，終止恒壓充電，進(jìn)入浮充維護(hù)充電階段。根據(jù)部隊以往的反饋情況得知，鋰電池在使用中，沒有出現(xiàn)明顯的鎳鎘和鎳氫電池的使用壽命短的情況，這說明鋰電池傳統(tǒng)的充電方法可行。所以本設(shè)計沒有考慮鋰電池的快速充電，而是采用傳統(tǒng)的恒流恒壓充電方式。</p><

52、;p>　　電池在充滿電后，如果不及時停止充電，電池的溫度將迅速上升。溫度的升高將加速蓄電池板柵腐蝕速度及電解液的分解，從而縮短電池壽命、容量下降。為了保證電池充足電又不過充電，可以采用定時控制、電壓控制、溫度控制和綜合控制等多種終止充電的方法。下面對這些方法分別做具體介紹。</p><p><b>　　a . 定時控制</b></p><p>　　該方法適用于恒

53、流充電。采用恒流充電法時，根據(jù)電池的容量和充電電流，可以很容易的確定所需的充電時間。充電的過程中，達(dá)到預(yù)定的充電時間后，定時器發(fā)出信號，使充電器迅速停止充電或者將充電電流迅速將至浮充維護(hù)充電電流，這樣可以避免電池長時間大電流過充電。</p><p>　　這種控制方法較簡單，但有其缺點：充電前，電池的容量無法準(zhǔn)確知道，而且電池和一些元器件的發(fā)熱使充電電能有一定的損失，實際的充電時間很難確定。而該方法充電時間是固定的

54、，不能根據(jù)電池充電前的狀態(tài)而自動調(diào)整，結(jié)果使有的電池可能充不足電，有的電池可能過充電，因此，只有充電速率小于0.3C時，才采用這種方法。</p><p><b>　　b. 電池電壓控制</b></p><p>　　在電壓控制法中，最容易檢測的是電池的最高電壓。常用的電壓控制法有：</p><p>　　(1) 最高電壓（VMAX）</p&g

55、t;<p>　　從充電特性曲線可以看出，電池電壓達(dá)到最大值時，電池即充足電。充電過程中，當(dāng)電池電壓達(dá)到規(guī)定值后，應(yīng)立即停止快速充電。這種控制方法的缺點是：電池充足電的最高電壓隨環(huán)境溫度、充電速率而變，而且電池組中各單體電池的最高充電壓也有差別，因此采用這種方法不可能非常準(zhǔn)確地判斷電池已足充電。</p><p>　　(2) 電壓負(fù)增量（－ΔV）</p><p>　　由于電池電壓

56、的負(fù)增量與電池組的絕對電壓無關(guān)，而且不受環(huán)境溫度和充電速率等因素影響，因此可以比較準(zhǔn)確地判斷電池已充足電。這種控制方法的缺點是：從多次快速充電實驗中發(fā)現(xiàn)，電池充足電之前，也有可能出現(xiàn)局部電壓下降的情況，使電池在未充足電時，由于檢測到了負(fù)增量而停止快充;鎳氫電池充足電后，電池電壓要經(jīng)過較長時間，才出現(xiàn)負(fù)增量，此時過充電較嚴(yán)重，此時電池的溫度較高，對電池有所損害。因此，這種控制方法主要適用于鎘鎳電池。</p><p>

57、;　　(3) 電壓零增量（0ΔV）</p><p>　　鎳氫電池充電器中，為了避免等待出現(xiàn)電壓負(fù)增量的時間過久而損壞電池，通常采用0ΔV 控制法。這種方法的缺點是：未充足電以前，電池電壓在某一段時間內(nèi)可能變化很小，若此時誤認(rèn)為0ΔV 出現(xiàn)而停止充電，會造成誤操作。為此，目前大多數(shù)鎳氫電池快速充電器都采用高靈敏－0ΔV檢測，當(dāng)電池電壓略有降低時，立即停止快速充電。</p><p><b

58、>　　c. 綜合控制法</b></p><p>　　以上各種控制方法各有其優(yōu)缺點，由于存在電池個體的差異和個別的特殊電池，若只采用一種方法，則會很難保證電池較好的充電。為了保證在任何情況下均能可靠的檢測電池的充足電狀態(tài)，可采用具有定時控制、電流控制和電池電壓控制功能的綜合控制法。</p><p>　　2.3開關(guān)電源的基本原理</p><p>　　開

59、關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。</p><p>　　開關(guān)電源主要應(yīng)用領(lǐng)域有計算機、通信辦公設(shè)備、控制設(shè)備等產(chǎn)品以及電視機、攝像機、電子游戲機等消費類產(chǎn)品。與傳統(tǒng)采用工頻變換技術(shù)的相控電源相比，采用大功率開關(guān)管的高頻整流電源，在技術(shù)上是一次飛躍，它不但可以方便地得到不同的電壓等級，更重要的

60、是甩掉了體積大、笨重的工頻變壓器及濾波電感電容。由于采用高頻功率變換，使電源裝置顯著減小了體積和重量，而有可能和設(shè)備的主機體積相協(xié)調(diào)，并且使電性能得到進(jìn)一步提高。因此，開關(guān)電源取代線性電源和相控電源是必然的發(fā)展趨勢。</p><p>　　人們在開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開發(fā)相關(guān)電力電子器件，邊開發(fā)開關(guān)變頻技術(shù)，兩者相互促進(jìn)推動著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源

61、可分為AC/DC和DC/DC兩大類，也有AC/AC DC/AC 如逆變器 DC/DC變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設(shè)計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。</p><p>　　現(xiàn)代開關(guān)電源有兩種：一種是直流開關(guān)電源；另一種是交流開關(guān)電源。在此主要介紹直流開關(guān)電源，其功能是將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電源（粗電）

62、，如市電電源或蓄電池電源，轉(zhuǎn)換成滿足設(shè)備要求的質(zhì)量較高的直流電壓（精電）。直流開關(guān)電源的核心是DC/DC轉(zhuǎn)換器。因此直流開關(guān)電源的分類是依賴DC/DC轉(zhuǎn)換器分類的。</p><p>　　直流DC/DC轉(zhuǎn)換器按輸人與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類：一類是有隔離的稱為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器；另一類是沒有隔離的稱為非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。 </p><p>　　隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以

63、按有源功率器件的個數(shù)來分類。單管的DC/DC轉(zhuǎn)換器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）兩種。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器 有雙管正激式（DoubelTransistor Forward Converter），雙管反激式（Double Transistr F1yback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter）和半橋式（Ha1f-Bridge Converter）四種。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器就是全橋DC

64、/DC轉(zhuǎn)換器（Full-Bridge Converter）。 </p><p>　　非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，按有源功率器件的個數(shù)，可以分為單管、雙管和四管三類。單管DC/DC轉(zhuǎn)換器共有六種，即降壓式（Buck）DC/DC轉(zhuǎn)換器 ，升壓式（Boost）DC/DC轉(zhuǎn)換器、升壓降壓式（Buck Boost）DC/DC轉(zhuǎn)換器、Cuk DC/DC轉(zhuǎn)換器、Zeta DC/DC轉(zhuǎn)換器和SEPIC DC/DC轉(zhuǎn)換器。在這六種

65、單管DC/DC轉(zhuǎn)換器中，Buck和Boost式DC/DC轉(zhuǎn)換器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC轉(zhuǎn)換器是從中派生出來的。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換 器有雙管串接的升壓式（Buck-Boost）DC/DC轉(zhuǎn)換器。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器常用的是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器（Full-Bridge Converter）。</p><p>　　由于本次設(shè)計主要應(yīng)用了降壓DC/DC變換器。因此，對基本降

66、壓變換電路Buck電路做簡要介紹。</p><p>　　Buck電路如圖2.6所示：降壓斬波器，入出極性相同。由于穩(wěn)態(tài)時，電感充放電伏秒積相等，因此</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p><b>　　(2.2)</b></p><p><b>　　(2.3)<

67、;/b></p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　即，輸入輸出電壓關(guān)系為：(占空比)。</p><p>　　在開關(guān)管S通時，輸入電源通過L平波和C濾波后向負(fù)載端提供電流；當(dāng)S關(guān)斷后，L通過二極管續(xù)流，保持負(fù)載電流連續(xù)。輸出電壓因為占空比作用，不會超過輸入電源電壓。</p><p>　　圖

68、2.6 Buck電路拓補結(jié)構(gòu)</p><p>　　3 數(shù)字化快速充電系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p><b>　　3.1總體設(shè)計方案</b></p><p>　　根據(jù)本次設(shè)計的要求，設(shè)計的數(shù)字化快速充電器必須能對鎳鎘，鎳氫及鋰離子電池組充電。并能夠?qū)Τ潆娺^程進(jìn)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(diào)整，使之符合與其相應(yīng)的充電曲線。對此，

69、本次設(shè)計的主要設(shè)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(diào)整，從而實時而正確地控制充電過程。當(dāng)檢測到電池已充滿時，會提示用戶并且充電器自動進(jìn)入浮沖維護(hù)狀態(tài)。充電過程中，充電器設(shè)置有定時，電流保護(hù)和故障檢測功能，如有異常將使充電器停止充電而保護(hù)電池。利用模糊控制理論對充電過程進(jìn)行優(yōu)化控制，

70、使充電嚴(yán)格地按照具體電池理想的充電曲線進(jìn)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3.1所示。</p><p>　　220V交流電壓首先送入反激式開關(guān)電源進(jìn)行AC/DC變換，使其直流輸出電壓為25V，再經(jīng)過DC/DC變化轉(zhuǎn)化為供電電壓和充電電壓。此充電電壓不能直接對電池進(jìn)行充電，必須經(jīng)過充電電路，采用BUCK 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對AC/DC 變換電路所得的25V的直流輸入電壓進(jìn)行二次斬波,得到合適

71、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過程的順利進(jìn)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(hù)功能。另外，鍵盤輸入單元用于設(shè)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(yīng)當(dāng)具備對電壓、電流、溫度的檢測和保護(hù)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。</p><p&g

72、t;　　3.2單片機XC164CM介紹 </p><p>　　XC164CM是英飛凌 16 位單片CMOS 微控制器系列的增強型產(chǎn)品。XC164CM將功能和性能擴展的C166SV2 內(nèi)核、功能強大的片上外設(shè)子系統(tǒng)和片上存儲器單元完美結(jié)合，并且有效降低了系統(tǒng)功耗。XC164具有5級指令執(zhí)行流水線和2級預(yù)取指流水線，工作頻率40MIPS，可以單周期執(zhí)行16*16bit運算，能夠滿足各種復(fù)雜的充電控制策略的運算要求。它

73、的I/O口較多，內(nèi)部資源豐富，主要有：64K的FLASH程序存儲器，6K的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器；16級優(yōu)先權(quán)的中斷系統(tǒng)，硬件中斷陷阱；14通道10位的A/D轉(zhuǎn)換器；2個比較/捕獲單元，可方便的產(chǎn)生PWM波；可編程看門狗定時器。另外XC164CM還具備JTAG接口，便于調(diào)試程序。</p><p>　　CPU內(nèi)核由一組經(jīng)過優(yōu)化的功能單元組成，包括指令讀取/處理流水線、16位算術(shù)邏輯單元（ALU）、40位乘累加單元（MAC）

74、、地址和數(shù)據(jù)單元（ADU）、取指單元（IFU）、寄存器文件（RF），以及專用特殊功能寄存器（SFR）。</p><p>　　XC164CM中的大多數(shù)指令為單周期指令，從而提高了CPU性能，同時與C166指令保持兼容。此外，XC164CM出色的DSP性能、對不同存儲器和外設(shè)的并行訪問等特性提高了系統(tǒng)的整體性能。</p><p>　　XC164CM的內(nèi)核架構(gòu)將RISC和CISC處理器的優(yōu)點完美

75、結(jié)合。其計算和控制功能由于MAC單元的DSP功能而變得更加完善。XC164CM將高性能CPU與一系列功能強大的外設(shè)單元集成起來，有效的聯(lián)接成一個單片機系統(tǒng)。片上存儲器模塊帶有專用總線和控制單元，用于存儲代碼和數(shù)據(jù)。這些特性促成了XC164CM微控制器的高性能，使得XC164CM不僅可滿足當(dāng)前的應(yīng)用，還將適用于未來的工程應(yīng)用。XC164CM中還采用了一種LXBus總線，用來標(biāo)識外部總線接口。LXBus總線提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的方法，可方便的將

76、附加的專用外設(shè)集成到標(biāo)準(zhǔn)XC164CM系列芯片中。</p><p>　　因此，在本電路中使用XC164CM充當(dāng)核心控制器。通過鍵盤設(shè)定對不同電池進(jìn)行充電，完成對整個充電過程的控制。通過計算，處理外圍幾個檢測電路檢測到的信息。根據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷和不斷調(diào)整充電狀態(tài)。并通過指示電路顯示給用戶。對不穩(wěn)定的充電狀態(tài)以及錯誤操作及時終止。XC164CM引腳圖如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2

77、 XC164CM</p><p>　　3.3開關(guān)電源電路設(shè)計</p><p>　　開關(guān)電源電路的主要任務(wù)是將市電220VAC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，輸入整流濾波器等電源變換電路。220VAC的市電經(jīng)過輸入濾波器能夠抑制大部份共模干擾和差模干擾。整流器將交流電整流濾波成直流電，然后經(jīng)過DC/DC變換器得到充電所需的直流電壓。為了

78、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(fù)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，該控制電路由美國動力（PI）公司的TOPSwitch－Ⅱ系列單片電源電路中的TOP224Y芯片對反饋參數(shù)進(jìn)行比較處理，通過PWM波調(diào)制輸出，對DC/DC變換器的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，從而得到穩(wěn)定的輸出電壓。</p><p>　　3.3.1 AC/DC轉(zhuǎn)換電路</p><p>

79、;　　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(wǎng)絡(luò)；橋式整流電容濾波電路。</p><p><b>　　a. 保險絲</b></p><p>　　考慮到市電輸入的電流不穩(wěn)定性。為保護(hù)整個系統(tǒng)不會因過大的沖擊電流燒毀，采用220V/3A的保險絲。</p><p><b>　　b.

80、 輸入濾波器</b></p><p>　　電壓電流的變化通過導(dǎo)線傳輸時的干擾，干擾電壓和電流主要有二種形態(tài)：“共?！焙汀安钅！?。一種是兩根導(dǎo)線分別做為往返線路傳輸；另一種是兩根導(dǎo)線做去路，地線做返回路傳輸。前者叫“差?！?，后者叫“共?！薄Ｒ话愀蓴_所經(jīng)由的不是共模路徑就是差模路徑，因此可對不同路徑的干擾采用不同的處理,以濾波、屏蔽等手段來消除。</p><p>　　本設(shè)計電路中電

81、容C1作為濾波器用于抑制共模噪聲，為濾波效果好，電容C1使用陶瓷電容活聚酯薄膜電容，應(yīng)具有足夠的耐壓性。</p><p><b>　　c. 整流濾波電路</b></p><p>　　整流采用單相橋式整流，電容C2作為濾波電路。如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 單相橋式整流電容濾波電路</p><p>　　3

82、.3.2 DC/DC變換器電路的設(shè)計</p><p>　　該電路主要是應(yīng)用PWM調(diào)制的反激式開關(guān)電路，并由芯片TOP224Y進(jìn)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3.4所示。</p><p>　　圖3.4 DC/DC變換器電路</p><p>　　a. 反激變換器的工作原理</p><p>　　隔離性DC/DC變換電路是開關(guān)

83、電源電路中最重要的組成部分。常用的幾種基本類型有：正激變換，反激變換，推挽式，半橋式和全橋式。比較它們的優(yōu)缺點和考慮到功能要求。本系統(tǒng)選擇單端反激式變換器。</p><p>　　單端反激式變換器的基本工作原理如圖3.5所示：當(dāng)開關(guān)管M導(dǎo)通時，變壓器的初級電感線圈儲存能量，而由于次級線圈與初級線圈相反，此時二極管處于反向偏壓截止?fàn)顟B(tài)。則次級電路中沒有電流流向負(fù)載。而當(dāng)使開關(guān)管M截止時，由于磁通量變換的影響，次級線圈

84、的電壓極性反轉(zhuǎn)。二極管D導(dǎo)通，對電容C充電。同時也有電流通過負(fù)載。</p><p>　　圖3.5 反激變換原理圖</p><p><b>　　b. 變壓器的設(shè)計</b></p><p>　　變壓器是開關(guān)電源的關(guān)鍵器件，在電路中兼有儲能、限流、隔離和阻抗轉(zhuǎn)換作用。</p><p><b>　　(1) 技術(shù)要求&l

85、t;/b></p><p>　　輸入電壓：90V～270VAC；輸出功率：=150W；輸出電壓：直流25V；開關(guān)頻率：100kHz；功率電路：單端反激。</p><p><b>　　(2) 設(shè)計過程</b></p><p>　　1) 確定工作頻率和最大導(dǎo)通時間</p><p>　　根據(jù)電路原理，可選擇最大占空比，則

86、最大導(dǎo)通時間：</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　?。?) 變壓器初級繞組匝數(shù)的計算</p><p>　　變壓器初級繞組的匝數(shù)與最大磁感應(yīng)增量之間的關(guān)系為：</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　式中，為磁芯的有效

87、斷面積。</p><p>　　根據(jù)對磁輻射的要求，本設(shè)計采用TOKIN優(yōu)質(zhì)FPQ系列磁材。選擇型號為FPQ3535-T-22型磁材可滿足要求。相應(yīng)的，骨架選擇該公司生產(chǎn)的PQB3535-P1212-F，材料型號為T375J94V-O。</p><p>　　根據(jù)磁材特性，若選，則在第一象限的最大磁感應(yīng)增量為：</p><p><b>　　(3.3)</

88、b></p><p>　　經(jīng)查FPQ磁芯工作磁滯回線，當(dāng)，且溫升達(dá)到100℃時，離飽和磁密仍保持一定距離，證明的設(shè)定是合理的。</p><p>　　FPQ3535-T-22型磁芯的有效斷面積為196 ，則： (匝)。</p><p>　　3) 變壓器次級繞組匝數(shù)計算</p><p>　　由于輸出電壓為25V，則可求得次級最低輸出電壓：&

89、lt;/p><p><b>　　(3.4)</b></p><p>　　式中：為整流二極管壓降，選1V。所以為52V。</p><p>　　考慮到初、次級變比關(guān)系，以及輸入低電壓時保證輸出達(dá)到要求值，并考慮到雙正激兩個MOSFET的壓降為4V，則：</p><p><b>　　(3.5)</b><

90、/p><p>　　所以： （匝）</p><p>　　c. PWM反饋控制電路設(shè)計</p><p>　　(1) 芯片TOP224Y的介紹</p><p>　　TOPSwitch芯片是美國PI公司的產(chǎn)品，在儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、音像設(shè)備等系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。</p><p>　　這個器件集成了功率開關(guān)管（MO

91、SFET）、控制電路、振蕩器等于一體。它僅采用三端器件，以最簡單的接線方式，構(gòu)成電源系統(tǒng)。從而極大地簡化了150W以下電源系統(tǒng)的設(shè)計。</p><p>　　TOPSwitch-II則是在1997年推出的第二代產(chǎn)品。第二代產(chǎn)品在電路性能，特別是輸出功率上獲得大幅度的提高。這兩個系列的封裝是一致的，實際上它是一個三端器件。其封裝圖如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 TOP Swit

92、ch-II封裝圖</p><p>　　三個腳分別是D、S、C，即漏極、源極、控制極。TO－220封裝、DIP－8封裝和SMD－8封裝這三個腳的含義是：</p><p>　　1) 源極S：連接內(nèi)部MOSFET的源極，同時也是TOP開關(guān)及開關(guān)電源初級電路的公共接地點及基準(zhǔn)點。</p><p>　　2) 漏極D：是內(nèi)部MOSFET的漏極，也是內(nèi)部電流的檢測點。該點內(nèi)部有一

93、電流源提供芯片偏置電流。</p><p>　　3) 控制極C：誤差放大電路和反饋電流輸入端。其作用是：提供自動重啟電容連接點并決定重啟頻率；通過調(diào)節(jié)其輸入電流，可以調(diào)整占空比；為芯片提供正常工作的偏置電流；提供旁路和補償功能的電容連接點。</p><p><b>　　(2) 性能特點：</b></p><p>　　1) 將脈寬調(diào)制（PWM）控制

94、系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中。內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)場效應(yīng)管（MOSFET）、自動偏置電路、保護(hù)電路、高壓啟動電路和環(huán)路補償電路，通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實現(xiàn)了無工頻變壓器、隔離式開關(guān)電源的單片集成化，使用安全可靠。</p><p>　　2) 輸入交流電壓和頻率的范圍極寬。作固定電壓輸入時可選110V／115V／230V交流電，允許變化±15％；在寬電壓范圍輸入時，適配85V～26

95、5V交流電，但PO值要比前者降低40％。</p><p>　　3) 開關(guān)頻率。其典型值為100kHz，允許范圍是90kHz～110kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍是1.7％～67％。</p><p>　　4)TOPSwitch－Ⅱ只有3個引出端?？梢酝司€性集成穩(wěn)壓器相媲美，能以最簡方式構(gòu)成無工頻變壓器的普通型或精密型開關(guān)電源。</p><p>　　5)外圍電路簡單，成本低

96、廉。芯片本身功耗很低，溫度范圍0-70攝氏度，最高結(jié)溫135攝氏度。電源效率可達(dá)80％左右,比線性集成穩(wěn)壓電源提高了近一倍。</p><p>　　(3) 本系統(tǒng)所采用的TOP224Y的工作原理：</p><p>　　TOP224Y的工作原理是利用反饋電流Ic來調(diào)節(jié)占空比D，達(dá)到穩(wěn)壓目的。如：當(dāng)輸出電壓Uo↑時，經(jīng)過光耦反饋電路使得Ic↑→D↓→Uo↓,最終使Uo不變。</p>

97、<p>　　電源啟動時，連接在漏極和源極之間的內(nèi)部高壓電流源向控制極充電，在RE兩端產(chǎn)生壓降，經(jīng)RC濾波后，輸入到PWM比較器的同相端，與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波電壓相比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號并驅(qū)動MOSFET管，因而可通過控制極外接的電容充電過程來實現(xiàn)電路的軟啟動。</p><p>　　當(dāng)控制極電壓Uc達(dá)到5.7V時，內(nèi)部高壓電流源關(guān)閉，此時由反饋控制電流向Uc供電。在正常工作階段，由外界電路構(gòu)成電壓負(fù)反饋

98、控制環(huán)，調(diào)節(jié)輸出級MOSFET的占空比以實現(xiàn)穩(wěn)壓。當(dāng)輸出電壓升高時，Uc升高，采樣電阻RE上的誤差電壓亦升高。而在與鋸齒波比較后，將使輸出電壓的占空比減小，從而使開關(guān)電源的電壓減小。當(dāng)控制極電壓低于4.7V時，MOSFET管關(guān)閉，控制電路處于小電流等待狀態(tài)，內(nèi)部高壓電流源重新接通并向Uc充電，其關(guān)斷/自動復(fù)位滯回比較器可使Uc保持在4.7V～5.7V之間。</p><p>　　圖3.7是其運行波形圖。其中，a圖為

99、正常運行波形，b圖為自動重啟波形。自動重啟電路具有一個八分頻計數(shù)器，可以阻止輸出級MOSFET再次導(dǎo)通，直到八個放電--充電周期完成為止。因此，在自動重啟期間，占空比控制在5%左右可有效地限制芯片的功耗。自動重啟動電路一直工作到Uc進(jìn)入受控狀態(tài)為止。</p><p>　　圖3.7 TOP224Y輸出端波形圖</p><p>　　3.4充電電路的設(shè)計</p><p>

100、;　　充電電路由25V電壓輸入，通過一個由控制器控制的PWM調(diào)制的BUCK開關(guān)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3.8所示。</p><p>　　圖3.8中電路輸入電壓經(jīng)接地電容濾波濾除交流分量，再送到BUCK變換器，進(jìn)行PWM調(diào)制得到充電電壓。如圖3.8所示，BUCK變換器電路由功率場效應(yīng)管MOSFET開關(guān)管和兩個晶體三級管組成。下面的一個晶體三級管通過控制MOSFET管的開關(guān)而產(chǎn)生PWM

101、波以及控制充電電路的開關(guān)。另一個晶體三級管可以加速開關(guān)管的開關(guān)速度。降壓后的電壓通過濾波整流就可以用于對電池充電了。</p><p>　　圖3.8中BUCK電路之后的電路是防反接電路。電池正確接入時，電池的端電壓通過電阻分壓使MOS管導(dǎo)通，形成充電回路。當(dāng)電池不慎被接反時，MOS管將截至，充電回路斷開。能起到保護(hù)電池和充電器的目的。</p><p><b>　　圖3.8充電電路&

102、lt;/b></p><p>　　3.5充電控制電路的設(shè)計</p><p>　　充電控制電路是智能充電器最主要的組成部分。該電路保證整個充電過程的順利進(jìn)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(hù)功能。另外，接收由鍵盤輸入單元設(shè)定不同電池輸出電流和電壓等參數(shù)，同時將參數(shù)輸入給顯示單元顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障類型等信息。

103、因此，經(jīng)過充分分析、論證，設(shè)計時選用英飛凌公司的XC164CM單片機作為控制核心構(gòu)成數(shù)字式控制器組成控制電路的核心部分。通過核心器件XC164CM單片機及其周圍各功能電路對電池組進(jìn)行快速充電并實時監(jiān)測充電電流，充電電壓，充電持續(xù)時間等狀態(tài)參數(shù)，對充電電路及時調(diào)整，保證充電過程的穩(wěn)定，高效，以及起到保護(hù)電池的目的。</p><p>　　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

104、，電壓檢測，時間定時等電路獲得當(dāng)前充電狀態(tài)參數(shù)。并與設(shè)定各狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(jìn)入緩流維護(hù)狀態(tài)或者停止充電。</p><p>　　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

105、也不會一樣，所以要對每個電池的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測，比較處理后決定每個電池的充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換及充電終止。整個充電過程的數(shù)據(jù)處理和控制調(diào)整都由單片機XC164CM來完成。其設(shè)計的電路如圖3.9所示。</p><p>　　圖3.9 XC164CM單片機控制電路 </p><p>　　3.6單片機及其外圍電路的供電電路的設(shè)計 </p><p>

106、　　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。</p><p>　　由于XC164CM的內(nèi)核CPU需要2.5V的供電，因此要使用AMS1117－2.5V的芯片對5V電壓進(jìn)一步降壓產(chǎn)生2.5V的供電電壓。下面分別對其簡述：</p><p>　　3.6.1 5V供電電路</p><p>　　該

107、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3.10所示。</p><p>　　圖3.10 5V供電電路</p><p>　　3.6.2 2.5V供電電路</p><p>　　2.5V供電電路選擇AMS1117－2.5V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(nèi)部CPU供

108、電。其電路如圖3.11所示。</p><p>　　圖3.11 2.5V供電電路</p><p>　　3.7電壓和電流檢測電路的設(shè)計</p><p>　　為了能夠?qū)崿F(xiàn)對充電過程的實時監(jiān)測，這時單片機就要根據(jù)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(jìn)入緩流維護(hù)狀態(tài)或者停止充電。因此，就需要設(shè)計電壓和電流檢測電路，以便將檢測的參

109、數(shù)提供給單片機。下面分別介紹電壓和電流檢測電路：</p><p>　　3.7.1電壓檢測電路</p><p>　　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(dāng)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(dāng)電壓出現(xiàn)零增量或者負(fù)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(zhuǎn)入恒壓充