基于单片机的智能充电器设计毕业论文

基于单片机的智能充电器设计毕业论文目录1 绪论 (1)1.1课题研究的背景、目的及意义 (1)1.2国外研究现状 (2)1.2.1国外研究现状 (2)1.2.2国研究现状 (2)1.3研究容与章节安排 (5)2 方案比较和选择 (6)2.1总体设计框图 (6)2.2电源模块 (7)2.2.1电源方案的选择 (7)2.3充电方法 (8)2.3.1锂电池的充电特性 (8)2.3.2充电方案的选择 (9)2.4 SOC估算方法 (10)2.4.1 SOC估算方法的选择 (10)2.5通信方式 (11)2.5.1 通信方式的选择 (11)2.6本章小结 (12)3 硬件设计与实现 (13)3.1单片机电路 (13)3.2充电电源电路 (16)3.2.1变压电路 (16)3.2.2整流、滤波电路 (17)3.2.3 TL494脉宽调制电路 (17)3.2.4 DC-DC电路 (19)3.3电压采集电路 (19)3.4温度采集电路 (21)3.5报警电路 (21)3.6本章小结 (22)4 软件设计与实现 (23)4.1软件开发环境 (23)4.1.1 Qt5.4集成开发环境 (23)4.2单片机程序设计 (23)4.2.1 整体设计逻辑概述 (23)4.2.2 电压、温度数据采集 (24)4.3上位机软件程序设计 (25)4.3.1 整体设计概述 (25)4.3.2 程序逻辑流程图 (25)4.3.3 UI界面 (25)4.4 上下位机的通信设计 (27)4.4.1 通信协议概述 (27)4.4.2 上下位机通信流程图 (27)4.5 本章小结 (28)5 调试与分析 (29)5.1充电电路检测 (29)5.2温度电路检测 (30)5.3电压电路检测 (31)5.4充电器运行检测 (32)5.5 本章小结 (33)6 总结与展望 (34)参考文献 (35)致谢 (37)1 绪论如今随着人们物质生活水平的提高，人们的出行越来越离不开电动交通工具，尤其是锂电池电动自行车。

对于锂电池的充电方案的研究也越来越多。

本章节从目前存在并应用的基于单片机的智能充电器的设计方案进行分析，集中分析锂电池充电器充电系统的研究背景、意义以及国外在这个方面的研究，明确本课题研究的主要目标、容及本论文的框架结构。

1.1课题研究的背景、目的及意义随着全球经济的发展，锂电池对于人们生活的影响越来越大。

锂电池具有储能密度高，寿命长等优点，在当前社会应用围极广[1]。

如今锂电池在出行工具、娱乐工具等领域市场所占比重很大[2]。

目前锂电池应用的领域很广泛，尤其是电动自行车领域。

2006年前后，锂电池组开始出现在我国的电动自行车领域。

到2008前后，以锂电池作为车载电池的电动自行车得以大围推广[3]。

如今锂电池电动自行车在我国已经普及[4]。

然而随着人们对锂电池产品需求的发展，锂电池的频繁充放电已经成为常态。

在三星手机出现爆炸事件发生后，人们对锂电池的安全性越来越重视，尤其是充电过程中，锂电池安全更为重要。

所以锂电池的风险管理越来越重要[5]。

与此同时，频繁的使用电子设备，电源电池经常充放电，这对电池的寿命是极大地考验，再加上很多商用的的锂电池充电器不能很好的解决锂电池充电安全问题，所以需要更多的人去研究更安全的锂电池充电器。

一些大众的电池充电器采用的事高电流快速充电技术，在电池满电后不能做出判断，终止重点，这导致所充的电池组温度会很高，这极大的影响了电池组的使用寿命[6]。

当今社会，科学技术快速进步，关于锂电池的充电技术也有了突飞猛进的质变。

一些更为进准的充电控制算法开始出现，并被人们用在实际的充电器设计中。

为了满足人们对家用锂电池产品的安全性、智能性、人机交互性等方面的要求，充电器设计要更加智能化。

智能化的锂电池不仅能提高充电效率，使得资源高效利用还能减少充电时间，提高客户的体验度，并能保证锂电池的使用寿命[7]。

本设计采用的方案是用TL494芯片和单片机 STM32F103组合，并用Qt开发控制软件的整体方案。

TL494芯片作为充电电源的主控芯片，能满足电动自行车锂电池组的充电需求。

STM32单片机含资源很多，能很好的处理采集的数据和控制设计所需要的外设。

再加上上位机的软件能使得所设计的充电器智能、安全，同时保护好电池，保证电池的使用次数。

1.2国外研究现状市场需求增加是科技投入的动力，在智能充电器市场也是如此，相关的工作人员采用更为先进的方案实现充电器安全，智能。

在过去几十年里，由于锂电池技术的日益成熟以及锂电池相比较镍镉、镍氢电池具有极大的优势，所以对于镍镉、镍氢电池这类电池充电系统的研究越来越少，但在锂电池的研究上投入精力巨大。

所以锂电池充电器的研究更加火热。

1.2.1国外研究现状德国 Mentzer UlectronicGmbH 和 Wemer Retzlafr [8]合作研发的 BADICHUQ 系统首次车载实验，并于1992年进行二次改进的 BADICOACH 系统。

他们所设计的动力电池充电系统，在充电过程中能智能的显示电池组的充电状态，包括电池组的电压、电流、温度。

此外整套系统还能用PC机控制。

其系统的一个特色便是测量电压的方案是用非线性电路来检测，并用脉宽信号控制充电过程中的电压和电流。

美国科技在智能充电领域也有很先进的技术，如知名的通用公司，研发出了纯电动车动力锂电池的充电系统，并将该系统用在了其产品EV1电动汽车上。

该公司的智能充电系统包括了温度检测控制模块、电量显示模块、软件控制模块等，其软件控制模块能智能的采集和显示温度和电压电流等数据[9]。

此外还有一些发达的国家也在积极的研发先进的电池组充电系统，如加拿大Zader 研发的电池组充电管理系统[10]，日本青森工业研究中心[11]一直在研发的电池组智能充电系统，韩国 SAMSUNG公司设计的SDI BMS[12]和DEV5-5系统功能都比较完善。

1.2.2国研究现状我国作为一个电池的生产大国和消费大国，每年会生产和消费巨量的锂电池，但是在电池的充电技术方面投入的研发精力和资金相对于国外比较少。

最近几年国家一直倡导中国要从制造到智造转型，并加上消费升级，我国的锂电池充电器市场越来越大。

在电动自行车领域，随着轻捷、体积小的锂电子电池组代替原来笨重的铅蓄电池，该领域对智能的锂电池充电器需求更多。

如今在我国，随着单片机、传感器等技术的快速发展，智能的锂电池充电器充电和控制技术也在迅速发展[13]。

在我国，高校是很多先进科学技术研发的前沿阵地，在电池的充电技术方面也是如此。

如今我国的好多工科专业强势的大学，如知名的清华、北理、北航、北交、大学等，在原先研究的技术基础上通过和相关企业合作，将研发的技术转化为实际产品。

其中高校中最为代表性的有，由理工大学研究所研发的智能锂电池组充电管理系统EQ7200HEV。

企业中研究成果最为突出的有比亚迪公司，其公司所研发的智能电池组充电管理系统已经具有国际科技水平。

当前，在国，对于锂电池组的充电系统的研究主要研究重点在充电温度控制，电池组的电压、电流检测，电池的剩余容量估算和充电过程中的供电电源的电压电流控制等方面[14]。

基于52单片机开发智能充电器系统技术成熟、操作方便、成本较低，在单片机技术应用广泛的今天，开发产品更容易为人们所使用。

王晔和马斋爱拜[15]将AT89C52、MAX1898、光耦6N137和LM7805联系在一起设计了锂电池智能充电器系统。

他们所设计的充电系统能先检测电池组的SOC，如果电池SOC过低，便能够预先低电流充电，在电池剩余容量在一定的SOC方位，将实现高电流快速充电，当电池组的开路电压接近最高值时，便进行高电压低电流充电，在此过程中一直监控充电系统的温度和SOC值，如果出现异常，系统将自动断电、报警，保证了充电的安全性。

他们所设计的充电系统较好的满足了人们对于充电产品的需求，但是该系统的人机交互性还有待提高。

王晓侃和苏全卫[16]设计的系统是基于AT89C2051 单片机的。

该系统在充电过程中能智能的显示电池的电压、SOC值、电流、电池组温度等状态数据。

同时其系统还具有电池组管理功能，能合理的提高电池的使用寿命。

该系统设计功能性强，人机交互性好，但将多项功能集中在一起，出现问题时，修复成本高。

朋[17]设计的电动自行车锂电池组充电管理系统，采用的控制芯片是 BQ77910 芯片，其系统在硬件的基础上还设计了监控软件用来管理整个系统。

该系统能实时的检测和显示电池组的当前各类数据，在充电过程中，即时的通过单片机处理，然后优化充电方案，能有效的避免出现充电短路等问题。

该系统整体功能完善，不过集成化有待提高。

杜江[18]采用两路CAN实现CECU与VMS和LECU的通讯。

其系统采用了性能较高的TMS320F2808芯片，在利用片资源AD模块精准的采集数据，为了提高采集数据的精准度，在采集温度数据、电压数据、电流数据时，该系统都是多路采集，这充分的利用了单片机的片资源。

该设计还利用脉宽调制技术控制风扇，这保证充电系统的温度得到有效控制。

该系统只是进行了仿真，在理论上进行了验证，能否做出产品有待验证。

贾小龙[19]设计的锂电池充电监控管理系统，不仅有硬件设计还有软件设计。

该系统的软件设计部分能实时的监控和显示电池组的状态信息。

硬件设计部分是整个设计的关键，能实现电池组的电压、温度、电流的数据采集和数据处理，电池剩余容量的估算等功能。

整个系统的设计功能很好的实时显示电池组的各种数据，但是在系统的稳定性方面还有待进一步完善。

王凤波[20]设计的基于AD7280A的中型锂离子电池组管理系统利用扩展卡尔曼滤波在Thevenin电池模型上对SOC初值进行了修正，提高了SOC估算的精度，减少能量耗散的同时，大大提高了系统的安全性。

但此系统可扩展性差，在减少电能损耗方面还有待进一步研究。

吴迪[21]在锂电池充电控制与管理方法研究过程中重点解决了一下三个方面，单体锂电池主动充电控制方式、过热保护和过充保护。

但是其系统基于遗传算法的运行机制比较复杂工作量较大，运行速度相对较慢。

清华大学的元栋，晓明等[22]采用了8xC749单片机，设计了电动自行车智能充电器的方案，重点介绍了均衡充电和脉冲充电两种技术，该技术较为先进，具体的实用性，需要进一步研究。

综上所述，这些研究虽然都取得了一些成果，但是同样存在系统架构、电路庞大，成本高等特点。

与此同时由于各种电池的充放电特性有区别，再加上实验资源缺乏，具体的解决方案不完善，好多设计都存在充电效率低下的状况。

另外，这些虽是具备了基本的检测、监控、报警等功能，但在数据采集方面，其可靠性、准确性和抗干扰性等与国外仍有较大差距。

因此还需要好长时间才能追上国外的技术水平。